Синхронные генераторы электростанций

Синхронные генераторы как основные источники реактивной мощности являются также одним из основных средств регулирования напряжения (см. рисунок 7.2).

Рис. 7.2 Новочеркасская ГРЭС блок № 9

Возможность генератора как регулирующего устройства определяется его исполнением (гидро- или турбогенератор), тепловым режимом, системой возбуждения и автоматическим регулятором возбуждения (АРВ). Регулируемым параметром генератора является напряжение на его зажимах, которое для большинства генераторов может изменяться в пределах 0,95U_ном £ U_г £ 1,05U_ном Заданное напряжение может поддерживаться только в том случае, если выработка генератором реактивной мощности находится в допустимых пределах: Q_min £ Q_г £ Q_max.

Для турбогенераторов вследствие их конструктивной особенности регулировочный диапазон по реактивной мощности можно принимать в зависимости от его коэффициента мощности cos , как показано на диаграмме, приведённой на рисунке 7.3. Для гидрогенераторов полная мощность, как правило, не зависит от cos . Гидрогенераторы в большинстве случаев проектируются для работы в режиме синхронного компенсатора, т.е. для них Q_г = S_г.ном.

Рис. 7.3 Диаграмма ограничений выдачи и потребления реактивной мощности для турбогенератора

Рис. 7.4.Схема простой связи электростанции с системой С (а) и статические характеристики генератора Г (б)

Как видно из рис. 7.3, турбогенератор может не только генерировать, но и потреблять реактивную мощность. Необходимость в этом связана с регулированием (поддержанием) напряжения на зажимах генератора (на шинах генераторного напряжения). Способность генератора в этом отношении иллюстрируется его статической характеристикой U_г = f(Q_э) (см. рисунок 7.4) и обеспечивается его АРВ путем изменения тока возбуждения. С увеличением тока возбуждения реактивная мощность возрастает, изменяясь при этом в допустимых пределах от Q_{г min} до Q_{г max}. Если при уменьшении Q_э реактивная мощность генератора уменьшается до Q_{г min}, напряжение на его шинах начинает возрастать. И наоборот, если реактивная мощность увеличивается до Q_{г max}, напряжение на его шинах снижается. На участке от Q_{г min} до Q_{г max} напряжение благодаря действию АРВ поддерживается с заданным статизмом, определяемым наклоном его статической характеристики. Такое регулирование напряжения возможно, как уже отмечалось, в диапазоне (0,95—1,05)U_ном.

Синхронные компенсаторы

Синхронные компенсаторы (СК) предназначены для стабилизации напряжения в точке подключения СК в пределах ±5 % номинального значения, а также для генерирования и потребления реактивной мощности, чем они и влияют на режим электроэнергетической системы (ЭЭС). Фото синхронного компенсатора, установленного на ОРУ подстанции, представлено на рисунке 7.5.

Рис 7.5 Фото синхронного компенсатора, установленного на ОРУ подстанции.

Синхронные компенсаторы устанавливаются в тех точках ЭЭС, где график нагрузки меняется в широких пределах, в связи с чем существенно изменяется баланс реактивной мощности. Как правило, это подстанции 330—500 кВ, где СК присоединяется к шинам низшего напряжения 10—20 кВ.

Синхронный компенсатор — электрическая вращающаяся машина, работающая в режиме холостого хода, т.е. без активной нагрузки. Синхронный компенсатор, включенный в систему без возбуждения, потребляет реактивную мощность (индуктивный режим). Потребляемая в этом режиме реактивная мощность может быть приближенно определена как Q_CK = U²/x_d, где x_d — синхронное реактивное сопротивление СК. При включении возбуждения и постепенном увеличении тока ротора СК переходит в режим генерирования реактивной мощности (емкостной режим).

Минимальная длительно допустимая реактивная мощность СК, как правило, не ниже 50 % номинальной мощности. Снижение потребляемой в этом режиме мощности сопровождается снижением ЭДС синхронной машины, и, как следствие, снижается запас устойчивой работы, чем и ограничивается минимальный уровень потребляемой реактивной мощности. В режиме генерирования реактивной мощности Q_max = S_ном допускаются и кратковременные перегрузки путем форсировки тока возбуждения СК. Так же, как и для генераторов, свойства СК определяются и его регулятором возбуждения. Достоинством СК является положительный регулирующий эффект, т.е. способность увеличивать генерируемую реактивную мощность при снижении напряжения на его шинах. Параметрами регулирования СК являются реактивная мощность и напряжение, ограниченные допустимыми диапазонами изменения Q_min £ Q_CK £ Q_max, 0,95U_ном £ U_CK £ 1,05U_ном. Статическая характеристика СК аналогична характеристике, приведённой на рис. 7.4 для синхронного генератора.

