Структура генерирующих мощностей Украины

Так как, на роторе синхронной машины находится обмотка возбуждения, синхронная машина имеет электрическую несимметрию. В явнополюсной синхронной машине также присутствует магнитная несимметрия, обусловленная неравномерностью воздушного зазора между ротором и статором. Исходя из этого, при работе синхронного генератора в электрической сети, удобно рассматривать его в прямоугольной системе координат жестко связанной с ротором. Продольная ось d при этом совпадает с направлением магнитного потока Ф_d, созданного током возбуждения, а поперечная ось q – с направлением ЭДС, созданной потоком (рис.3)

 

Рис.3. Система координат d-q жестко связанная с ротором

 

Индуктивные сопротивления синхронной машины. При создании электромагнитного поля в воздушном зазоре часть потока рассеивается, не обеспечивая потокосцепления ротора и статора. Количественной характеристикой потока рассеивания является индуктивное сопротивление рассеивания обмотки статора . Количественной характеристикой потока реакции обмотки статора являются индуктивные сопротивления реакции статора по продольной ( ) и поперечной ( ) осям. У явнополюсных гидрогенераторов вследствие магнитной несимметрии ротора .

В установившемся режиме работы синхронного  генератора его результирующее электромагнитное поле описывается только этими потоками, следовательно, его синхронные сопротивления определяются сопротивлениями рассеивания и реакции статора:

; .

 

Рис.4. Синхронные сопротивления  генератора

 

В начальный момент переходного  режима (короткое замыкание, включение  генератора) неизменным остается только результирующее потокосцепление синхронной машины, все остальные потоки изменяются мгновенно, это вызывает реакцию обмоток ротора: обмотки возбуждения и демпферной обмотки. Количественной характеристикой потока реакции этих обмоток являются индуктивное сопротивлением реакции обмотки возбуждения и индуктивные сопротивления реакции демпферных обмоток по продольной ( ) и поперечной осям ( ).

Таким образом, в начальный  момент переходного режима синхронный генератор описывается сверхпереходными индуктивными сопротивлениями, которые определяются как:

; .

    

Рис.5. Сверхпереходные сопротивления генератора

 

У некоторых синхронных генераторов конструктивно отсутствуют демпферная обмотка, в этом случае в начальный момент КЗ отсутствуют и индуктивные сопротивления реакции демпферных обмоток. Такие синхронные машины в начальный момент переходного режима описываются переходными индуктивными сопротивлениями:

; .

 

 

Рис.6. Переходные сопротивления генератора

 

ЭДС и векторная диаграмма синхронной машины в режиме генератора. Рассмотрим установившийся режим синхронного генератора. Напряжение на выводах обмотки статора равно , ток в обмотке статора равен , угол между векторами напряжения и тока генератора равен . Вектор напряжения обычно принимают совпадающим с положительным направлением действительной оси комплексной системы координат (рис.7).

 

Рис.7. Вектора напряжения и тока синхронного генератора

 

Синхронная ЭДС генератора является векторной суммой напряжения на выводах обмотки статора и падения напряжения на синхронном индуктивном сопротивлении генератора:

.

Направление синхронной ЭДС генератора определяет направление  поперечной оси q. Продольная ось d строится как перпендикуляр к поперечной оси. Угол между ЭДС генератора и его напряжением называется углом нагрузки .

 

Рис.8. Векторная диаграмма синхронного генератора

 

Аналогичным образом определяется сверхпереходная ЭДС генератора:

.

 

Типы и маркировка гидрогенераторов. Тип гидрогенератора указывается в его маркировке, которая записывается следующим образом:

 

ХХХ–D_ст/H_ст–2р

 

где:

ХХХ – конструктивное исполнение генератора. Наиболее распространены СВ (вертикальный гидрогенератор) и ВГС (горизонтальный гидрогенератор);

D_ст – внутренний диаметр статора в см;

Н_ст – длина активной части статора в см;

2р – число полюсов ротора.

