Режим работы турбогенератора

Все вращающиеся электрические машины обладают способностью преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот. Этой способностью обладают и синхронные турбогенераторы. Если к ротору возбужденного турбогенератора подводить механическую энергию от турбины, то генератор будет отдавать в сеть активную электрическую энергию. Направление потока реактивной мощности при этом будет зависеть от величины э. д. с. генератора (от тока возбуждения).

Рисунок 2.7 - Векторные диаграммы различных режимов работы

Синхронных машин.

Если прекратить впуск пара в турбину, не отключая генератора от электрической сети, то генератор будет потреблять активную энергию из системы для вращения турбины. Как и в предыдущем случае, направление реактивной мощности будет определяться величиной э.д.с. машины.

На рис. 2-7 приведен ряд векторных диаграмм для схемы рис. 2-5 для разных э. д. с, генератора (Е1—E6) при выдаче активной мощности (Е1—E4) и ее потреблении (Е5, Е6). Отрезки В1С1—В6С6 определяют величину и направление передачи активной мощности, так как

(при постоянных в рассматриваемых условиях U и х). При этом величина активной мощности может откладываться на оси Р с началом отсчета в точке А и знак соsφ определяет ее направление. Аналогично величина и направление передачи реактивной мощности определяются величинами отрезков ас1—АС6, так как

Направление реактивной мощности определяется знаком sinφ. Алгебраическая величина реактивной мощности может откладываться по оси Q тоже с началом в точке А. Таким образом, точка А—центр прямоугольных координат Р и Q, в которых за положительное направление активной и реактивной мощностей принято направление передачи от генератора в систему.

Векторные диаграммы, в которых конец вектора э. д. с. находится в первом и втором квадрантах принятой системы координат Р и Q, соответствуют генераторному режиму синхронной машины (Р>0). При этом в первом квадранте генератор работает с номинальным током возбуждения и выдает реактивную мощность в систему Q>0. Это наиболее распространенный режим работы генератора. Предельные значения нагрузки генератора в таком режиме ограничиваются; по активной мощности возможностями первичного двигателя (турбины); по величине э. д. с. допустимым током возбуждения ротора; по нагреву обмоток статора допустимым током статора ,состоящим из активной и реактивной составляющих.

При избытке реактивной мощности в системе (что может быть в системах с длинными линиями высокого напряжения) может потребоваться работа генератора с потреблением реактивной мощности. Такой режим работы создается уменьшением тока возбуждения, чтобы при заданной активной мощности конец вектора э. д. с. векторной диаграммы оказался во втором квадранте (например, точка В3 на рис. 2-7). Необходимо учитывать, что снижение тока возбуждения (снижение э. д. с.) приводит к уменьшению максимума угловой характеристики мощности и приближению угла и к пределу статической устойчивости (90°). С увеличением потребляемой реактивной мощности ток статора возрастает.

Рис. 2-8. Зависимость тока статора и реактивной мощности синхронного генератора от тока возбуждения при неизменной активной мощности.

На рис. 2-8 видно, что при сохранении заданной величины активной мощности уменьшение тока возбуждения до If2 (Q=0 и cosφ=1) приводит к уменьшению тока статора. При дальнейшем уменьшении тока возбуждения генератор начинает потреблять реактивную мощность и реактивный ток из сети, вследствие чего ток статора снова увеличивается. В режиме работы с недовозбуждением появляется необходимость контроля за нагревом торцевых пакетов активного железа статора, вызванным увеличенном потерь в них. Эти обстоятельства накладывают ограничения на осуществление режимов с потреблением реактивной мощности.

Потреблению активной мощности из системы соответствуют квадранты III, IV на рис. 2-7. Это свойственно синхронным двигателям и компенсаторам, которые могут работать с выдачей (IV квадрант) и с потреблением реактивной мощности (III квадрант).

