Глава первая
ВЕНТИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВЕНТИЛЬНЫХ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН
В настоящее время в отечественной энергетике создаются и вводятся в эксплуатацию турбо- и гидрогенераторы большой единичной мощности. С ростом мощности синхронных генераторов увеличиваются их индуктивные сопротивления и уменьшаются постоянные инерции генераторов, т. е. ухудшаются условия обеспечения устойчивости параллельной работы их в энергосистеме. С увеличением единичной мощности генераторов соответственно увеличивается и мощность возбуждения. Выполнять для мощных генераторов электромашинные возбудители постоянного тока, удовлетворяющие современным требованиям, не представляется возможным. Поэтому в настоящее время получили широкое распространение вентильные системы возбуждения, т. е. такие системы, где переменный ток преобразуется в постоянный с помощью управляемых или неуправляемых выпрямителей на ртутных или кремниевых вентилях. Применение высоконадежных быстродействующих систем возбуждения с автоматическим регулятором возбуждения сильного действия позволяет обеспечивать устойчивость параллельной работы генераторов при ухудшении динамических параметров энергосистемы.
Внедрение вентильных систем возбуждения в нашей стране началось на крупных гидростанциях, связанных с энергосистемой линиями электропередачи большой протяженности.
В таких условиях вопросы устойчивости приобретают особую остроту. Например, расчеты показали, что для обеспечения устойчивой работы гидрогенераторов Волжской ГЭС им. В. И. Ленина необходимо обеспечить практически мгновенно четырехкратную форсировку по напряжению возбуждения. Для возбуждения гидрогенераторов этой станции была разработана, всесторонне испытана и внедрена в эксплуатацию вентильная система возбуждения с АРВ сильного действия. Опыт эксплуатации этой системы позволил перейти к широкому внедрению вентильных систем на гидрогенераторах большой мощности. Вентильные системы, работающие на крупных гидростанциях, можно разделить на два типа: системы независимого возбуждения и системы самовозбуждения с последовательными трансформаторами. В качестве вентилей в системах возбуждения сначала применялись ртутные вентили с непрерывной и периодической откачкой, а также запаянные ртутные вентили. В настоящее время принято решение о замене ртутных вентилей систем возбуждения на тиристоры. А вновь вводимые системы возбуждения проектируются на тиристорах.
Для гидрогенераторов средней мощности применяется система силового фазового компаундирования, выполненная на кремниевых неуправляемых вентилях. Для ГЭС средней мощности не предъявляется высоких требований к быстродействию и кратности форсировки возбуждения. В этих условиях система силового фазового компаундирования способна конкурировать с машинной системой возбуждения.
Для гидрогенераторов малой мощности наметилась тенденция широкого внедрения простейших вентильных систем возбуждения и вытеснения возбудителей постоянного тока.
За последние 10—15 лет быстрыми темпами развивается вентильное возбуждение турбогенераторов. Для турбогенераторов мощностью 200—300 МВт получили наибольшее распространение две системы возбуждения:
высокочастотная система возбуждения на неуправляемых кремниевых вентилях, где источником питания выпрямителя является индукторный генератор 500 Гц, расположенный на одном валу с главным генератором;
система самовозбуждения на управляемых ртутных вентилях, где источником питания выпрямителя являются два трансформатора (параллельный и последовательный). Для возбуждения головных образцов турбогенераторов 500 и 800 МВт разработаны системы независимого ионного возбуждения со вспомогательным генератором 50 Гц, расположенным на одном валу с главным генератором. В настоящее время для этих турбогенераторов разработаны системы возбуждения на тиристорах. Прекращено проектирование высокочастотных систем возбуждения. Сейчас для возбуждения турбогенераторов внедряются в эксплуатацию бесщеточные системы возбуждения на кремниевых неуправляемых и управляемых вентилях. Источником питания выпрямителей в этих системах является индукторный генератор обращенного типа. Внедрение этих систем объясняется следующим обстоятельством.
Существенной проблемой в разработке конструкций мощных турбогенераторов является обеспечение надежной работы контактных колец и щеточного аппарата. Поскольку с ростом мощности возбуждения напряжение возбуждения практически не увеличивается (из-за изоляции обмотки возбуждения), ток возбуждения мощных турбогенераторов в номинальном режиме достигает весьма больших значений: 5000—10000 А. Выполнение щеточного аппарата на такие токи встречает большие трудности. В бесщеточных системах возбуждения этих трудностей нет. Однако появляются трудности в обеспечении быстродействия системы возбуждения, в измерении тока ротора, в сигнализации срабатывания предохранителей и т. д. Учитывая эти обстоятельства, а также зарубежный опыт эксплуатации бесщеточных систем возбуждения, следует считать актуальными работы в области усовершенствования контактных колец и щеточного аппарата, и работы по созданию нового типа токосъема. Успехи в этой области позволят применять для сверхмощных турбогенераторов независимые вентильные системы возбуждения на тиристорах, поскольку они обладают наилучшими эксплуатационными характеристиками.
Широко внедряются вентильные системы возбуждения и на синхронных компенсаторах (в основном по схеме самовозбуждения без последовательных трансформаторов). С ростом и объединением энергосистем увеличились суточные и сезонные колебания напряжения в узловых точках системы.
Поддержание напряжения в них на необходимом уровне возможно при наличии у синхронных компенсаторов быстродействующих систем возбуждения с АРВ сильного действия. При этом часто требуется не только выдача, но и потребление реактивной мощности. Эту задачу наилучшим образом выполняют синхронные компенсаторы со знакопеременным возбуждением. Система прошла промышленные испытания и находится в эксплуатации. При отрицательном токе возбуждения имеется возможность существенно увеличить мощность, потребляемую синхронным компенсатором.
Мощные синхронные компенсаторы выполняются с водородным охлаждением, в среде которого щетки подвергаются повышенному износу. Поэтому оправдано применение бесщеточной системы возбуждения и для синхронных компенсаторов. В промышленной эксплуатации находится синхронный компенсатор 50 Мвар с бесщеточной системой возбуждения.
Эффективность управляемых вентильных систем возбуждения в полной мере проявляется лишь при совместной работе с автоматическим регулятором возбуждения сильного действия и малоинерционными системами управления вентилей.
До недавнего времени АРВ сильного действия разрабатывались отдельно для турбогенераторов различной мощности, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов. В настоящее время осуществляется переход на унифицированный регулятор АРВ-СД. Регулирование возбуждения генераторов с неуправляемыми вентилями производится с помощью различных АРВ пропорционального типа. Для бесщеточных систем возбуждения разрабатываются специальные регуляторы.
Из систем управления вентилями наиболее отработанной конструктивно и надежной в эксплуатации является полупроводниковая система типа ССУП, которая применяется как для ртутных, так и с небольшими изменениями для кремниевых вентилей. Ведутся также разработки и других систем управления.
Дальнейшее развитие вентильных систем возбуждения будет определяться качеством кремниевых вентилей с высокими параметрами по току и напряжению, совершенствованием отдельных узлов АРВ и систем управления вентилями.
