Реакторы. Принцип действия, конструкции, область применения
Реакторы служат для ограничения токов КЗ в мощных электроустановках, а также позволяют поддерживать на шинах определенный уровень напряжения при повреждениях за реакторами.
Основная область применения реакторов — электрические сети напряжением 6¾10 кв. Иногда токоограничивающие реакторы используются в установках 35 кВ и выше, а также при напряжении ниже 1000 В.
Схемы реактированной линии и диаграммы, характеризующие распределения напряжений в нормальном режиме работы, приведены на рис. 3.43.
| Рис. 3.43. Нормальный режим работы цепи с реактором: а— схема цепи; б — диаграмма напряжений: в — векторная диаграмма |
На векторной диаграмме изображены: U1— фазное напряжение перед реактором, Uр — фазное напряжение после реактора и I — ток, проходящий по цепи. Угол φ соответствует сдвигу фаз между напряжением после реактора и током. Угол ψ между векторами U1 и U2 представляет собой дополнительный сдвиг фаз, вызванный индуктивным сопротивлением реактора. Если не учитывать активное сопротивление реактора, отрезок АС представляет собой падение напряжения в индуктивном сопротивлении реактора. Реактор (рис. 3.44) представляет собой индуктивную катушку, не имеющую сердечника из магнитного материала. Благодаря этому он обладает постоянным индуктивным сопротивлением, не зависящим от протекающего тока.
| Рис. 3.44. Фаза реактора серии РБ: 1 – обмотка реактора, 2 – бетонные колонны, 3 – опорные изоляторы |
В электроустановках находят широкое применение сдвоенные бетонные реакторы с алюминиевой обмоткой для внутренней и наружной установки типа РБС.
Реакторы выбирают по номинальным напряжению, току и индуктивному сопротивлению.
Номинальное напряжение выбирают в соответствии с номинальным напряжением установки. При этом предполагается, что реакторы должны длительно выдерживать максимальные рабочие напряжения, которые могут иметь место в процессе эксплуатации. Допускается использование реакторов в электроустановках с номинальным напряжением, меньшим номинального напряжения реакторов.
Номинальный ток реактора (ветви сдвоенного реактора) не должен быть меньше максимального длительного тока нагрузки цепи, в которую он включен:
Для шинных (секционных) реакторов номинальный ток подбирается в зависимости от схемы их включения.
Индуктивное сопротивление реактора определяют, исходя из условий ограничения тока КЗ до заданного уровня. В большинстве случаев уровень ограничения тока КЗ определяется по коммутационной способности выключателей, намечаемых к установке или установленных в данной точке сети.
Как правило, первоначально известно начальное значение периодического тока КЗ Iп.о., котороеспомощью реактора необходимо уменьшить до требуемого уровня.
Рассмотрим порядок определения сопротивления индивидуального реактора. Требуется ограничить ток КЗ так, чтобы можно было в данной цепи установить выключатель с номинальным током отключения Iном.отк. (действующее значение периодической составляющей тока отключения).
По значению Iном.отк определяется начальное значение периодической составляющей тока КЗ, при котором обеспечивается коммутационная способность выключателя. Для упрощения обычно принимают Iп.о.треб = Iном.отк.
Результирующее сопротивление, Ом, цепи КЗ до установки реактора можно определить по выражению
.
Требуемое сопротивление цепи КЗ для обеспечения Iп.о.треб.
Разность полученных значений сопротивлений даст требуемое сопротивление реактора
.
Далее по каталожным и справочным материалам выбирают тип реактора с большим ближайшим индуктивным сопротивлением.
Сопротивление секционного реактора выбирается из условий наиболее
эффективного ограничения токов КЗ при замыкании на одной секции. Обычно оно принимается таким, что падение напряжения на реакторе при протекании по нему номинального тока достигает 0,08¾0,12 номинального напряжения, т. е.
.
В нормальных же условиях длительной работы ток и потери напряжения в секционных реакторах значительно ниже.
Фактическое значение тока при КЗ за реактором определяется следующим образом. Вычисляется значение результирующего сопротивления цепи КЗ с учетом реактора
,
а затем определяется начальное значение периодической составляющей тока КЗ:
Аналогично выбирается сопротивление групповых и сдвоенных реакторов. В последнем случае определяют сопротивление ветви сдвоенного реактора Xр = Xв.