В последнее время в ряде энергосистем признано экономически целесообразным в период ночных минимумов нагрузки не останавливать турбоагрегаты, а постепенно прекращая впуск пара, разгружать генератор и переходить его в режим синхронного двигателя [Л. 14]. Для поддержания готовности турбины к новому циклу работы последняя вентилируется впуском пара через отборы и уплотнения. Ток возбуждения генератора при таком режиме работы регулируется, исходя из необходимости либо выдавать, либо потреблять реактивную мощность.

Рис. 2.9. Зависимости активной, реактивной мощностей, тока статора синхронного турбогенератора при неизменном токе возбуждения при увеличении впуска пара в турбину

На рис. 2-9 показано семейство векторных диаграмм и зависимости активной и реактивной мощностей, тока статора и коэффициента мощности при постоянном токе возбуждения от угла δ (при изменении впуска пара в турбину). При увеличении активной мощности реактивная мощность генератора уменьшается. Для поддержания её на заданном уровне необходимо с увеличением активной мощности увеличивать ток возбуждения.

Работа турбогенератора при потере возбуждения относится к анормальным режимам работы. Однако она кратковременно используется в эксплуатации, чтобы не отключать источник активной энергии из-за устранимых неисправностей в цепях возбуждения па работающем генераторе или чтобы перевести генератор на резервное возбуждение.

При потере возбуждения собственная э. д. с. генератора, а вместе с ней и синхронный электромагнитный момент, уравновешивающий момент турбины, обращаются в нуль. Частота вращения ротора генератора под воздействием турбины возрастает и контуры ротора начинают пересекаться синхронно вращающимся магнитным потоком статора. В контурах ротора (в общем случае это замкнутый контур обмотки возбуждения, контуры .вихревых токов массивной бочки ротора, замкнутые контуры успокоительных обмоток) наводятся э.д.с. с частотой, соответствующей разности частот вращения ротора и потока статора. Наведенные э. д. с. вызывают токи, а последние, взаимодействуя с потоком статора, создают асинхронный момент. Величина асинхронного момента зависит от параметров генератора и его частоты вращения. Для разных генераторов такие зависимости показаны на рис. 2-10. При увеличении частоты вращения асинхронный момент тормозящий, поэтому возможно новое равновесие, которое определяется характеристикой асинхронного момента и характеристикой регулирования турбины (рис.2-10). (Увеличение частоты вращения ротора приводит в действие регулирование турбины, которое уменьшает впуск пара в турбину).

Рис. 2.9. Кривые средних асинхронных моментов различных типов синхронных генераторов.

Турбогенераторы с их массивной бочкой ротора обладают большим асинхронным моментом и большой крутизной начальной части асинхронной характеристики. Поэтому равновесие наступает при сравнительно небольшом увеличении частоты вращения и небольшом снижении активной мощности.

Гидрогенераторы из-за явнополюсности ротора даже при наличии успокоительных обмоток имеют малый асинхронный момент. У них равновесие моментов турбины и генератора в асинхронном режиме наступает либо при малых активных мощностях (пересечение кривой 2 и прямой 4), либо не наступает вовсе (кривая 3 и прямая 4 не пересекаются).

Реактивный ток при потере собственного возбуждения потребляется генератором из сети. Величина его не регулируется, так как зависит от величины напряжения на шинах, где включен генератор, и от собственного индуктивного сопротивления генератора. Поэтому уменьшить ток можно снижением активной составляющей тока статора, т. е, снижением активной нагрузки генератора.

Допустимость асинхронного режима синхронных генераторов с косвенным охлаждением при заданной активной нагрузке определяется следующими условиями [Л. 7]:

1. Длительный ток статора (средняя величина действующего значения тока за период скольжения) не должен превышать номинальный ток статора генератора более чем на 10%.

2. Потери в роторе в асинхронном режиме не должны превышать потери на возбуждение в нормальных эксплуатационных условиях

где Р_ср.ас—средняя величина активной мощности, выдаваемой в сеть в асинхронном режиме; I_fном—номинальный ток возбуждения; r_f(75C)—сопротивление обмотки ротора при рабочей температуре 75°С; S=(N_c-N)/N_c—скольжение, представляющее собой разность частот вращающегося магнитного потока n_c и ротора, отнесенную к синхронной частоте вращения потока n_c.

