Учебное пособие-2022. Учебное пособие Саяногорск сфу 2007
 Скачать 2.5 Mb.
|
|
Фаза (от греч. – появление) – в теории колебаний и волн переменного тока определяет состояние колебательного процесса в каждый момент вре- мени. Например, для i=Imsin(ω t+φо), совершающего гармонические коле- бания (рис. 5.1,а), φо – начальная фаза колебаний, т.е. значение фазы в на- чальный момент времени t = 0. 82 Однофазная цепь – это электрическая цепь переменного тока, в кото- рой действует одно синусоидальное напряжение. Трёхфазная цепь – это электрическая цепь переменного тока, в кото- рой действуют три синусоидальных напряжения сдвинутых по фазе обычно на 120°. Трёхфазные цепи экономичнее однофазных, дают существенно меньшие пульсации тока после выпрямления в постоянный ток, позволяют простыми средствами получать вращающееся магнитное поле в электродви- гателях. Фазное напряжение (рис. 5.1,в) источника (приёмника, сети) электри- ческого тока – это разность потенциалов между выводом фазы и нейтральной точкой (проводом). Линейное напряжение (рис. 5.1,в) источника (приёмника, сети) элек- трического тока – это разность потенциалов между выводами смежных фаз. Электромагнитная индукция есть возникновение ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле или в замкнутом проводящем контуре вслед- ствие движения контура в магнитном поле или в результате изменения само- го поля. Электрическая энергия – это способность электромагнитного поля производить работу, преобразовываясь в другие виды энергии (механиче- скую, тепловую, световую, химическую и др.). Электрическая мощность – это работа по перемещению электриче- ских зарядов в единицу времени. Единица измерения мощности – ватт (Вт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт). Различают активную и реактивную мощ- ности. Активная мощность (Р) – это мощность, связанная с преобразованием электроэнергии в тепловую или механическую энергию. В цепях переменно- го синусоидального тока: P = UIcos φ = I 2 R (Вт), где U – действующее значение напряжения, U = U M / √2; I – действующее значение тока; φ – угол сдвига между вектором напряжения и тока, градусы. Реактивная (индуктивная) мощность (QL) в цепях переменного си- нусоидального тока в установившихся режимах связана с созданием магнит- ных полей в элементах цепи и покрытием потерь на, так называемые, поля рассеяния этих элементов. QL – измеряется в вольт-амперах реактивных (В∙Ар): 83 QL = UIsin φ = I 2 X L. (В∙Ар) Реактивная (ёмкостная) мощность (Qc) в цепях переменного сину- соидального тока в установившихся режимах направлена на создание элек- трических полей в диэлектрических средах элементов цепи: Q C = UIsin φ = I 2 X C , В∙Ар, В.Ар Полная мощность (S) элемента в цепи переменного синусоидального тока определяется как геометрическая сумма активной и реактивной мощно- стей: ________ S = √ P 2 + Q 2 или S = UI , или S=I 2 Z, (В∙А) _____________ где Z = √ R 2 + (X L + X C ) – полное сопротивление цепи, Ом. Конденсатор электрический – это электрическая ёмкость, представ- ляющая собой устройство из двух или более электродов (обкладок), разде- лённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами об- кладок. Диэлектрики – это вещества практически не проводящие электриче- ский ток. Диэлектрики бывают твёрдые, жидкие и газообразные. Электрическая изоляция – это устройство, выполненное из диэлек- трических материалов и предназначенное для изоляции частей электрообо- рудования, находящихся под разными электрическими потенциалами с це- лью предотвращения коротких замыканий на землю, на корпус машин, на сооружения и конструкции. Наиболее распространенные материалы: фарфор, слюда, бумага, минеральное масло, эпоксидные смолы, стекло и другие. Короткое замыкание (КЗ) – это образование электрического контакта вследствие соединения проводников электрической цепи, не предусмотрен- ного нормальными условиями работы. Это явление в электрической части ГЭС относится к числу самых опасных случаев. В сети переменного тока КЗ может быть между фазами (2-х и 3-х – фазное) или вследствие замыкания фазы на землю (однофазное). В сети по- стоянного тока КЗ бывает между полюсами или полюсом и землёй. КЗ воз- никает из-за нарушения изоляции частей электрической установки и обычно сопровождается значительным увеличением силы тока в цепи, что создаёт 84 опасность повреждения оборудования. У потребителей электроэнергии в мо- мент КЗ резко снижается электрическое напряжение. Для предотвращения опасных последствий КЗ применяют релейную защиту или устанавливают плавкие предохранители, которые обеспечивают быстрое отключение участ- ка с КЗ. Электрическая машина – это электромеханическое устройство, осу- ществляющее взаимное преобразование механической и электрической энер- гии (электрогенератор и электродвигатель). 