ПЕРЕВОД ГЕНЕРАТОРА В РЕЖИМ СИНХРОННОГО КОМПЕНСАТОРА

Проблема компенсации реактивной энергии и мощности возникла одновременно с применением на практике переменного и особенно трехфазного тока. При включении в цепь индуктивной или емкостной составляющей нагрузки (а это и всевозможные двигатели, и промышленные печи, и даже высоковольтные линии электропередач) между электроустановкой и источником возникает обмен потоками энергии, суммарная мощность которого равна нулю, но при этом он вызывает дополнительные потери активной энергии, потери напряжения и снижает пропускную способность электрических сетей. Так как избежать подобных негативных воздействий невозможно, необходимо просто свести их к минимуму.

Отставание тока по фазе от напряжения в индуктивных элементах обуславливает интервалы времени (см. рис.8.1), когда напряжение и ток имеют противоположные знаки: напряжение положительно, а ток отрицателен и наоборот. В эти моменты мощность не потребляется нагрузкой, а подается обратно по сети в сторону генератора. При этом электроэнергия, запасаемая в каждом индуктивном элементе, распространяется по сети, не рассеиваясь в активных элементах, а совершая колебательные движения (от нагрузки к генератору и обратно). Соответствующую мощность называют реактивной.

Рисунок 8.1 – Диаграмма активной и реактивной мощности

При отсутствии активной составляющей в нагрузке, сдвиг фаз между напряжением и током составит 90°. В начале периода, когда напряжение максимально – ток будет равен нулю, следовательно, мгновенное значение мощности UI в это время будет равно нулю (рис.8.2).

φ = 90° sin90° = 1 cos90° = 0

Рисунок 8.2 – Природа потерь в цепи с реактивными элементами

В течении первой четверти периода, мощность можно видеть на графике, как произведение UI, которое станет равным нулю при максимуме тока и нулевом значении напряжения. В следующую четверть периода на графике UI принимает отрицательное значение, следовательно, мощность возвращается обратно в источник питания. То же самое произойдёт и в отрицательном полупериоде тока. В результате средняя (активная) потребляемая мощность P за период будет равна нулю. В таком случае:

реактивная мощность Q = UIsin90° = UI;

потребляемая мощность P = UIcos90° = 0;

полная мощность S = UI = √(P² + Q²) будет равна реактивной мощности ;

коэффициент мощности P/S = 0.

Для компенсации реактивной мощности используются различные устройства на основе статических или синхронных элементов. В общих чертах действие всех компенсирующих устройств основано на том, что на участке цепи с индуктивной или емкостной нагрузкой устанавливается дополнительный источник реактивной мощности, таким образом, описанный выше обмен потоками энергии происходит между этим источником и устройством на небольшом участке цепи, не проходя по основным сетям и, следовательно, не вызывая в них негативных последствий.

Синхронная компенсация может достигаться с помощью специализированных устройств – синхронных компенсаторов, которые представляют собой синхронные двигатели без нагрузки на валу, а также с использованием уже имеющихся двигателей в режиме перевозбуждения или путем перевода генераторов в режим синхронных компенсаторов.

При работе гидроагрегата в режиме синхронного компенсатора направляющий аппарат закрыт, доступ воды к гидротурбине прекращен, генератор включен в сеть и вращается как двигатель при наличии реактивного тока в обмотке статора, опережающего напряжение статора или отстающего от него по фазе. Потребляемая при этом генератором мощность расходуется на преодоление механических и вентиляционных потерь и в значительной степени зависит от условий вращения рабочего колеса гидротурбины. При освобожденном от воды рабочем колесе (в случае положительной высоты отсасывания или в результате специального отжатая воды от рабочего колеса) потребляемая мощность составляет 2-4% номинальной мощности гидрогенератора, а при затопленном рабочем колесе потребляемая мощность увеличивается до 15-20% номинальной.

Необходимость работы гидроагрегатов в режиме синхронного компенсатора возникает при недостатке в энергосистеме реактивной мощности и избытке ее, вызванном наличием больших емкостных токов в период малых активных нагрузок, подключенных к шинам ГЭС протяженных линий электропередачи.

Гидрогенератор при недостатке реактивной мощности в системе работает как перевозбужденный синхронный электродвигатель, получает реактивный ток, емкостный по отношению к сети, тем самым улучшая коэффициент мощности (cosφ) сети, а при избытке реактивной мощности — как недовозбужденный синхронный электродвигатель, выдавая индуктивный ток, компенсирующий емкостный ток в сети.

Предельная реактивная мощность в режимах перевозбуждения или недовозбуждения гидрогенератора при работе в режиме синхронного компенсатора ограничивается допустимыми повышениями температуры обмотки ротора и лобовых частей обмотки статора и устанавливается на основании технических условий завода-изготовителя или данных натурных тепловых испытаний генератора.

Перевод в режим синхронного компенсатора вертикальных гидроагрегатов с осевыми поворотно-лопастными, радиально-осевыми и диагональными гидротурбинами, работающими с отрицательными высотами отсасывания, осуществляется следующим образом. Гидроагрегат разгружается по активной мощности до положения холостого хода, направляющий аппарат полностью закрывается, генератор остается включенным в сеть. В момент полного закрытия направляющего аппарата открывается клапан впуска сжатого воздуха в целях срыва вакуума в зоне рабочего колеса турбины и освобождения его от воды. Сжатый воздух подается в отсасывающую трубу до полного отжатия воды от рабочего колеса с некоторым запасом, исключающим захват воды нижними кромками лопастей и обеспечивающим определенную продолжительность работы гидроагрегата без впуска воздуха к рабочему колесу. Уровень отжатия воды от рабочего колеса рекомендуется устанавливать:

для радиально-осевых гидротурбин — на 1 м ниже нижнего обода рабочего колеса;

для поворотно-лопастных гидротурбин с четырьмя лопастями — на 1 м ниже, а с восемью лопастями — на 2,5 м ниже выходных кромок лопастей при полном их развороте.