Конденсаторные батареи

Конденсаторные батареи (КБ) являются простым и надёжным статическим устройством. Конденсаторные батареи собирают из отдельных конденсаторов, которые выпускаются на различные мощности и номинальные напряжения. Конденсаторная батарея 220 кВ представлена на рисунке 7.6.

Рис. 7.6 Общий вид монтажа конденсаторной батареи 220 кВ

Конденсатор — это устройство, которое состоит из двух проводников, разделённых диэлектриком. Конденсатор, если к нему приложено напряжение, способен накапливать электрический заряд (заряжаться) и отдавать его (разряжаться). В пространстве между проводниками, которые могут иметь любую форму, при заряде конденсатора образуется электрическое поле. Заряд конденсатора тем больше, чем больше его ёмкость и приложенное к его проводникам напряжение. Ёмкость конденсатора, в свою очередь, тем больше, чем больше внутренняя поверхность проводников, образующих конденсатор, и чем меньше расстояние между этими проводниками. Пространство между проводниками заполнено диэлектриком, т.е. материалом, обладающим высокими изоляционными свойствами или, можно сказать, очень низкой электропроводностью. К таким материалам относятся, например, воздух, конденсаторная бумага, керамика, синтетическая плёнка. Диэлектрик, применяемый в конденсаторах, должен обладать высокой электрической прочностью, т.е. сохранять свои изолирующие свойства при высоком напряжении и небольшой толщине (10—15 мкм). Качество диэлектрика для конденсаторов тем выше, чем выше его диэлектрическая проницаемость, т.е. способность аккумулировать электрический заряд. Например, относительная диэлектрическая проницаемость конденсаторной бумаги, пропитанной маслом, составляет 3,5—4, а полистирольной плёнки - 2,5—2,7.

Таким образом, ёмкость конденсатора, измеряемая в микрофарадах (мкФ), составляет С = eS · 10^-6/d, где e — диэлектрическая проницаемость, Ф/м; S - площадь поверхности обкладок (проводников) конденсатора, м²; d - расстояние между обкладками (толщина диэлектрика, разделяющего эти обкладки), м · 10^-6. Конденсатор, как и любой элемент электроэнергетической системы, характеризуется потерями активной мощности, которые приводят к его нагреву. Эти потери тем больше, чем выше приложенное напряжение, его частота и ёмкость конденсатора. Потери в конденсаторе зависят и от свойств диэлектрика, определяемых тангенсом угла диэлектрических потерь (tgd) и характеризующих удельные потери (Вт/квар) в конденсаторе. В зависимости от типа и назначения конденсатора потери в них могут составлять от 0,5 до 4 Вт/квар. В электроэнергетике для компенсации реактивной мощности применяют так называемые косинусные конденсаторы, предназначенные для работы при частоте напряжения 50 Гц. Их мощность, измеряемая в киловольт-амперах реактивных (квар), составляет от 10 до 100 квар. Конструктивно конденсатор представляет собой металлический (стальной или алюминиевый) корпус, в котором размещаются секции (пакеты), намотанные из нескольких слоёв алюминиевой фольги, проложенных конденсаторной бумагой или синтетической плёнкой толщиной 10—15 мкм (0,01—0,015 мм). Соединённые между собой секции имеют выводы, расположенные снаружи корпуса, в его верхней части. Трёхфазные конденсаторы имеют три фарфоровых вывода, однофазные — один. Шкала номинальных напряжений конденсаторов от 230 В до 10,5 кВ, что позволяет собирать из них установки для сетей напряжением от 380 В и выше. Конденсаторы обладают хорошей перегрузочной способностью по току (до 30 % от номинального) и по напряжению (до 10 % от номинального). Группу конденсаторов, соединённых между собой параллельно или последовательно, или параллельно-последовательно, называют конденсаторной батареей.

Конденсаторная батарея, оборудованная коммутационной аппаратурой, средствами защиты и управления, образует конденсаторную установку (КУ).

Мощность, генерируемая КБ, при ее заданной ёмкости С пропорциональна квадрату приложенного напряжения и его частоте Q_КБ = U²wС. На рисунке 7.7 представлены статические характеристики КУ.