5.2. Гидрогенераторы Гидрогенератор – это синхронная электрическая машина трёхфазного тока, приводимая во вращение гидротурбиной и преобразующая механиче- скую энергию турбины в электрическую (поскольку здесь и далее речь идёт о гидрогенераторах, устанавливаемых на ГЭС, то далее воспользуемся лишь термином «генератор», за исключением случаев, когда требуется сопоста- вить их с турбогенераторами). Генератор состоит из неподвижной части – статора, включающего в се- бя корпус и сердечник с обмоткой, а также вращающегося ротора, в составе которого: остов, спицы, обод и полюса. Сердечник статора (активное железо) имеет пазы, в которые уложена обмотка статора (витки проводников, соединенные по специальной схеме). Электроэнергия, вырабатываемая генератором, снимается с главных выводов обмотки статора. Рис. 5.2. Схема роторов гидро- и турбогенераторов а) ротор с явно выраженными полюсами гидрогенератора; б) ротор с неявно выраженны- ми полюсами турбогенератора 1 – сердечник полюса; 2 – полюсный наконечник; 3 – полюсная катушка; 4 – обод ротора; 5 – ротор турбогенератора; 6 – обмотка возбуждения турбогенератора 85 В гидрогенераторах средней и большой мощности роторы изготовляют отдельными элементами и поставляют на место монтажа. На ободе ротора закрепляются полюсы. На полюсах закрепляются ка- тушки обмотки возбуждения. Ток в обмотку возбуждения поступает через неподвижный щеточный аппарат, щётки которого с нажимом соприкасаются с вращающимся на валу контактными кольцами, к которым присоединена обмотка возбуждения. На внешней стороне обода ротора прикреплены полюсы ротора, со- стоящие из сердечника, полюсного наконечника и полюсной катушки (рис. 5.2). Катушки полюсов соединены между собой и образуют обмотку возбу- ждения. В эту обмотку подаётся постоянный ток – ток возбуждения генера- тора. При обтекании током на каждой паре катушек образуется постоянное электромагнитное поле с северным и южным полюсом, как у обычных маг- нитов. В процессе вращения ротора его магнитное поле, вращаясь с указанной выше частотой, пересекает каждый из проводников обмотки статора попере- менно то северным магнитным полюсом, то южным магнитным полюсом. При этом каждая смена полюсов сопровождается изменением направления ЭДС в обмотке статора. Таким образом, в обмотке статора синхронного гене- ратора наводится переменная ЭДС, а поэтому ток статора и ток в нагрузке также переменный. В трёхфазной обмотке переменные ЭДС одинаковы по значению, сдвинуты по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120 град.) и образуют трёхфазную симметричную систему ЭДС. В нижней части ротора прикрепляют кольцевые тормозные стальные сегменты с радиальными пазами для лучшего их охлаждения. Кроме главного назначения, как индуктора магнитного поля и махови- ка с необходимым моментом инерции, ротор ещё является мощным вентиля- тором, создающим движение воздуха (вентиляцию) для охлаждения генера- тора. С подключением нагрузки в фазах обмотки статора, обозначаемых А, В и С (фазы обозначаются и расцветкой – соответственно: жёлтая, зелёная, красная), появятся токи статора IА, IВ, IC. Напряжение на выводах генератора, работающего с нагрузкой, отлича- ется от напряжения этого генератора в режиме холостого хода (возбужденно- го генератора, отключенного от нагрузки). Генератор может работать в режиме синхронного компенсатора (СК) с целью регулирования реактивной мощности в энергосистеме. В этом режиме для компенсации сдвига фаз между током и напряжением и регулирования напряжения в ЛЭП генератор переводится в двигательный режим, вырабаты- вая (при перевозбуждении ротора) или потребляя (при недовозбуждении) ре- активную мощность. 