Синхронный компенсатор

СИНХРОННЫЕ КОМПЕНСАТОРЫ

Повышение коэффициента мощности в системах электропотребления достигается установкой конденсаторных батарей и применением синхронных двигателей в режиме генерации реактивной мощности. По мере развития энергетических систем наряду с синхронными двигателями стали применяться синхронные машины без активной нагрузки на валу, т.е. лишь для выработки реактивной мощности. Такие машины получили название синхронных компенсаторов. За счет выдачи и потребления реактивной мощности синхронные компенсаторы способствуют поддержанию напряжения в местах их подключения. Сначала синхронные компенсаторы выполнялись с воздушным охлаждением, а затем для более мощных машин был сделан переход на водородное охлаждение.

Применение синхронных компенсаторов позволяет снизить потери электроэнергии в линиях электропередачи. Для этого необходимо уменьшать передаваемую через линию реактивную мощность за счет источников такой мощности на приемном конце. Такими источниками в нашей стране и за рубежом стали синхронные компенсаторы. Наибольших успехов в создании таких машин добился завод «Уралэлектротяжмаш» и его главный конструктор по синхронным компенсаторам В.З. Пекне. Установленная мощность синхронных компенсаторов достигала 20—30 % мощности линий. Наиболее мощные синхронные компенсаторы в нашей стране были: 1940 г. — ЗОМВ∙А, 1956 г. — 75 МВ • А, 1963 г. — 100МВ∙А и 1969г.— 160 МВ • А.

Применение водородного охлаждения привело к снижению вентиляционных потерь на 25—35 % с одновременным увеличением мощности в тех же габаритах. С точки зрения стоимости строительства решающее значение имел переход на наружную установку компенсаторов. Расчетнотеоретические исследования показали целесообразность использования частоты вращения 750 об/мин и применения явнополюсной конструкции. Пуск компенсаторов осуществляется от сети через реактор.

Возбуждение компенсаторов осуществлялось от генераторов постоянного тока, сочлененных с асинхронными короткозамкнутыми двигателями и маховиками. Агрегат размещался в здании подстанции и был связан с компенсатором кабелями.

В 60-х годах для повышения эффективности действия синхронных компенсаторов вместо электромашинных возбудителей впервые в мире у нас в стране стали применять системы возбуждения с ртутными выпрямителями, получившие название ионных систем возбуждения. Однако радикальное упрощение системы возбуждения было достигнуто после освоения мощных кремниевых диодов и создания на их основе бесщеточных возбудителей. Такие возбудители, состоящие из обращенной синхронной машины и вращающегося выпрямителя, удалось разместить в объеме щеточно-контактного аппарата. Разработка бесщеточных систем возбуждения была выполнена В.З. Пекне, В.Ф. Федоровым и В.К. Воробьем.

В 90-е годы получили развитие статические тиристорные компенсаторы. Их преимущество состоит в меньших потерях по сравнению с электромашинными компенсаторами, а недостаток — в несинусоидальности напряжения. Пока количество статических компенсаторов мало, поэтому в эксплуатации по-прежнему остаются синхронные компенсаторы.

Использование явления сверхпроводимости в электротехнике привело к разработке сверхпроводникового синхронного компенсатора. Его преимуществами являются: малые потери, синусоидальная кривая напряжения, низкое индуктивное сопротивление и возможность создания машин большой мощности. Испытание сверхпроводниковой машины в режиме синхронного компенсатора было проведено при мощности 20 МВ • А на стенде ВНИИэлектромаша. Особенно перспективны такие компенсаторы в случае использования высокотемпературных сверхпроводников (на уровне температуры жидкого азота). Разработка таких компенсаторов выполнена под руководством Л.И. Чубраевой. Следует заметить, что в связи с беспазовой конструкцией статора имеется возможность выполнения обмотки статора на напряжение 110—220 кВ. Наши работы вызвали большой интерес в зарубежных странах, в частности в Японии и США. В Японии проблема разработки сверхпроводниковых синхронных компенсаторов входит в государственную программу создания сверхпроводниковых электрических машин, а в США в последнее время образована фирма по производству компенсаторов, основанных на применении высокотемпературных сверхпроводников.

СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ И АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Синхронная машина, система возбуждения и автоматический регулятор возбуждения представляют собой единый комплекс, обеспечивающий эффективную работу генераторов и двигателей. На протяжении длительного времени в качестве возбудителя крупных синхронных машин использовались коллекторные генераторы постоянного тока. Они обычно размещались на общем валу с главной машиной. Реже возбудитель входил в состав отдельного агрегата, состоящего из генератора и асинхронного двигателя. Коллекторы генераторов постоянного тока требовали систематического ухода. Генераторы имели значительную электромагнитную инерционность.

