Эксплуатация генераторов - Режимы работы гидрогенераторов

В процессе эксплуатации ГГ неизбежны отклонения от номинальных условий работы; по напряжению, частоте, току статора, коэффициенту мощности, температуре охлаждающего агента и др. Кроме того, в условиях эксплуатации имеют место переходные и аварийные режимы работы различной длительности.
Чтобы отклонения от номинальных условий работы и возможные анормальные режимы не приводили к выходу из строя и преждевременному износу ГГ, необходимо в эксплуатации не превышать допустимых пределов. Следует учитывать и такие процессы, как пуск, синхронизация, останов, особые условия работы подпятника, систем возбуждения и охлаждения, других вспомогательных систем.
Установившиеся нормы допустимых отклонений от номинальных режимов являются исходными данными для выбора релейных защит и для действий эксплуатационного персонала ГЭС.
Изменение напряжения. ГГ рассчитываются -гак, чтобы при изменении напряжения на выводах в пределах 5 % номинального обмотки статора могли длительно развивать номинальную мощность при номинальных значениях частоты и коэффициента мощности. Это достигается тем, что индукции в различных участках магнитопровода машины и плотности тока в обмотках выбираются с учетом возможного их повышения в указанных пределах.
Со снижением напряжения повышается нагрев от потерь в меди обмотки статора вследствие увеличения в ней тока. При уменьшении напряжения ниже 95 % номинального увеличение тока статора выше 105 % номинального обычно не допускается, даже если температура обмотки статора остается ниже предельно допустимого значения. Это объясняется тем, что в машинах с косвенным воздушным охлаждением перепад температуры в изоляции обмотки статора пропорционален квадрату тока и чрезмерное увеличение градиента этого перепада может привести к необратимым относительным смещениям слоев корпусной изоляции стержней обмотки, нарушению адгезии корпусной изоляции с изоляцией элементарных проводников стержней и в результате - к снижению срока службы изоляции.
Гидрогенераторы рассчитываются также из условия их длительной работы при повышении напряжения до 110% номинального. Ввиду увеличения потерь в стали, вызываемых ими местных нагревов, а также роста тока и нагрева обмотки возбуждения не удается сохранить номинальную мощность. Работа при напряжении более 110% номинального не допускается.
Изменение частоты. Гидрогенераторы, как правило, рассчитываются из условия их работы с номинальной мощностью при изменении частоты в пределах ± 2,5 % номинальной. Однако при уменьшении частоты относительно номинальной не допускается повышение напряжения сверх номинального. Это обусловлено тем, что для поддержания постоянного значения напряжения при снижении частоты приходится увеличивать магнитный поток и ток ротора. Если при этом еще повысить напряжение, т. е. еще более увеличить рабочий магнитный поток в машине, то нагревы сердечника и обмотки статора, а также температура обмотки ротора могут превысить допустимые пределы.
В некоторых случаях возможны ограничения при работе ГГ с повышенной частотой и Одновременно с большим напряжением.
Изменение коэффициента мощности. Работа ГГ при коэффициенте мощности выше номинального допускается с сохранением номинальной полной мощности: при cosф = l ГГ может нести активную нагрузку, равную его полной мощности.
При понижении cosф по сравнению с номинальным и перевозбуждении полную мощность сохранить не удается, т. к. ток ротора выше номинального. Исключение составляют случаи, когда обмотка возбуждения и возбудитель имеют достаточные запасы по нагреву.
При работе ГГ с пониженным cosф и недовозбуждении (емкостная и активно-емкостная нагрузка) допустимая реактивная мощность ограничивается нагревом крайних пакетов сердечника статора и условиями устойчивой работы линии электропередачи.
Область допустимых нагрузок ГГ определяется графическим или аналитическим методами.