86 По расположению вала генераторы подразделяются на вертикальные и горизонтальные. Горизонтальные генераторы применяются в основном в компоновке с ковшовыми турбинами, с крупными обратимыми турбинонасосами на ГАЭС и в капсульных агрегатах с поворотно-лопастными турбинами низконапор- ных ГЭС. На современных крупных ГЭС устанавливаются, как правило, верти- кальные генераторы, так как при этом упрощается их конструкция, повыша- ется надёжность и улучшаются условия эксплуатации, а также уменьшаются габариты машинного зала и здания ГЭС в целом. Генератор относится к ос- новному гидросиловому оборудованию ГЭС, он объединяется, как мы уже отмечали, в единый технологический цикл с турбиной – это объединение но- сит название – гидроагрегат. В зависимости от конструкции опирания ротора, генераторы подразде- ляются на подвесные и зонтичные (рис. 5.3). В подвесном генераторе опора находится над ротором (рис. 5.3, а), а в зонтичном – под ротором (рис. 5.3, б). Обычно опора представляет собой мощную крестообразную или лучевую конструкцию (крестовину), опираю- щуюся в свою очередь на бетонный массив агрегатного блока. На крестовине располагается опорный подшипник (подпятник), на который и опирается ротор генератора. В последних конструкциях мощных вертикальных генера- торов для сокращения высоты агрегата применяется способ опирания ротора на крышку турбины через специальную опору, на которую и устанавливается подпятник. Установить точные границы целесообразного применения подвесного или зонтичного типа генератора достаточно трудно. В генераторах подвесно- го типа значительно выше механическая устойчивость, обеспечивается более свободный доступ к подпятнику и другим частям машины. Такие генераторы обычно выполняют со средней и высокой частотами вращения. В мощных тихоходных генераторах при больших давлениях на подпят- ник и большом диаметре статора верхняя грузонесущая крестовина в подвес- ном типе получается достаточно громоздкой. Основными параметрами генератора являются: - мощность; - номинальное напряжение; - ток статора; - коэффициент мощности (сos φ ) (коэффициент мощности выражает отношение активной мощности к полной); - частота вращения (об/мин); - частота тока (Гц); - КПД и др. 87 а) б) Рис. 5.3. Схемы генераторов: а) подвесного; б) зонтичного 1 – ротор; 2 – статор; 3 – обмотка статора; 4 – подпятник; 5 – верхняя крестовина; 6 – нижняя крестовина Активная мощность (Рн) (действительная) генератора прямо зависит от величины расхода воды, поступающей на рабочее колесо турбины. Номи- нальное значение мощности равно: Рн = ηг NТ, (5.1) где NТ – мощность турбины, кВт; ηг – КПД генератора. Величина полной (кажущейся) мощности Sн генератора выражается в кВ∙А и равна: __ S н = Р н / cos φ = UI √3, (5.2) где: U – напряжение генератора (кВ); I – ток статора генератора (А); cоs φ – коэффициент мощности. Ток, вырабатываемый генератором, синусоидальный. Угол сдвига фаз между вектором напряжения и тока обозначается φ . Обычно генераторы 88 выполняются с номинальным cos φ = 0,85. Много генераторов изготовле- но с cos φ от 0,8 до 0,98. Для генератора 500 МВт Красноярской ГЭС cos φ = 0,85, Саяно-Шушенской 640 МВт cos φ = 0,9. Реактивная мощность (Q), кВ∙Ар генератора необходима ряду потре- бителей электрической сети (основные потребители – асинхронные электро- двигатели). Частота вращения (синхронная) генератора (n) об/мин. связана с час- тотой тока соотношением: n = 60f/р, где f – частота тока Гц; p – число пар полюсов ротора генератора. Напряжение генератора (U), кВ – линейное напряжение на выводах обмотки статора. Ток статора генератора (I ), переменный, зависит от мощности и на- пряжения и связан с ними соотношениями (5.1) и (5.2). Частота тока генератора (f), число периодов колебаний тока в секунду. Коэффициент полезного действия генератора η (КПД) определяет от- ношение полезно использованной энергии (превращенной в работу) к сум- марному количеству энергии, переданной генератору. При номинальных мощности и cos φ КПД мощных генераторов достигает 98,0-98,5%. Ток ротора (i) (возбуждения), – постоянный, протекающий по обмотке возбуждения, создаёт необходимое магнитное поле. Это магнитное поле бла- годаря вращению ротора пересекает обмотку статора, в результате чего, как мы видели, возникает ЭДС генератора. Обмотка статора выполняется так, чтобы форма ЭДС генератора была синусоидальной. Элементом обмотки является катушка, состоящая из нескольких вит- ков. Обмотка выполняется из медных обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения в виде стержней, которые укладываются в пазы сер- дечника статора и соединяются способом пайки. Система возбуждения генератора (электромагнитное возбуждение) создаёт, как указывалось выше, МДС, которая наводит в магнитной системе машины магнитное поле, обеспечивающее процесс образования электроэнер- гии. На генераторах первого поколения для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока (возбудители), об- мотка возбуждения которых получала питание постоянным током от другого генератора (подвозбудителя). 