Выбранный реактор следует проверить на электродинамическую и термическую стойкость при протекании через него тока КЗ.
Электродинамическая стойкость реактора гарантируется при соблюдении следующего условия:
Термическая стойкость реактора гарантируется при соблюдении следующего условия:
Для установки в нейтрали силовых трансформаторов и присоединениях отходящих линий на напряжение 6¾35кВ рекомендуются к установке сухие токоограничивающие реакторы с полимерной изоляцией.
Вопросы для самопроверки по разделу 3:
1. Автоматические выключатели. Назначение, устройство, выбор.
2. Виды и общие требования к электрическим аппаратам до 1000 В.
3. Магнитные пускатели. Назначение, устройство, выбор.
4. Контакторы. Назначение, устройство, выбор.
5. Рубильники. Назначение, устройство, выбор.
6. Плавкие предохранители. Назначение, устройство, выбор.
7. Электрические контакты шин и аппаратов. Классификация, сопротивление контакта.
8. Выбор шин и кабелей.
9. Токоограничивающее действие сдвоенных реакторов.
10. Приводы выключателей и разъединителей.
11. Ограничение токов КЗ реакторами. Принцип действия, конструкции, маркировка, способы включения в схемах Р.У.
12. Автоматические выключатели. Назначение, устройство, выбор.
13. Виды и общие требования к электрическим аппаратам более 1000 В.
14. Магнитные пускатели. Назначение, устройство, выбор.
15. Контакторы. Назначение, устройство, выбор.
16. Рубильники. Назначение, устройство, выбор.
17. Плавкие предохранители. Назначение, устройство, выбор.
18. Измерительные трансформаторы, общие сведения.
19. Измерительные трансформаторы тока, векторные диаграммы, классы точности, погрешности.
20. Измерительные трансформаторы напряжения, векторные диаграммы, классы точности, погрешности.
21. Марки и конструкции трансформаторов тока.
22. Марки и конструкции трансформаторов напряжения.
23. Масляные выключатели. Область применения, устройство, условия выбора.
24. Воздушные выключатели. Область применения, устройство, условия выбора.
25. Вакуумные выключатели. Область применения, устройство, условия выбора.
26. Электромагнитные выключатели. Область применения, устройство, условия выбора.
27. Элегазовые выключатели. Область применения, устройство, условия выбора.
28. Разъединители. Область применения, устройство, условия выбора.
29. Отделители и короткозамыкатели. Область применения, устройство, условия выбора.
30. Изоляторы, конструкции и выбор.
31. Жесткие шины. Конструкции.
32. Гибкие шины. Конструкции.
РАЗДЕЛ 4
ОСНОВНОЕ ОБОУДОВАНИЕ
ЛЕКЦИИ 14, 15, 16
ТЕМА 4.1. (6 часов)
Синхронные генераторы
План
4.1.1. Синхронные генераторы
4.1.2. Системы охлаждения
4.1.3. Системы возбуждения генераторов
4.1.4 Гашение поля генераторов
4.1.5. Включение генераторов на параллельную работу
4.1.6. Режимы работы синхронных генераторов
4.1.7. Автоматическое регулирование возбуждения
На электростанциях применяются синхронные генераторы трехфазного переменного тока. Основными типами современных синхронных генераторов являются турбогенераторы и гидрогенераторы, первичным двигателем которых соответственно является паровая (газовая) или гидравлическая турбина.
Характерной особенностью турбогенераторов, в отличие от гидрогенераторов, является большая скорость вращения, они относятся к категории быстроходных машин. Быстроходные генераторы являются более экономичными в работе и имеют меньший расход активных материалов на единицу мощности, так как с увеличением скорости вращения размеры и вес, как генератора, так и паровой турбины уменьшаются. Все современные турбогенераторы имеют одинаковую скорость вращения 1500 и 3000 об/мин при частоте 50 Гц и числе пар полюсов 
или 
. Роторы таких генераторов выполняются с неявно выраженными полюсами в виде цельных поковок из высококачественной легированной стали. В роторе фрезерованы пазы, в которые укладывают обмотку возбуждения.