Изменение температуры воды и воздуха. При номинальной мощности ГГ температура входящего охлаждающего воздуха предусматривается не выше 35°С при разомкнутом цикле вентиляции. Воздухоохладители обеспечивают охлаждение поступающего в генератор воздуха во всех длительных эксплуатационных режимах, включая номинальный, до 35° при температуре поступающей технической воды не выше 28°С.
В отдельных случаях, при установке в районах с жарким тропическим климатом, ГГ рассчитываются для работы при более высокой температуре входящего воздуха, которая превышает температуру поступающей воды на 7... 10°С. Наоборот, при установке в районах с холодным климатом разница я температуре воды и воздуха достигает 15°С.
В зимнее время снижение температуры воздуха позволяет уменьшить температуру охлаждающей воды, что повышает мощность ГГ, сохраняя температуру его обмоток неизменной. Однако в этом случае увеличение мощности ограничивается перепадом температуры в изоляции обмотки статора. Поэтому при снижении Температуры охлаждающего воздуха против ее номинального значения на 10°С и более общее повышение мощности ГГ достигает 5 %.
Работа ГГ при температуре входящего воздуха ниже +15°С не рекомендуется, а ниже +10°С не допускается, т. к. это грозит нарушением изоляции обмотки статора.
В зимнее время не следует переохлаждать воздухоохладители во избежание конденсации на них влаги.
Несимметричные режимы. В эксплуатации ГГ возможны режимы работы, когда фазные токи образуют несимметричную систему, т. е. имеют неодинаковую амплитуду и различный фазовый сдвиг относительно напряжения. В общем случае фазные напряжения также могут представлять несимметричную систему. Если иметь в виду внешнюю несимметрию, то она может возникнуть при
несимметричной нагрузке или при обрыве одной из фаз линии электропередачи, отключении фазы трансформатора, выключателя и др. Кроме того, может быть временная внутренняя несимметрия в обмотке статора ГГ, связанная с выключением из схемы обмотки в связи с повреждением ее секции.
Несимметричная трехфазная система токов статора создает в воздушном зазоре магнитное поле, которое может быть представлено в виде суммы двух составляющих, вращающихся в противоположных направлениях с синхронной скоростью. Одна из составляющих, вращающаяся в ту же сторону, что и ротор, и неподвижная относительно него, обусловлена токами прямой последовательности. Эта составляющая поля и вызвавшие ее токи не отличаются от поля и токов симметричного нагрузочного режима. Вторая составляющая поля, вызванная токами обратной последовательности и вращающаяся относительно ротора с двойной синхронной скоростью, наводит в обмотке возбуждения, в демпферных контурах, в теле ротора и его торцевой контактной зоне токи частотой 100 Гц. Эти токи создают дополнительный нагрев соответствующих частей ротора. Кроме того, магнитное поле обратной последовательности создает знакопеременный момент, который вызывает механические напряжения и вибрации машины.
Несимметричные режимы анализируются с помощью метода симметричных составляющих.
Опыт эксплуатации показывает, что длительные режимы работы, даже с весьма ограниченной несимметрией токов, опасны возникающими усталостными разрушениями недостаточно жестко закрепленных элементов конструкции полюсов ротора, межполюсных соединений. Поэтому весьма важными являются своевременное определение частот их собственных колебаний, отстройка от возможных резонансов, плотная установка катушек на сердечниках полюсов и жесткое закрепление всех межполюсных соединений.
Режим зарядки линии электропередачи. Под зарядкой линии понимается работа генератора на незагруженную линию электропередачи, что может потребоваться, например, при проведении высоковольтных испытаний оборудования промежуточных подстанций и распределительных устройств на приемном конце линии или в случае внезапного отключения всех фидеров нагрузки при работе станции на автономную линию. Длительность зарядки линии не превышает 3-5 с.
При достаточно протяженной линии ее емкостный эффект значителен и генератор оказывается включенным на емкость, если она не компенсирована реактором. В такой схеме генератор нагружается емкостным током, несмотря на режим холостого хода линии. При определенных условиях этот режим может оказаться опасным как для генератора, так и для линии передачи ввиду значительных напряжений в цепи статора.
