Электротехническая часть ГЭС

В проектировании электротехнической части гидроэлектростанций можно различить следующие периоды.

В первый период (примерно до начала 30-х годов), когда проектирование ГЭС производилось разрозненными проектными ячейками, основной задачей проектирования было освоение увеличивающихся мощностей гидроэлектростанций и гидроагрегатов. Значительная часть оборудования ГЭС была импортной.

Гидроагрегаты проектировались и поставлялись для ручного управления. Электротехническая часть проекта приспосабливалась к строительно-гидротехнической части и предлагаемому заводами оборудованию, которое принималось проектной организацией как твердо заданное.

Рис. 20. Разрез по плотине (вариант встроенного здания) Братской ГЭС. 1 —двухпутная магистральная железная дорога; 2—автодорога; 3 — трансформатор; 4 — галерея шинопроводов

После создания объединенной проектной организации (в период с 1932 г.) отдельные ГЭС начали проектироваться автоматическими. В это время на гидростанциях, насосных станциях и шлюзах канала имени Москвы были применены автоматическое оборудование отечественного изготовления, а также телемеханизация диспетчерского управления.

При проектировании автоматика пристраивалась к оборудованию. Опыт эксплуатации доказал надежность работы автоматики и вместе с тем показал, что необходимо пересмотреть технологические процессы и создать автоматику гидроагрегатов и вспомогательных устройств, органически включенную в конструкцию машин. Проектировщики ГЭС начали предъявлять заводам свои требования и предлагать новые компоновки и эскизно проработанные конструкции гидроагрегатов.

В этот период начала развиваться системная автоматика.

Начиная с 1946 г., ведется проектирование ГЭС, совмещенных с водосливной плотиной, и мощных многоагрегатных ГЭС. Принцип совмещенности существенно повлиял на конструкцию гидроагрегатов и компоновку электротехнических устройств станций. Предложенный Гидроэнергопроектом компактный гидроагрегат Камской ГЭС с подпятником на крышке турбины явился прототипом для агрегатов Цимлянской, Куйбышевской и ряда других ГЭС.

В течение пятилетия после 1946 г. были автоматизированы все действующие ГЭС Союза. Необходимые проектные и наладочные работы были выполнены отделениями Гидроэнергопроекта и Спецгидроэнергомонтажем. Все новые ГЭС проектируются с автоматическим управлением гидроагрегатами и в той или иной степени телемеханизированными.

В результате внедрения принципа совмещенности, новых конструкций мощных гидроагрегатов, новых компоновок электротехнической части, а также станционной и системной автоматики были пересмотрены многие установившиеся решения в направлении упрощения и удешевления строительства, повышения устойчивости и надежности в эксплуатации, улучшения условий работы эксплуатационного персонала и его сокращения.

Для электротехнического проектирования ГЭС в настоящее время характерны: применение напряжения 400—500 кв, применение автотрансформаторов, дальнейшее усовершенствование автоматического управления ГЭС, расширение системной автоматики, переход к групповому управлению агрегатами, групповому регулированию и автоматическому пуску при снижении частоты в энергосистеме. В связи с этим стало обязательным рассмотрение в проектах ГЭС вопросов организации эксплуатации.

Наличие полной автоматизации ГЭС, допускающей управление станцией в целом как одним агрегатом с возможностью использования телеуправления ГЭС, укрупнение связей, равно как укрупнение трансформаторов и генераторов и блоков, приводит к упрощению коммутационных узлов.

Большие работы выполнены Гидроэнергопроектом по проектированию развития энергосистем, особенно в районах с преобладанием гидроэлектростанций, а также по проектированию ЛЭП, особенно в горных районах. По системам, где преобладают тепловые станции, Гидроэнергопроект участвует в работах, проводимых Теплоэлектрonроектом.

В настоящее время выявились новые требования, определяющие построение энергосистемы в целом и ГЭС в отдельности:
- необходимость автоматизации энергосистем и автоматичности схемы электрических соединений ГЭС, т. е. способности обеспечить средствами автоматики нормальную работу станции в послеаварийном режиме без вмешательства персонала;

- необходимость производства централизованных ремонтов и ревизий без нарушения питания потребителей и связи с системой;
- возможность допускать в аварийном и ремонтном режимах отключение мощности ГЭС в размере 10—20% мощности энергосистемы.

Учитывая эти требования, Гидроэнергопроект на протяжении ряда лет осуществил ряд новых в СССР главных схем электрических соединений, как-то: схемы четырехугольников, шины — линии, полуторная и др. Необходимо указать, что кольцевые схемы в полной мере отвечают всем трем указанным выше требованиям и поэтому должны получить должное распространение.