Сердечник статора выполняют из тонких стальных листов, которые набирают пакетами с каналами для вентиляции. Во внутренней части пакетов имеются пазы, в которые укладывают обмотку статора.
Турбогенераторы выполняют исключительно с горизонтальным валом, в то время как гидрогенераторы средней и большой мощности имеют обычно вертикальное расположение вала, явнополюсной ротор и относительно низкую скорость вращения в пределах 100—750 об/мин., что объясняется конструктивными особенностями гидротурбин.
Номинальные параметрыгенераторов. Каждый синхронный генератор характеризуется следующими основными номинальными параметрами: напряжением, мощностью, током статора, током ротора, частотой, коэффициентом мощности — cos φ и КПД.
Номинальным напряжением генератора называют то напряжение, при котором он предназначен для нормальной работы. ГОСТ устанавливают номинальные напряжения генераторов на 5 % выше соответствующих номинальных напряжений электрических сетей для компенсации потерь напряжения в сетях при их нормальной нагрузке.
Номинальная мощность генератора определяется как длительно допустимая нагрузка при определенной расчетной температуре охлаждающего вещества (газа или жидкости) и длительно допустимой температуре нагрева обмотки и стали статора и обмотки ротора.
Для трехфазного генератора номинальная мощность определяется по формуле
Номинальная полная мощность генератора определяется по формуле
Для номинальных мощностей турбогенераторов ГОСТом установлен стандартный ряд от 2,5 до 1200 МВт. Мощности гидрогенераторов оптимизированы по конкретным значениям напоров и расходов воды на ГЭС и ГАЭС.
Номинальный ток статора определяется по формуле
Номинальный ток ротора — это ток возбуждения генератора, при котором обеспечивается отдача генератором его номинальной мощности.
Номинальный коэффициент мощности — cos φ у большинства синхронных генераторов равен 0,8 и 0,85. У генераторов мощностью 800—1200 МВт он равен 0,9.
Коэффициент полезного действия характеризует генератор при номинальной нагрузке и номинальном коэффициенте мощности. У современных турбогенераторов номинальный КПД колеблется в пределах 97,5—98,9 %. Чем мощнее генератор, тем выше его КПД. С уменьшением нагрузки и коэффициента мощности КПД генератора уменьшается.
Системы охлаждения
В процессе эксплуатации генераторов изоляция обмоток постепенно изнашивается. Причиной того является воздействие целого ряда факторов: загрязнение, увлажнение, окисление кислородом воздуха, воздействие электрического поля, динамических нагрузок и т.д. Но главной причиной старения изоляции является её нагрев: чем выше температура нагрева изоляции, тем быстрее она изнашивается, тем меньше срок её службы. Срок службы изоляции зависит от температуры нагрева и регламентируется ГОСТ.
Температура обмотки и стали статора контролируется с помощью температурных индикаторов, в качестве которых используются термосопротивления (обычно медные катушки). Они закладываются заводом изготовителем на дно паза (для измерения температуры стали) и между стержнями (для измерения температуры меди) в местах предполагаемого наибольшего нагрева машины. Показания температуры в этих местах замеряются с помощью логометра, устанавливаемого на тепловом щите турбины.
Температуру нагрева обмотки ротора измеряют косвенно — по методу изменения омического сопротивления обмотки при нагреве (с помощью амперметра и вольтметра в цепи возбуждения).
По способу подачи охлаждающего вещества к обмоткам статора и ротора существуют две системы охлаждения генераторов — косвенное (поверхностное) и непосредственное (форсированное) охлаждение.
При косвенном охлаждении охлаждающий газ (воздух или водород) с помощью вентиляторов, расположенных на роторе, подается внутрь генератора и прогоняется через воздушный зазор и вентиляционные каналы. При этом охлаждающий газ не соприкасается с проводниками обмоток статора и ротора, и тепло, выделяемое ими, передается охлаждающему газу через значительный «тепловой барьер» (изоляция обмоток и сталь зубцов).
При непосредственном охлаждении охлаждающее вещество (газ или жидкость) непосредственно соприкасается с проводниками обмоток генератора, минуя изоляцию и сталь зубцов.
В настоящее время выпускаются турбогенераторы с воздушным, водородным и жидкостным охлаждением.