На практике во избежание перенапряжений на генераторе и линии электропередачи приходится ограничивать значение тока статора, обеспечивая (для исключения процесса самовозбуждения) минимальное значение тока ротора. Ток ротора принимается равным 15-20% тока возбуждения при холостом ходе и номинальном напряжении.
Для устойчивой работы генератора с заданным напряжением о режиме зарядки линии требуется обеспечить возможность плавного регулирования возбуждения при малых токах ротора. Это условие выполняется просто при использовании независимых систем возбуждения. При системе самовозбуждения со статическими выпрямителями с питанием от шин переменного тока ГЭС необходимо на период зарядки линии перейти на питание обмотки ротора от источника постоянного тока.
Внезапные короткие замыкания. Несмотря на малую продолжительность, внезапные КЗ на линиях электропередачи или на шинах станции являются весьма тяжелыми процессами как для самого ГГ, так и для связанных с ним аппаратов, оборудования распределительных устройств станции и подстанции.
Большие токи, возникающие в переходном процессе при внезапном КЗ, создают большие силы, действующие на лобовые части обмотки статора. Эти силы, пропорциональные квадрату тока, стремятся отогнуть лобовые части обмотки ближе к торцевой поверхности сердечника статора. Кроме того, они действуют между катушечными группами разных фаз. Деформации лобовых частей под действием этих сил могут вызвать повреждение изоляции и ее пробой, поэтому в мощных машинах требуется надежное крепление лобовых частей.
Так как переходный процесс протекает быстро, то сильного нагрева обмоток при внезапном КЗ не происходит.
В первый период переходного процесса внезапного КЗ возникают значительные вращающие моменты, действующие как на ротор, так и на статор. Если пренебречь активным сопротивлением статора, то периодическая составляющая тока будет реактивной и электромагнитного вращающего момента создавать не будет. Вращающий момент будет создаваться апериодической составляющей тока статора в результате взаимодействия с токами ротора. Этот момент, амплитуда которого может в 5-10 раз превышать номинальный вращающий момент машины, имеет периодический затухающий характер.
Асинхронные режимы. Асинхронный режим ГГ может наступить в результате сброса большой активной нагрузки при сохранении электрической связи с системой, неудачной самосинхронизации, потери возбуждения, ошибочных отключений автомата гашения поля и тому подобных аварий.
В асинхронных режимах ротор генератора начинает вращаться со скоростью большей, чем поле. В результате перемещения ротора относительно поля в его контурах наводятся токи, что приводит к созданию момента на Валу и генерированию активной мощности.
При выпадении из синхронизма машина будет работать как асинхронный генератор с некоторыми особенностями, связанными с присущей синхронным машинам электрической и магнитной несимметрией и наличием в общем случае тока возбуждения. В этом режиме генератор будет вырабатывать только активную мощность, а реактивную - потреблять из сети. Скорость ротора увеличивается до тех пор, пока не наступит равенство моментов на валу и электромагнитного.
В асинхронных режимах отмечаются большие пульсации тока и напряжения, вызывающие повышенные вибрации ГГ и значительные механические усилия в отдельных узлах. Наводимые в контурах ротора переходные токи вызывают большие дополнительные местные перегревы обмоток, значения которых, особенно в зоне контактов, могут быть опасными и привести к выходу машины из строя. Поэтому асинхронные режимы не допускаются сколько-нибудь длительное время.
В случае выпадения из синхронизма машину следует аварийно отключать от сети.
На практике во избежание отключений генераторов при возможных качаниях напряжения и частоты в сети защита от асинхронного режима осуществляется обычно таким образом, что сигнал на отключение ГГ подается при выполнении двух условий: достижения известного скольжения (1,5-2 %) и первого поворота ротора.