 

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электроэнергии одного уровня напряжения в электроэнергию другого уровня напряжения.

На ГЭС имеются:

• повышающие блочные трансформаторы, применяемые для повышения уровня напряжения электроэнергии, вырабатываемой генератором для ее выдачи в энергосистему;
• понижающие трансформаторы собственных нужд, применяемые для понижения уровня напряжения электроэнергии, отбираемой на собственные нужды ГЭС до 0,4 кВ;
• трансформаторы и автотрансформаторы связи, предназначенные для связи распределительных устройств разных классов напряжения, если ГЭС выдает электроэнергию в энергосистему на двух напряжениях.

Автотрансформатор – это трансформатор, первичная и вторичная обмотки которого имеют электрическую связь. Поэтому, автотрансформатор может применяться только в том случае, если обе его обмотки работают с одинаковым режимом нейтрали.

Структурная схема однофазного  силового трансформатора приведена  на рис.9

Рис.9. Силовой трансформатор

По конструкции трансформаторы бывают:

- двухобмоточные –  на магнитопроводе две обмотки:  высокого напряжения (ВН) и низкого напряжения (НН);

- трехобмоточные – на магнитопроводе три обмотки: высокого напряжения (ВН), среднего напряжения (СН) и низкого напряжения (НН);

- двухобмоточные с расщепленной обмоткой – обмотка низшего напряжения разделена на две полуобмотки для снижения токов КЗ. 

 

Паспортные данные двухобмоточного трансформатора (автотрансформатора):

- номинальная полная мощность [МВА];

- номинальное напряжение первичной  обмотки [кВ];

- номинальное напряжение вторичной  обмотки [кВ];

- номинальный ток первичной обмотки [кА];

- номинальное напряжение вторичной  обмотки [кА];

- ток холостого хода [%];

- напряжение короткого замыкания [%];

- потери холостого хода [кВт];

- потери короткого замыкания [кВт];

группа соединения обмоток (Y/Y-0; Δ/Δ-0; Y/Δ-11).

 

Паспортные данные трехобмоточного трансформатора (автотрансформатора):

- номинальная полная мощность  [МВА];

- номинальное напряжение обмотки ВН [кВ];

- номинальное напряжение обмотки  СН [кВ];

- номинальное напряжение обмотки  НН [кВ];

- номинальный ток обмотки  ВН [кА];

- номинальный ток обмотки  СН [кА];

- номинальный ток обмотки  НН [кА];

- ток холостого хода [%];

- напряжение короткого замыкания обмоток ВН-СН [%];

- напряжение короткого замыкания обмоток ВН-НН [%];

- напряжение короткого замыкания обмоток СН-НН [%];

- потери холостого хода [кВт];

- потери короткого замыкания [кВт];

группа соединения обмоток (Y/Y/Δ; Y/Δ/Δ).

 

Соотношения между основными  параметрами трехфазных двухобмоточных трансформаторов (автотрансформаторов):

;

- коэффициент трансформации.

Принцип работы силового трансформатора. На первичную обмотку трансформатора подается напряжение , при этом в первичной обмотке протекает ток . Ток создает магнитодвижущую силу , которая создает переменный магнитный поток , замыкающийся по сердечнику. Этот магнитный поток наводит во вторичной обмотке трансформатора ЭДС . Если вторичная обмотка трансформатора при этом подключена к сети, в ней начинает протекать ток , который, в свою очередь, также создает магнитодвижущую силу . Магнитодвижущая сила создает переменный магнитный поток , также замыкающийся по сердечнику. При этом результирующий магнитный поток трансформатора будет равен . Количественной характеристикой этого магнитного потока является величина индуктивного сопротивления трансформатора, которая, если пренебречь активным сопротивлением обмотки трансформатора, определяется следующим выражением:

.

Трансформатор является статическим устройством, все обмотки которого располагаются на одном магнитопроводе и, следовательно, обтекаются одним магнитным потоком. Поэтому, его индуктивное сопротивление Х остается неизменным как в установившемся, так и в переходном режимах (в отличие от синхронного генератора).