Воздушное охлаждение. Существуют две системы воздушного охлаждения — проточная и замкнутая.
При проточном охлаждении холодный воздух забирается извне, прогоняется через генератор и затем выбрасывается в машинный зал. Эту систему охлаждения применяют редко и лишь в генераторах небольшой мощности (до 2 МВт), так как в этом случае через генератор проходит воздух, который загрязняет изоляцию обмоток статора и ротора, что в конечном счёте сокращает срок службы генератора.
При замкнутом охлаждении один и тот же объем воздуха циркулирует по замкнутому контуру. Нагретый в генераторе воздух, проходит через водяной воздухоохладитель и через камеру холодного воздуха вновь возвращается в генератор.
Восполнение потерь воздуха в результате утечек проводится в камере холодного воздуха через двойные масляные фильтры.
У генераторов с воздушным охлаждением предусматривается устройство для тушения пожара водой.
В настоящее время выпускают турбогенераторы с замкнутым воздушным охлаждением мощностью до 12 МВт включительно.
В связи с появлением потребности в электростанциях малой и средней мощности, работающих как в составе энергосистем, так и в автономном режиме, в 1990 г. ОАО «Электросила» разработало три серии турбогенераторов нового поколения с воздушным охлаждением:
• Серия ТА (1,5—23 МВт) — с косвенным воздушным охлаждением обмоток ротора и статора и непосредственным охлаждением сердечника статора.
• Серия ТФ (18—160 МВт) — с непосредственным охлаждением обмотки ротора и сердечника статора и косвенным охлаждением обмотки статора.
• Серия ТЗФ (50—165 МВт) — с воздушным охлаждением по трехконтурной схеме.
Генераторы серии ТФ предназначены для замены устаревших генераторов ТВ, ТВФ с водородным охлаждением, выработавших свой срок, а также, в первую очередь, для газовых турбин.
Турбогенераторы серии ТЗФ являются дальнейшим развитием серии ТФ. Применяемая в них трехконтурная схема отличается повышенной эффективностью. Улучшенные характеристики, повышенное значение КПД, надёжность и перегрузочная способность турбогенераторов достигается за счёт разделения потоков воздуха, охлаждающего статор и ротор. Исключение их взаимного отрицательного влияния позволяет снизить нагрев активных и конструктивных частей генератора. Применение встроенных центробежных вентиляторов со специальными направляющими и спрямляющими аппаратами позволило снизить потери в вентиляторах и повысить КПД генераторов.
Косвенное водородное охлаждение. Генераторы с поверхностным водородным охлаждением имеют такую же систему вентиляции, как и при воздушном охлаждении, но вместо воздуха в генераторе циркулирует водород. Водородное охлаждение значительно эффективнее воздушного, поэтому оно применяется в настоящее время во всех турбогенераторах, начиная с мощности 30 МВт.
Как охлаждающий газ, водород имеет по сравнению с воздухом ряд существенных преимуществ:
• теплоёмкость его более чем в 14 раз выше теплоемкости воздуха, что обеспечивает более высокий коэффициент теплопередачи от нагретой поверхности (обмоток и активной стали) к охлаждающему газу;
• водород имеет меньшую плотность по сравнению с воздухом, что позволяет уменьшить вентиляционные потери в 8—10 раз, КПД генератора при этом возрастает на 0,8—1,0 %;
• в среде водорода отсутствует окисление изоляции обмоток, что увеличивает срок ее службы;
• водород не поддерживает горения, следовательно в генераторах с водородным охлаждением можно отказаться от устройств пожаротушения.
Главным недостатком водородного охлаждения является то, что водород в смеси с воздухом (от 5 до 75 %), образует взрывоопасную смесь. Поэтому у машин с водородным охлаждением должна быть обеспечена высокая газоплотность корпуса и уплотнение торцевых щитов.
Стремление обеспечить безопасность технологии привело к намерениям в будущем отказаться от производства и эксплуатации турбогенераторов с водородным охлаждением. Однако это возможно лишь при появлении определенных организационных и технико-экономических условий.
Непосредственное водородное охлаждение.Еще больший эффект по сравнению с косвенным водородным охлаждением дает непосредственное или, как его иногда называют, форсированное водородное охлаждение, когда водород подается внутрь полых проводников ротора
и статора.