После отжатия воды генератор загружается реактивной нагрузкой. Давление сжатого воздуха, используемого для отжатия воды от рабочих колес гидротурбин, при переводе гидроагрегата в режим синхронного компенсатора составляет 7 — 8 кгс/см² для систем низкого давления или 36 — 40 кгс/см²для систем высокого давления.

Время отжатия воды от рабочего колеса при правильно запроектированной и налаженной пневматической системе (рис.8.3) и нормальных протечках воды через закрытый направляющий аппарат не должно превышать 1 мин от момента подачи импульса на перевод гидроагрегата в режим синхронного компенсатора.

Последовательность перевода капсульного гидроагрегата в режим синхронного компенсатора аналогична описанной выше с той лишь разницей, что воздух в камеру рабочего колеса не подается, а лопасти свертываются на предельно возможный угол. Перевод гидроагрегатов с ковшовыми гидротурбинами в режим синхронного компенсатора производится после разгрузки по активной мощности закрытием игл направляющих сопл. Отжатие воды при этом не требуется, так как ковшовые гидротурбины располагаются выше уровня нижнего бьефа.

Перевод гидроагрегатов в режим синхронного компенсатора осуществляется дистанционно или автоматически. Операции по поддержанию давления воздуха в зоне рабочего колеса, обеспечивающего необходимый уровень воды в отсасывающей трубе при работе гидроагрегата в режиме синхронного компенсатора, выполняется автоматически.

1 – возбухозаборники; 2 – рабочее колесо; 3 – направляющий аппарат;

4 – спиральная камера; 5 – отсасывающая труба; КПВ1-КПВ3 – каналы впуска воздуха; КВВ – каналы выпуска воздуха; КСП – клапан слива протечек воды

Рисунок 8.3 – Принципиальная схема пневматической системы отжатия воды в камере рабочего колеса

Перевод гидроагрегата из режима синхронного компенсатора в генераторный также производится либо дистанционно с главного пульта управления, либо автоматически — при аварийном понижении частоты в энергосистеме и работе схемы частотного пуска гидроагрегатов. Необходимость полной готовности гидроагрегата к переводу из режима синхронного компенсатора в генераторный диктуется требованиями быстрого ввода резерва мощности при аварийных ситуациях в энергосистеме, сопровождающихся понижением частоты. Этим требованиям наилучшим образом удовлетворяет такой процесс набора нагрузки гидроагрегатом, переводимым из режима синхронного компенсатора в генераторный, при котором время полного набора нагрузки определяется лишь скоростью открытия направляющего аппарата и может доходить до 15 — 20 с.

Система по переводу гидроагрегатов в режим синхронного компенсатора должна работать с оптимальными параметрами воздушной системы.

Согласно векторным диаграммам (рис. 8.4), в генераторном режиме при увеличении тока возбуждения (рис. 8.4, а) гидрогенератор отдает в сеть реактивную мощность, а при уменьшении тока возбуждения (рис. 8.4, б) потребляет из сети реактивную мощность. Аналогичные явления имеют место и в двигательном режиме (рис. 8.5).

а) б) Рисунок 8.4 – Векторные диаграммы работы гидрогенератора генераторном режиме: а) в режиме увеличения тока возбуждения; б) в режиме уменьшения тока возбуждения При увеличении тока возбуждения (рис. 8.5, а) гидрогенератор отдает в сеть реактивную мощность, а при уменьшении (рис. 8.5, б) - потребляет реактивную мощность. Активная мощность при этом как в двигательном, так и в генераторном режимах, не меняется. Возможность плавного регулирования реактивной мощности в широких пределах является важным преимуществом гидрогенераторов.

Рисунок 8.5 – Векторные диаграммы работы гидрогенератора двигательном режиме режиме: а) в режиме увеличения тока возбуждения; б) в режиме уменьшения тока возбуждения

Перевод работающего генератора в режим работы синхронным компенсатором производится путем прекращения подачи воды в турбину, т. е. прекращением выдачи генератором активной мощности. Регулируя возбуждение, можно заставить синхронный компенсатор работать с перевозбуждением, т. е. отдавать реактивную мощность в сеть, или с недовозбуждением, т. е. потреблять реактивную мощность из сети. В том и другом случаях компенсатор потребляет из сети активную мощность, которая расходуется на покрытие потерь, как в самом компенсаторе, так и на вращение соединенной с ним турбины. Поэтому для снижения потерь необходимо отсоединять турбину от вала генератора или уменьшать сопротивление ее вращению. Отсоединить гидротурбину от вала генератора не представляется возможным, поэтому производят освобождение рабочего колеса турбины от воды. Если колесо при работе не подтоплено, достаточно прекратить подачу воды (закрыть направляющий аппарат) и сорвать вакуум в отсасывающей трубе. В противном случае необходимо отжимать воду от колеса путем подачи в отсасывающую трубу сжатого воздуха и поддержания избыточного давления под рабочим колесом в течение всего времени работы компенсатора. Обратный перевод компенсатора в генераторный режим производится путем открытия направляющего аппарата для подачи воды на рабочее колесо турбины и прекращения подачи сжатого воздуха под рабочее колесо.

⇐ Предыдущая 1 2 34