Целесообразны схемы блоков генератор— трансформатор — линия без выключателя на высокой стороне, схемы генераторы—трансформатор без выключателей в цепях генераторов или с выключателями нагрузки и, наконец, для узлов с весьма разветвленными сетями—двойная секционированная система шин. Для сверхмощных ГЭС целесообразна схема «полуторного» присоединения.

В возбуждении машины прогрессивным является отказ от многоступенчатых схем с большим числом одновременно работающих машин. В последнее время на основе опытных данных удалось отказаться от подвозбудителей. Ведутся работы по ионному возбуждению с применением ртутных выпрямителей; следующим этапом будет переход к возбуждению с использованием полупроводников.

Собственные нужды ГЭС характерны весьма малым потреблением по сравнению с вырабатываемой станцией электроэнергией. Благодаря глубокому внедрению автоматизации вспомогательных устройств гидроагрегатов, усовершенствованию конструкции последних, принятию рациональных автоматических систем технического водоснабжения, при возбудителях на валу гидроагрегатов — установки собственных нужд ГЭС не требуют абсолютной бесперебойности электроснабжения.

В качестве источника питания используются непосредственно цепи генераторного напряжения. Для получения четкой и простой схемы принимают не более двух источников питания.

В области оперативного тока наметилась тенденция к переходу на переменный ток на ГЭС мощностью до 50 тыс. квт и установке одной аккумуляторной батареи на ГЭС до 500 тыс. квт.

Советские автоматика и телемеханика не отстают от зарубежных, они много проще и надежнее. Только в СССР широко применяется самосинхронизация гидроагрегатов, разрабатываются и испытываются новые способы, которые позволят сократить время включения машин до 10—15 сек, создаются автооператоры и другие устройства, разрешающие проблемы группового управления и регулирования активной и реактивной мощности, экспериментируется самоторможение агрегата и многое другое, что повышает эффективность, быстроту пуска и надежность работы ГЭС.

Все это позволит автоматизировать энергосистему в целом, и недалеко то время, когда на диспетчерских пунктах автооператоры будут управлять не отдельными агрегатами, а автооператорами станций и подстанций.

На телемеханику в основном возложены функции контроля, измерений, сигнализации и—в меньшей мере—функции управления и регулирования. Использование автооператоров на ГЭС и переход на групповое управление и регулирование значительно упрощают вопросы телемеханизации. Ставится вопрос об отказе от создания общестанционных постов управления (ОПУ) на ГЭС и использовании только местных постов управления. В настоящее время запроектировано несколько ГЭС без ОПУ.

При эксплуатации станции большую роль играет связь, которая должна находиться в полном соответствии с решением вопросов управления, автоматизации и телемеханизации ГЭС. Внесен ряд радикальных изменений в существовавшие нормы проектирования этих устройств.

Размещение электротехнических устройств не должно вызывать увеличения размеров гидротехнической части, что потребовало бы неоправданных дополнительных капиталовложений.

Место установки повышающих трансформаторов на ГЭС преимущественно принято со стороны нижнего бьефа, реже — со стороны верхнего (главным образом на приплотинных ГЭС).

Выводы повышенного напряжения в основном выполняются воздушными. Для многоагрегатных ГЭС разработана конструкция выводов на порталах вдоль здания ГЭС, которая значительно сокращает капиталовложения по сравнению с косой переброской через акваторию.

Основной принцип компоновки электротехнических устройств в здании ГЭС - поагрегатное размещение оборудования, т. е. все, что относится к генератору или трансформатору, размещается в непосредственной близости к нему. Децентрализованное расположение панелей получает наибольшее распространение и будет еще более целесообразно с переходом на переменный оперативный ток.

Создание конструкции гидроагрегата, позволяющей удлинить срок между полными разборками машин до 20—25 лет, делает возможным в более широком масштабе переход на открытый тип здания ГЭС с наружным расположением козловых кранов большой грузоподъемности.

Распределительные устройства повышенного напряжения на ГЭС, как правило не подвергающиеся загрязнению, принимаются открытого типа.

В связи с переходом на централизованное обслуживание энергообъектов по инициативе ГИДЭП принято решение о разработке проектов организации эксплуатации по каждой энергосистеме в отдельности с учетом ее индивидуальных особенностей. В соответствии с переходом на улучшенные схемы электрических соединений и полную автоматизацию ГЭС удельные штатные нормы значительно снижены.

По проектам института «Гидроэнергопроект» построены и находятся в эксплуатации Днепровский, Камский, Усть-Каменогорский, Свирские, Каховский и Горьковский и другие шлюзы, управление которыми автоматизировано.

Для шестиступенчатого двухниточного Камского шлюза осуществлены электровозная буксирная береговая тяга караванов судов и плотов и новая система автоматического децентрализованного управления с подачей импульсов из кабин электровозов, которая сокращает численность эксплуатационного персонала и количество кабеля.