3. Напряжение на кольцах ротора в асинхронном режиме не должно превосходить 75% величины испытательного напряжения для изоляции обмотки ротора.

4. Асинхронный режим генератора не должен приводить к снижению напряжения на шинах станции ниже допустимого значения и перегружать другие параллельно работающие генераторы реактивной мощностью.

Использование асинхронного режима для мощных генераторов с непосредственным охлаждением вызывает ряд дополнительных особенностей [Л. 8]. Повышение удельных нагрузок на таких машинах привело к снижению уставки повышения частоты вращения па автомате безопасности турбин. Переход генератора в асинхронный режим г полной активной нагрузкой может привести к срабатыванию автомата безопасности, если не принять мер для повышения быстродействия систем регулирования турбин (например, применение устройств форсированного закрытия регулирующих клапанов).

В асинхронном режиме турбогенераторов с непосредственным охлаждением появляется быстрое нарастание температуры торцевых пакетов активно» стали и других ферримагнитных конструктивных деталей из-за увеличения нолей рассеяния в зонах лобовых частей статора. Нагревы указанных деталей требуют быстрого снижения нагрузки генератора и асинхронном режиме до 40% номинальной. Продолжительность работы таких генераторов в асинхронном режиме допускается в пределах 30—15мин.

Большинство крупных генераторов с непосредственным охлаждением работают по блочным схемам генератор—трансформатор. Рабочий трансформатор с. н. в таких случаях подключен между генератором и трансформатором. В асинхронном режиме напряжение на зажимах генератора снижается, следовательно, снижается напряжение и на шинах с. п. По этой причине приходится с. н. блока при асинхронном режиме генератора переводить на питание от резервного трансформатора с. н.

Тем не менее и для генераторов с непосредственным охлаждением обмоток целесообразно кратковременное использование асинхронного режима на время исправления неполадок в рабочей системе возбуждения или на время перевода генератора на резервное возбуждение. Это объясняется и существенным влиянием мощных генераторов на надежность работы системы и высокими затратами на останов и пуск блока.

Режим работы генераторов при несимметричных условиях. Несимметричные условия работы трехфазных генераторов могут возникать как из-за несимметричной по фазам нагрузки (однофазная осветительная нагрузка, однофазная тяговая нагрузка, однофазные металлургические печи), так и из-за неполнофазных режимов (обрыв или отключение одной поврежденной фазы трансформатора в блоке и т. д.). Часто оказывается, что симметрирование токов или затруднено, или экономически не оправдано. Поэтому как для кратковременных, так и для длительных несимметричных режимов работы необходимо уметь определить допустимые условия работы генератора [Л. 9]. При несимметричных условиях работы возникают следующие неблагоприятные для генератора обстоятельства. Ток в одной или двух фазах может быть больше, чем допустимый фазный ток. Несимметричные по фазам токи создают в воздушном зазоре не круговое, а эллиптическое магнитное поле с пространственно неподвижными центрами. Такое ноле вызывает вибрацию в генераторе от неравномерных сил притяжения между ротором и статором и приводит к наведению в контурах ротора и его бочке токов двойной частоты. Потери от токов такой частоты могут быть значительными, так как с ростом частоты уменьшается глубина их проникновения в толщу стали. Наибольший нагрев поверхностного слоя ротора происходит при этом но торцам бочки, где на меньшей поверхности сходятся токи с поверхности ротора. Возможны местные дополнительные нагревы, обусловленные конструктивными особенностями ротора. Все эти обстоятельства должны учитываться при работе генератора в несимметричных условиях. При задании нагрузки для синхронного генератора при несимметричных нагрузках следует исходить из того, чтобы температура ни в одной части ротора не превосходила допустимой, чтобы вибрация агрегата не превосходила допустимых пределов и ток в наиболее нагруженной фазе статора не превышал номинального.