В послевоенные годы в нашей стране начались пионерские работы по использованию управляемых вентилей вместо механических коммутаторов-коллекторов. Сначала исследования проводились на лабораторных установках, а затем были созданы и проверены в эксплуатации опытно-промышленные ионные возбудители. В Ленэнерго такая установка была выполнена для гидрогенератора мощностью 33 МВ∙А Нижнесвирской ГЭС- Разработка и испытания проходили под руководством И.А. Глебова и С.Ф. Зонова. Авторство и руководство в создании и испытании опытно-промышленной системы ионного возбуждения турбогенератора мощностью 3 МВт на ТЭЦ № 7 Мосэнерго принадлежат Ю.А. Шмайну, Опытно-промышленная установка гидрогенератора мощностью 55 МВт для Рыбинской ГЭС была создана и испытана с участием В.Я. Масольда. В-первых двух установках использовались ртутные вентили — игнитроны, а в третьей — откачные ртутные вентили. В первой и третьей установках выпрямители подключались к вспомогательным синхронным генераторам, а во второй установке — к трансформатору. получавшему питание от сети.

После проведения всесторонних испытаний и накопления опыта эксплуатации в 1957— 1967 гг. начались разработка и создание систем ионного возбуждения для мощных гидрогенераторов ряда ГЭС (Волжские, Братская, Нурекская, Усть-Илимская, Красноярская. Саяно-Шушснская, Ингушская, Канчагайская, Саратовская, Кременчугская, Асуанская) и для турбогенератора мощностью 30 МВт ТЭЦ-16 Мосэнерго, а также для мощных синхронных компенсаторов (75 и 100 МВ∙А).

В связи с отсутствием в то время тиристоров выпрямители создавались на основе ртутных вентилей производства завода «Уралэлектротяжмаш». Их номинальный ток составлял 500 А, а напряжение 2500 В. В системах ионного возбуждения гидрогенераторов применялись вспомогательные синхронные генераторы. Они размещались между крестовиной и активной частью гидрогенератора. Их особенностью является то, что они имеют большой диаметр и малую длину. Так, например, наружный диаметр генератора Волжской ГЭС в районе г. Самары равен 850 см, а длина его сердечника 24 см.

Вспомогательные синхронные генераторы были разработаны и созданы на заводе «Электросила».

В связи с высокой кратностью форсирования (предельное напряжение возбуждения равно четырехкратному значению номинального напряжения) и практически безынерционным действием управляемых вентилей был достигнут наиболее высокий уровень динамической устойчивости машин и линий электропередачи.

Наряду с разработками систем возбуждения для гидрогенераторов велись разработки систем ионного возбуждения для синхронных компенсаторов, которые были применены для подстанций на приемном конце линий электропередачи главным образом напряжением 500 кВ.

Широкое внедрение систем возбуждения с управляемыми преобразователями вместо электромашинных возбудителей было осуществлено впервые в мире в нашей стране. В дальнейшем переход на системы возбуждения с управляемыми вентилями был сделан и в зарубежной практике электромашиностроения.

Наибольший вклад в реализацию нового важного технического направления внесли И. А. Глебов (разработка теории, исследования на опытно-промышленной установке и на электродинамической модели); Е.М. Глух, М.А. Смирнитский, Г.В. Чалый, Ю.А. Шмайн, Е.Л. Эттингер (разработка, испытания и исследования на промышленных установках); А.И. Казанцев, Л.С. Флейшман (разработка и создание оборудования); В.Я. Масольд (наладочные работы и испытания на опытно-промышленной установке). Всем указанным специалистам была присуждена Государственная премия СССР за 1968 г.

После освоения полупроводниковых вентилей дальнейшее развитие систем возбуждения гидрогенераторов, турбогенераторов, синхронных компенсаторов и крупных синхронных машин проходило на основе использования кремниевых тиристоров и диодов.

Одна из первых и самых крупных тиристорных систем возбуждения гидрогенераторов была смонтирована на Красноярской ГЭС. Разработка системы была сделана ВПИИэлсктромашем совместно с производственным объединением «Уралэлектротяжмаш». Ее внедрение было осуществлено в 1976 г. при самом активном участии персонала ГЭС во главе с В.И. Брызгаловым. Мощность гидрогенератора равна 500 МВт, а вспомогательного синхронного генератора 7,65 МВ • А. Наружный диаметр последнего составляет 840, а длина его сердечника 38 см. Для преобразователей применены тиристоры со средним током 330 А и классом напряжения 20 и более. Общее количество тиристоров 180, они имеют водяное охлаждение. Как и для ионной системы возбуждения, кратность форсирования составляет 4.

Самая мощная тиристорная система возбуждения турбогенератора относится к машине мощностью 800 МВт и частотой вращения 3000 об/мин. Здесь возбудительно вспомогательный турбогенератор мощностью 6 МВт устанавливается в своих подшипниках, роторы главной и вспомогательной машин соединяются муфтой, кратность форсирования принимается равной 2.

Рассмотренные выше системы возбуждения являются независимыми, так как в них применяется вспомогательный синхронный генератор, В таких системах необходимо иметь тиристорные преобразователи и автоматические регуляторы возбуждения (АРВ) как для главной, так и для вспомогательной машины. Система возбуждения существенно упрощается, если перейти на схему самовозбуждения. В этом случае обмотка ротора получает питание от выпрямителя. подключенного ко вторичной обмотке выпрямительного трансформатора. Его первичная обмотка присоединяется к выводам генератора. Системы самовозбуждения стали все более широко применяться как для турбогенераторов, так и для гидрогенераторов.

Щеточно-контактный аппарат турбогенератора с частотой вращения 3000 об/мин надежно работает при токах до 5000 А, Поэтому с увеличением токов потребовалось создание бесконтактной или бесщеточной системы возбуждения. Для этой цели применяется синхронный генератор обращенного типа, у которого якорь вращается, а индуктор неподвижен. Обмотка якоря подсоединяется к вращающемуся выпрямителю, соединенному с обмоткой ротора турбогенератора.

Для бесщеточных возбудителей потребовались диоды, рассчитанные на большие центробежные ускорения. Специальное конструкторское бюро завода «Электровыпрямитель» (г. Саранск) с участием ВНИИэлектромаша разработало и создало диоды со средним током 500 А и повторяющимся напряжением 2000 В. Позднее были освоены диоды на ток 630 А и напряжение 2800В. В 1972г. для турбогенератора мощностью 300 МВт был применен трехфазный возбудитель с диодами на ток 500 А. Полученный опыт был распространен еще на четыре турбогенератора мощностью по 300 МВт. Вся эта работа проводилась ВНИИэлсктромашем и объединением «Электросила», Энергетическим институтом им.

В современное время картина применения АРВ выглядит приблизительно следующим образом.

На генераторах мощностью до 150 МВт в качестве возбудителей используются генераторы постоянного тока (рис. 27.2.). Основной является схема с параллельным самовозбуждением (рис. 27.2. а). Напряжение и ток возбудителя, подводимые к обмотке ротора LG, регулируются с помощью реостата RRE в цепи обмотки возбуждения LE возбудителя GE. При полностью выведенном реостате RRE (когда его сопротивление равно нулю) напряжение и ток возбудителя достигают наибольших значений, т.е. потолка возбуждения.

Схема независимого возбуждения (рис. 27.2.б) состоит из двух генераторов постоянного тока — возбудителя GE с независимым возбуждением и подвозбудителя GEA с параллельным самовозбуждением. В этой схеме напряжение и ток возбудителя могут регулироваться двумя реостатами — RRE и RREA, что обеспечивает большую плавность регулирования.

Как правило, вал якоря возбудителя и подвозбудителя соединен с валом ротора генератора непосредственно, что обеспечивает высокую надежность работы системы возбуждения. В отдельных случаях у турбогенераторов мощностью 300 МВт возбудитель соединяется с валом ротора генератора через редуктор для уменьшения частоты вращения якоря возбудителя. Резервные возбудители выполняются по схеме на рис. 27.2. а, причем ротор возбудителя вращается от отдельного асинхронного электродвигателя.

Рис. 27.2. Схемы электромашинного возбуждения с генераторами постоянного тока (возбудителями):

а - схема параллельного самовозбуждения; б - схема независимого возбуждения

Система высокочастотного возбуждения, применяемая на энергоблоках мощностью 300 МВт, приведена на рис. 27.3. Основными элементами системы являются высокочастотный возбудитель GE, представляющий собой трехфазный генератор переменного тока 500 Гц, и кремниевые выпрямители VS1 и VS2. На роторе GE, связанном с валом ротора генератора, расположены три обмотки возбуждения: основная LE1, включенная последовательно с обмоткой ротора генератора LG, и две обмотки управления LE2 и LE3. Питание обмоток управления производится от автоматического регулятора возбуждения и устройства быстродействующей форсировки возбуждения УБФ. Питание АV и УБФ осуществляется от высокочастотного подвозбудителя GEA.

Рис. 27.3. Схема электромашинного возбуждения с высокочастотным генератором и полупроводниковыми выпрямителями.

Переменный ток подается на тиристорные выпрямители от двух трансформаторов — выпрямительного TD, подключенного к выводам генератора, и последовательного ТАЕ, включенного в цепь обмотки статора генератора со стороны его нейтральных выводов. Вторичные обмотки этих трансформаторов соединены последовательно. В нормальном режиме напряжение на выпрямителях определяется в основном трансформатором TD, а при близких КЗ, когда происходит глубокое снижение напряжения на выводах генератора, - трансформатором ТАЕ, по первичной обмотке которого происходит большой ток КЗ. При этом трансформатор ТАЕ не только компенсирует снижение напряжения на выводах генератора, но и обеспечивает уровень напряжения, достаточный для форсировки возбуждения. Тиристорный возбудитель состоит из двух групп - рабочей VS.P и форсировочной VS.Ф. Управление их работой, ручное и автоматическое, производится через системы управления СУТ.Р и СУТ.Ф. Тиристорные системы возбуждения являются наиболее быстродействующими.