Первоначально форсированное водородное охлаждение было применено для ротора, который в отношении нагрева является наиболее напряженной частью генератора. При этом имеются два способа охлаждения проводников обмотки ротора.
В первом способе (аксиальное охлаждение) проводники обмотки ротора имеют корытообразную форму и образуют прямоугольные вентиляционные каналы, в которые и поступает охлаждающий газ.
Во втором способе (многоструйное радиальное охлаждение) охлаждающий газ забирается из зазора с последующим выбросом уже нагретого газа обратно в зазор по принципу самовентиляции.
Непосредственное жидкостное охлаждение. В этом случае в качестве охлаждающих жидкостей применяют дистиллированную воду или масло, которые обладают более высокой теплоотводящей способностью по сравнению с водородом и, следовательно, позволяют еще больше увеличить единичные мощности генераторов при сохранении предельных размеров. Также необходимо отметить, что такой вид водяного охлаждения пожаро- и взрывобезопасен.
Обмотка статора выполняется из полых медных стержней прямоугольного сечения, по которым циркулирует вода.
Непосредственное охлаждение водой обмоток статора турбогенераторов позволяет увеличить единичную мощность при тех же габаритах. Дистиллированная вода, применяемая для охлаждения, подаётся в полые медные проводники, заложенные в пазы статора с помощью гибких фторопластовых шлангов. Охлаждение обмоток ротора и активной стали производится водородом так же, как у турбогенераторов серии ТГВ. Водородно-водяное охлаждение имеют турбогенераторы ТВВ-500, ТВВ-800, ТВВ-1000 и ТВВ-1200. Водяное охлаждение обмотки статора применяется в мощных гидрогенераторах типа СВФ. Обмотка ротора и активная сталь имеют непосредственное охлаждение воздухом. Водородное охлаждение в гидрогенераторах не применяется ввиду больших размеров ротора и трудностей герметизации корпуса генератора.
С целью дальнейшего улучшения системы охлаждения и сокращения размеров турбогенераторов разработано водяное охлаждение статора и ротора. Все гидравлические соединения выполнены с одного торца — со стороны турбины.
Выполнение непосредственного (форсированного) охлаждения обмотки возбуждения турбогенератора связано с определенными трудностями, особенно в части подвода воды к вращающемуся ротору.
Сведения о применяемых системах охлаждения в турбогенераторах различного типа приведена в таблице 4.1.
Таблица 4.1
Системы охлаждения турбогенераторов
| Турбогенераторы с непосредственным охлаждением | |
| ТЗВ | Трижды водяное охлаждение Обмотка статора — водой Сталь статора — водой Обмотка ротора — водой |
| ТГВ | Водородное или водородно-водяное |
| ТГВ – 200-2Д | Обмотка статора — водородом Сталь статора — водородом Обмотка ротора — водородом |
| ТГВ – 200МТ | Обмотка статора — водой Сталь статора — водородом Обмотка ротора — водородом |
| ТГВ – 500-2УЗ | Обмотка статора — водой Сталь статора – водородом Обмотка ротора – водой |
| ТВМ | Водомасляное охлаждение Обмотка статора — маслом Сталь статора — маслом Обмотка ротора — водой |
| ТВВ | Водородно-водяное охлаждение Обмотка статора — водой Сталь статора — водородом Обмотка ротора — водородом |
Продолжение табл. 4.1
| Турбогенераторы со смешанной системой охлаждения | |
| ТВФ | Водородное форсированное охлаждение Обмотка статора — косвенное водородное Сталь статора — непосредственное водородное Обмотка ротора — непосредственное водородное |
| ТВС | Водородное охлаждение Обмотка статора — косвенное водородное Сталь статора — непосредственное водородное Обмотка ротора — косвенное водородное |
Таким образом, наиболее эффективными системами охлаждения турбогенераторов предельных мощностей, достигнутых энергомашиностроителями во всех странах, являются непосредственные жидкостные системы. Дальнейшая реализация эффекта укрупнения генераторов возможна за счет применения криогенных систем охлаждения, а также других, например, испарительных.
Исследования и опытно-конструкторские разработки в этом направлении проводятся во многих странах.