Рис. 7.7. Статические характеристики КУ:

а – состоящей из одной секции; б – состоящей из трёх секций

Поэтому нерегулируемые КБ обладают отрицательным регулирующимэффектом, что, в отличие от синхронных компенсаторов, является их недостатком. Это значит, что мощность КБ снижается со снижением приложенного напряжения, тогда как по условиям режима эту мощность необходимо увеличивать. Регулирующий эффект КУ по реактивной мощности показан на рис. 7.7 а, а КУ, состоящий из нескольких секций, — на рис. 7.7, б. Как видно из рис. 7.7, а, при снижении напряжения от U_ном до U_min реактивная мощность снижается пропорционально квадрату напряжения от Q_ном до Q_min. Преодоление этого недостатка находят в формировании КБ из нескольких секций, каждая из которых, управляемая регулятором напряжения и/или мощности, подключается к сети через свой выключатель, наращивая таким образом ёмкость батареи в целом. Это и позволяет увеличивать суммарную мощность КБ при снижении напряжения. Так мощность КУ при снижении напряжения возрастает ступенями Q₁, Q₁ + Q₂, Q₁ + Q₂ + Q₃, как показано на рис. 7.7, б для КУ, состоящей из трёх секций КБ. Ступенчатое регулирование требует введения в регулятор напряжения КУ зоны нечувствительности DU. В пределах этой зоны при снижении напряжения подключение очередной секции недопустимо. Невыполнение этого условия привело бы к неустойчивой работе КУ. Ширина зоны нечувствительности должна быть больше, чем приращение напряжения, вызванное подключением очередной секции КУ. В противном случае напряжение на КУ достигнет напряжения уставки срабатывания на отключение этой секции сразу после ее включения. Вероятность такого эффекта тем больше, чем больше мощность подключаемой секции и чем меньше зона нечувствительности регулятора КУ. Конденсаторная установка состоит, как правило, из нескольких секций, имеющих общую систему управления. Низковольтные КУ напряжением 380 В собираются из трехфазных конденсаторов, включенных параллельно. Для защиты таких КУ от коротких замыканий и перегрузки применяют предохранители (см. рисунок 7.8, б). Высоковольтные конденсаторные установки собираются из однофазных конденсаторов, включенных последовательно-параллельно (см. рисунок 7.8, а).

Рис.7.8. Принципиальная схема одной трёхфазной секции КУ:

а – для сети 6-10 кВ; б – для сети 380 В

Включение КУ сопровождается бросками тока, а отключение — перенапряжением, что отрицательно сказывается на сроке службы конденсаторов и коммутационной аппаратуры. Поэтому КУ, оборудованную выключателями (контакторами), не рекомендуется включать-выключать более 2—4 раз за сутки. Для ограничения бросков тока конденсаторы перед включением обязательно должны быть разряжены с помощью разрядных резисторов R или трансформаторов напряжения TV (рис. 7.8а). Обычно эти устройства постоянно подключены к конденсаторам, а резисторы могут быть встроены внутри конденсатора. В этой связи такие КУ пригодны только для регулирования реактивной мощности с целью обеспечения ее баланса в той или иной точке сети или в узле нагрузки. В этом режиме КУ применяют для снижения потерь напряжения в передающей сети, а также потерь мощности и электроэнергии. Эффект и в том, и в другом случае проявляется за счёт компенсации реактивной мощности, протекающей по линии, питающей нагрузку. Конденсаторы в силу их параметрических свойств очень чувствительны к искажениям синусоидальной формы кривой напряжения, т.е. к высшим гармоникам тока. Действительно, сопротивление конденсатора Х_С = 1/(nwС) тем меньше, чем выше частота nw гармоники в несинусоидальной кривой приложенного напряжения. В результате за счёт высших гармоник, проникающих в конденсатор, резко возрастают и потери мощности DР в конденсаторах, что приводит к их дополнительному нагреву:

где U_(n) — напряжение гармоники; n —порядок гармоники; С — ёмкость конденсатора; w = 2p¦ — частота напряжения сети (¦ = 50 Гц); tgd — характеристика диэлектрика конденсатора.

Как уже отмечалось, параметрическое свойство конденсаторов широко используют при создании фильтрокомпенсирующих установок (ФКУ).

Чувствительность КБ к высшим гармоникам всегда должна учитываться при применении конденсаторов в электрических сетях. Применение КБ сопряжено с возможностью резонансных явлений благодаря образованию индуктивными и ёмкостными элементами сети последовательных и параллельных цепей. Резонансные явления сопровождаются усилением напряжений (резонанс напряжений) или токов (резонанс токов) на частотах выше номинальной (50 Гц), обусловленных наличием в сети источников высших гармоник тока. На резонансной частоте индуктивное Х_L(n) и ёмкостное Х_C(n) сопротивления равны, т.е. nwL = 1/(nwC), где Х_L(n) = nwL — входное сопротивление сети в точке подключения КБ, сопротивление которой Х_C(n) = 1/(nwC). Поэтому всегда при выборе мощности КБ и, следовательно, ее сопротивления, а также места подключения КБ необходимо убедиться в том, что резонансные явления исключены. Это требование относится и к КБ, входящим в состав ФКУ.