Типы и маркировка трансформаторов и автотрансформаторов. Тип трансформатора, его система охлаждения, наличие устройств регулирования напряжения указывается в его маркировке, которая записывается следующим образом:

 

ХХХ–S_ном/U_ВН

 

где:

ХХХ – тип трансформатора, его системы охлаждения, наличие устройств регулирования:

Т – трехфазный;

О – однофазный;

А – автотрансформатор;

Р – расщепленная обмотка  НН;

С – сухой;

М – масляный с естественным охлаждением;

Ц - масляный с циркуляционным охлаждением;

ДЦ - масляный с дутьевым и циркуляционным охлаждением;

Т (после маркировки системы  охлаждения) – трехобмоточный;

Н – наличие устройства регулирования напряжения.

S_ном – номинальная мощность трансформатора [кВА];

U_ном – номинальное напряжение обмотки ВН трансформатора [кВ].

Линия электропередачи (ЛЭП) – это установка, предназначенная для передачи электроэнергии.

ЛЭП бывают воздушными и  кабельными. Воздушные линии электропередачи  выполняются неизолированными алюминиевыми или сталеалюминевыми проводами (марки АС – сталеалюминевый провод, АСО – сталеалюминевый облегченный провод, АСУ - сталеалюминевый утяжеленный провод) и проходят над землей на специальных опорах (деревянных, железобетонных или металлических). Кабельные линии электропередачи выполняются кабелями и прокладываются в земле.

Основными параметрами и характеристиками ЛЭП являются:

- класс напряжения ЛЭП [кВ];

- максимальная полная мощность, передаваемая по ЛЭП [кВ];

L – длина ЛЭП [км];

режим работы нейтрали ЛЭП (заземленная, изолированная).

При передаче электроэнергии переменного тока по ЛЭП, создается электромагнитное поле, количественной характеристикой которого является индуктивное сопротивление ЛЭП, которое определяется как:

,

где Х₀ – это удельное индуктивное сопротивлениие ЛЭП в расчете на единицу длины [Ом/км], которое зависит от магнитных характеристик материала проводов и от геометрических характеристик ЛЭП. Для воздушных ЛЭП выше 1 кВ обычно принимают Х₀=0,4 Ом/км.

 

Электродвигатели – это электрические машины, предназначенные для привода вращающихся машин и механизмов путем преобразования электрической энергии в механическую.

На электрических станциях электродвигатели используются для  привода механизмов собственных  нужд (насосы, компрессора, подъемные  механизмы, вентиляторы). На ГЭС для этой цели применяются асинхронные машины.

Асинхронная машина –  это электрическая машина переменного тока у которой скорость ротора не равна скорости вращения поля статора.

Если асинхронная машина работает в режиме двигателя, то скорость вращения ротора меньше скорости вращения поля статора. В режиме генератора скорость вращения ротора больше скорости вращения поля статора.

Асинхронные машины по типу обмотки  ротора бывают:

- с короткозамкнутым  ротором («беличья клетка»);

- с фазным ротором.

Короткозамкнутая обмотка  типа «беличья клетка» представляет собой алюминиевые стержни в  пазах вдоль ротора, соединенные  контактными кольцами по торцам ротора. Фазная обмотка подобна обмотке  статора – выполняется медным проводом, уложенным в пазах ротора таким образом, чтобы была обеспечена трехфазная система. Концы фаз обмоток фазного ротора соединяются в звезду, начала обмоток выводятся на контактные кольца ротора.

 Асинхронные двигатели  с короткозамкнутым ротором более  просты и надежны в эксплуатации, поэтому получили более широкое распространение в качестве привода механизмов собственных нужд ГЭС. Двигатели с фазным ротором применяются там, где необходимо регулирование скорости вращения в широком диапазоне (подъемно транспортные машины и механизмы ГЭС).

Паспортные данные асинхронного двигателя: