ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА Кафедра Энергетики, автоматики и систем коммуникаций Факультет

коммуникаций
Донского государственного технического
университета
Лекция 8

ГЭС и АЭС.
На этих электростанциях установлены синхронные генераторы (переменного

тока), которые преобразуют механическую энергию вращения турбины в электрическую энергию.

Синхронный генератор состоит из неподвижной части — статора и вращающейся — ротора
На статоре размещены три одинаковых фазных обмотки, пространственно смещённых друг относительно друга по окружности на 120о.

обмоток статора к источнику трёхфазной ЭДС, а обмотки ротора к

источнику постоянного напряжения синхронный генератор становится синхронным двигателем; скорость вращения его ротора равна скорости вращающегося магнитного поля.

называемая обмоткой возбуждения, питается постоянным током от постороннего источника (возбудителя,

системы возбуждения).
Ротор выполняется либо с сосредоточенной обмоткой, в этом случае ротор и сам генератор называются явнополюсными, либо с распределённой при этом ротор и генератор называются неявнополюсными.

Чаще всего - это паровая, газовая или гидравлическая турбина, создающая

механический вращающий момент. Частота вращения турбины может быть различной - в диапазоне от десятков до сотен и даже тысяч оборотов в минуту: ниже для гидравлических турбин и выше для остальных видов. Постоянный ток на вращающуюся обмотку возбуждения 4 подаётся через контактные кольца 5. При вращении ротора магнитное поле обмотки возбуждения перемещается относительно неподвижной обмотки статора 3, размещённой в пазах сердечника статора 1, при этом в ней индуктируется (наводится) электродвижущая сила (ЭДС).

котором выфрезированы канавки для размещения обмотки возбуждения, такой ротор называется

неявнополюсным.

(тока) и обозначается буквой f:


где Т — период синусоидальной функции.
Частота

ЭДС и скорость вращения ротора (n, об/мин) связаны выражением

где p — число пар полюсов (число электромагнитов) на роторе.
Ротор турбогенератора имеет, как правило, одну пару полюсов ( p=1 один электромагнит), поэтому для генерирования ЭДС со стандартной частотой f =50 Гц ротор должен вращаться со скоростью n = 3000 об/мин.
Иногда ротор турбогенератора имеет две пары полюсов
( p=2), в частности роторы турбогенераторов АЭС; при этом скорость вращения ротора n = 1500 об/мин.

(1/с, Гц)

меньшую скорости вращения роторов турбогенераторов;
Ротор гидрогенератора состоит из массивного

стального колеса с укреплённым на нём полюсными башмаками, на которых размещается обмотка возбуждения в виде катушек. Такая конструкция ротора позволяет разместить на нём большое число пар полюсов, что необходимо для гидрогенераторов, роторы которых вращаются с небольшой скоростью. Роторы гидрогенераторов называются явнополюсными

используемых для ГЭС водных источников (расход воды, напор и т.д.).

Поэтому для каждой ГЭС ГГ проектируются индивидуально.
Диаметры роторов ТГ на n = 3000 об/мин находятся в диапазоне 1,1-1,25 м при длине до 8 м.
Роторы ГГ достигают в диаметре 15-20 м при длине до 5 м.
Массы ГГ достигают 1,5-2 тыс. тонн и в несколько раз превышают массы аналогичных по мощности ТГ, делая невозможным применение горизонтального расположения валов с простыми подшипниками скольжения.
магнитопроводы ротора и статора генератора изготавливают из ферромагнитных материалов. Для этой цели используются магнитомягкие материалы — электротехническая сталь с узкой гистерезисной петлёй

(1831), в соответствии с которым наводимая ЭДС определяется скоростью изменения

магнитного потока Ф:

При вращении ротора с постоянным магнитным потоком Ф в трёх обмотках статора наводятся синусоидальные ЭДС, сдвинутые по времени на 120 электрических градуса за счёт пространственного сдвига обмоток на 120о.
Синусоидальную ЭДС в любой момент времени можно определить по формуле


где — амплитудное значение ЭДС, пропорциональное магнитному потоку Ф,
— круговая частота.

ней трёхфазные токи. Магнитное поле обмоток статора вращается с той

же частотой, что и ротор. Таким образом, в СГ магнитное поле ротора, созданное постоянным током возбуждения, и вращающееся магнитное поле статора, созданное переменными токами трёхфазной обмотки, оказываются взаимно неподвижными, вращающимися синхронно.
Взаимодействие магнитных полей ротора и статора создаёт тормозящий электромагнитный момент, направленный навстречу механическому вращающему моменту, создаваемому паровой, газовой или гидравлической турбиной.
В случае равенства этих двух моментов ротор генератора будет вращаться с постоянной скоростью, обеспечивающей генерирование ЭДС со стабильной частотой. Это нормальный синхронный режим генератора.

становятся равными нулю. Электромагнитный тормозящий момент также исчезает, а из-за

сохраняющегося вращающего механического момента ротор начинает разгоняться сверх номинальной скорости до тех пор пока не будет прекращена подача рабочего тела (т.е. пара, газа, воды и т.п.) на турбину. Очевидно, что наиболее быстро это можно осуществить для паровой или газовой турбин. Частота вращения при этом успевает возрасти на 10-20 %. Гораздо сложнее остановить поток воды.

вращения может возрасти в процессе прекращения подачи воды в 1,8

- 3,5 раза по сравнению с номинальной. Эта предельно возможная частота вращения ротора при наиболее неблагоприятном отказе системы регулирования подачи воды в турбину носит название угонной частоты вращения, или угонной скорости. Механическая прочность ротора генератора рассчитывается так, чтобы при угонной частоте вращения механические напряжения в элементах ротора не превосходили пределов текучести материалов ротора. Деформация обода ротора не должна превышать размера воздушного зазора.

суммарной мощностью около 150 ГВт. Все генераторы отечественного производства. Мощности

турбогенераторов стандартизированы.

Около 60% мощности составляют генераторы мощностью 100-320 МВт. Мощности остальных ТГ: 500, 800, 1000, 1200 МВт (1200 МВт один турбоагрегат на Костромской ГРЭС).
ЭДС ТГ также стандартизированы и находятся в диапазоне 10,5 — 24 кВ.

США, но несколько меньшую, чем ТГ новейших серий фирм ABB

и Simens/KWU.
КПД ТГ довольно высокий, так для ТГ мощностью 1200 МВт КПД примерно равен 99%, однако даже при таком КПД активные потери в нём составляют 12 МВт, что может привести к повышению температуры генератора.
Наиболее критичной к повышению температуры является изоляция обмоток, поэтому требуется интенсивное охлаждение.

охлаждения ТГ делятся на машины с
косвенным (поверхностным) охлаждением
непосредственным

охлаждением проводников обмоток статора и ротора различными агентами.

В качестве охлаждающих агентов в ТГ применяется:
воздух,
водород,
дистиллированная вода,
трансформаторное масло.

(по мощности). Отечественные ТГ с водородным охлаждением находятся на уровне

лучших зарубежных машин, а по ряду показателей их превосходят. Однако в последнее время в мире и в России возобновляется производство ТГ с воздушным охлаждением. Эти машины оказываются более простыми в эксплуатации и менее пожароопасными. За рубежом освоено производство ТГ с воздушным охлаждением до 450 МВт, а в России — до 160 МВт.

охлаждаются трансформаторным маслом, воздухом и водой. Для обмоток статора масло

является хорошей изолирующей средой, что позволяет повысить их напряжение до 36,75 кВ по сравнению с 20-24 кВ с другими агентами охлаждения. В настоящее время в ТГ ТВМ масло заменяют негорючим жидким диэлектриком (совтол, клофен, пиранол).

генераторов суммарной мощностью 44 Гвт. Более половины вырабатываемой на ГЭС

электроэнергии приходится на ГГ большой мощности 200-640 МВт.
Мощность единичных гидроагрегатов определяются в основном параметрами источников гидроэнергии. Рекордные по мощности ГГ: машины ГЭС Итайпу (Бразилия) — 750 МВт, Саяно-Шушенской ГЭС (Россия) — 745 МВт, Гранд-Кули (США) — 545 МВт.

форсированное или непосредственное). При непосредственном охлаждении охлаждающий агент (воздух или

вода) непосредственно соприкасается с проводниками, отводя от них теплоту. Непосредственное водяное охлаждение обмотки статора впервые в мире было применено на ГГ Красноярской ГЭС. Зарубежные фирмы также уделяют большое внимание проблемам использования непосредственного водяного охлаждения ГГ.

обмотка, называемая обмоткой возбуждения, питается постоянным током от постороннего источника

(возбудителя, системы возбуждения) через щётки и два контактных кольца на валу. Ранее в качестве возбудителя использовались генераторы постоянного тока.
Мощность возбудителя составляет 0,3-0,5% от номинальной мощности СГ.

генераторов системы возбуждения на основе генератора постоянного тока практически не

используются.
В качестве систем возбуждения используются в настоящее время:
генераторы переменного тока (с последующим выпрямлением напряжения),
тирристорные, с самовозбуждением (используется остаточная индукция в роторе),
бесщёточные (постоянный ток подаётся непосредственно с вращающегося ротора).

(АРВ). Он осуществляет поддержание заданного уровня напряжения и устойчивость работы

генератора при колебаниях напряжения в электроэнергетической системе при изменении значения и характера нагрузок, отключении электростанции, линии электропередачи, коротких замыканиях. Основные требования, предъявляемые к АРВ, - это быстродействие, устойчивость регулирования, обеспечение форсировки возбуждения при резких снижениях напряжения в сети.

в единую сеть, рост мощностей генераторов потребовали существенного повышения их

динамической и статической устойчивости. Были созданы АРВ сильного действия (АРВ СД), реагирующие не только на отклонение параметров режима генератора, но и на скорость их изменения.

шинопроводе или трансформаторе, после внезапного отключения генератора необходимо быстро уменьшить

магнитное поле обмотки возбуждения генератора. Эта операция носит название гашение поля и осуществляется специальным автоматом гашения поля (АГП). К устройству АГП предъявляются два основных, иногда противоречащих друг другу, требования: время гашения поля должно быть возможно меньшим, а возникающее при гашении индуктированное перенапряжение в обмотке ротора не должно превосходить допустимых значений.

от типа и качества изоляционных материалов, используемых для обмоток электрических

машин.
До начала 60-х годов большинство генераторов изготавливалось с применением термопластичной изоляции. Её положительные свойства — эластичность и хорошая сопротивляемость влаге.

изоляцию, которая полимеризуется и затвердевает при температуре 150-160 С и

при повторных нагреваниях не размягчается. Эта изоляция по сравнению с термопластичной имеет более высокую электрическую и механическую прочность.
В 90-е годы в Швеции созданы ГГ и ТГ типа Power-former, которых для обмоток статора применялась изоляция из сшитого полиэтилена. Напряжения ГГ и ТГ составили 155 и 136 кВ соответственно, что позволило включить их в сеть непосредственно без повышающего трансформатора.

практически не работают автономно, но эти режимы важны для понимания

процессов при включении генераторов в электрические сети, объединяющие несколько генераторов.
Под холостым ходом понимается режим работы генератора, при котором ток в обмотке статора (якоря) равен нулю.
Характерный вид зависимости ЭДС от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода (XXX).

это зависимости токов обмотки статора от токов обмотки возбуждения при

коротком замыкании зажимов обмотки статора, т.е. характеристики короткого замыкания (ХКЗ).
В отличие от XXX, характеристики КЗ линейны, так как магнитное поле генератора в этом режиме определяется магнитодвижущими силами двух обмоток, статора и ротора, действующими при навстречу друг другу. Это приводит к уменьшению результирующего магнитного потока и исчезновению насыщения магнитопроводов. ХКЗ зависят от вида КЗ (трёхфазное, двухфазное, однофазное).

с другими генераторами или с энергосистемой, объединяющей весьма большое число

генераторов. Характерными для энергосистемы являются неизменные значения напряжения и частоты.
Параллельная работа генераторов позволяет легко маневрировать степенью их нагрузки, обеспечивая максимальный коэффициент полезного действия каждого из них. Совместная работа повышает надёжность энергоснабжения, обеспечивает возможность проведения плановых и аварийных ремонтов оборудования.

работу необходимо выполнить определённые условия. Включение может производиться методами точной

или грубой синхронизации (самосинхронизация).
При включении необходимо обеспечить равенство напряжения сети и ЭДС включаемого генератора по амплитуде, их синфазность и равенство частот. При этом в обмотке статора включаемого генератора не появятся уравнительные токи и генератор будет продолжать работу, как и до включения. ЭДС обмотки статора регулируется током возбуждения, а её частота - скоростью вращения турбины, приводящей в движение ротор.

в том случае, если энергосистема в целом и её отдельные

элементы сохраняют устойчивую работу во всех нормальных, аварийных и послеаварийных режимах.
Различают статическую и динамическую устойчивость работы энергосистем. Первая соответствует медленным, вторая – быстрым изменениям режима работы.

бесперебойную и надёжную параллельную работу генераторов при медленных изменениях нагрузки

или внезапных нарушениях режима работы, вызванных КЗ в сети, включением или отключением большой нагрузки и т.п. Нарушение устойчивости параллельной работы синхронных генераторов выражается обычно в том, что они выпадают из синхронизма.

зависимость активной электромагнитной мощности генератора, которую он выдаёт в сеть

от угла между векторами ЭЛС генератора и напряжением сети.
Мощность первичного двигателя (турбины) генератора постоянна и изображена прямой линией. Установившийся режим определяется условием равенства мощности турбины и электромагнитной мощности генератора. Этому условию соответствуют точки пересечения прямой с кривой. Для угла δн точка пересечения соответствует устойчивому установившемуся режиму при выдаче генератором мощности в сеть.

до 90 ° синхронный генератор способен самостоятельно поддерживать синхронное вращение, поэтому

это допустимая область его работы. Способность самосинхронизировать свое вращение характеризуется удельной синхронизирующей способностью. За пределами угла 90 ° он теряет эту способность и выпадает из синхронизма.
Способность генератора выдерживать внезапные нагрузки без выпадения из синхронизма называется динамической устойчивостью. Чем выше статическая устойчивость системы, тем выше и динамическая; однако статически устойчивая система может оказаться динамически неустойчивой.