89 Для регулирования тока возбуждения в прежних конструкциях приме- нялись регулировочные реостаты, которые включаются в цепи возбуждения возбудителя и подвозбудителя. В последних конструкциях генераторов, в особенности на мощных и сверхмощных, применялись системы независимого возбуждения с достаточ- но мощными вспомогательными генераторами переменного тока и выпрями- телями, а также системы самовозбуждения. В качестве выпрямителей использовались ртутные выпрямители (ион- ная система возбуждения), а в последнее время получили всеобщее распро- странение тиристорные системы возбуждения – безинерционные системы, которые экономичнее и надёжнее, а по сравнению с ионными имеют и бес- спорное экологическое преимущество. Автоматическое регулирование возбуждения (АРВ) заключается в автоматическом изменении силы тока возбуждения генератора с целью обес- печения требующегося ему значения ЭДС при нормальном и аварийном ре- жимах в электрической сети. Например, у АРВ генераторов Саяно-Шушенской ГЭС время нараста- ния напряжения возбуждения от номинального до максимального значения составляет не более 0,04 с. Система охлаждения генератора служит для отвода тепла, выделяемо- го железом сердечника статора и его обмоткой, а также сердечниками полю- сов и обмоткой возбуждения. Различают системы воздушного охлаждения, непосредственного водя- ного охлаждения и смешанного охлаждения. Воздушный поток образуется за счёт вращения ротора, спицы которого играют роль мощного вентилятора. При воздушном охлаждении воздух продувается через элементы гене- ратора, отбирает тепло, затем, охлаждаясь в воздухоохладителях, возвраща- ется в генератор. Хладоносителем в воздухоохладителях является вода из системы технического водоснабжения (ТВС). При непосредственном водяном охлаждении обмотки статора в её то- коведущих частях циркулирует дистиллированная вода, отобрав тепло, она охлаждается в трубках собственных теплообменников, где между трубками течёт вода из системы ТВС. В этой системе воздушный поток не является главным охладителем обмотки. Существуют смешанные системы, сочетающие непосредственное во- дяное охлаждение обмотки статора и форсированное воздушное охлаждение обмотки ротора. Системы вентиляции на всех изготовленных и проектируемых гене- раторах по их основному принципу можно разделить на два типа: разомкну- тая система или протяжная и замкнутая система. Разомкнутая система, когда воздух забирается за пределами здания ГЭС и выбрасывается из генератора в машинный зал или за его пределы, 90 применяется реже – либо в генераторах небольшой мощности, либо, когда экономичнее использовать тепло генератора для обогрева здания ГЭС, неже- ли создавать специальную систему его теплоснабжения. К недостаткам ра- зомкнутой системы относятся трудности охлаждения генератора в районах с высокой температурой окружающего воздуха (жаркий климат), а главный её недостаток – усиленное запыление вентиляционных каналов и поверхности изоляции обмоток генератора, резко снижающее теплопередачу от активных частей воздушному потоку. Сужение вентиляционных каналов из-за отложе- ний пыли приводит к сокращению расхода воздуха, что в свою очередь, ведёт к ухудшению охлаждения генератора, и, следовательно, увеличению потерь мощности. При замкнутой системе вентиляции в генераторе циркулирует почти один и тот же объём воздуха (хотя практически имеются некоторые присо- сы), что резко сокращает запыление обмоток и каналов. На рис. 5.4 представ- лена двусторонняя (радиальная) схема вентиляции, где поток разделяется поровну и после воздухоохладителей, возвращается и входит в звезду ротора сверху и снизу. На формирование потока воздуха оказывают влияние перекрытия меж- ду спицами ротора, а также воздухоразделяющие щиты (рис. 5.4, поз. 5; 6). В ряде случаев при замкнутой системе требуется отбор воздуха на обогрев зда- ния ГЭС, для чего проектируются специальные люки в перекрытии генерато- ра, через которые нагретый воздух подаётся в машинный зал. |