ГЛАВА 3
УСТРОЙСТВО И ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ
§ 7. Устройство и оборудование электрических станций
Основное оборудование сельских электрических станций.
Тепловые электростанции, обслуживающие сельскохозяйственных потребителей, отличаются от крупных ТЭС, отдающих выработанную электроэнергию в энергосистему. Сельские тепловые станции имеют меньшую установленную мощность (до 5—6 тыс. кВт), а следовательно, и выработку электроэнергии, их потребители расположены на небольшом расстоянии т станции. Удельная стоимость 1 кВт установленной мощности таких станций выше, чем крупных ТЭС, работающих в энергосистемах.
К основному оборудованию тепловых электрических станций относятся первичные тепловые двигатели, соединенные с ними электрические генераторы и силовые трансформаторы для повышения генераторного напряжения. В состав станции входит также различное вспомогательное оборудование, необходимое для обеспечения непрерывного технологического процесса по производству электроэнергии.
Сельские тепловые станции небольшой мощности работают на твердом, жидком и газообразном топливах. В зависимости от вида используемого топлива различают теплоэлектростанции паровые и с двигателями внутреннего сгорания. В качестве первичных двигателей на них применяются паросиловые установки, локомобили (в настоящее время их не выпускают, но они могут еще встретиться в эксплуатации), двигатели внутреннего сгорания и дизели.
Паросиловые установки являются наиболее удобными, так кад они мoгyт работать на местных видах топлива (сланцы, торф, дрова, солома и др.), а двигатели внутреннего сгорания и дизельные требуют привозного жидкого топлива, вспомогательных устройств для его хранения и раздачи. Быстроходная паросиловая установка (БПУ, или ЛПУ, — легкая паросиловая установка), кроме электроэнергии, может вырабатывать пар и горячую воду для животноводческих ферм. Эта установка имеет паровой котел с топкой и всеми вспомогательными устройствами, паровую машину и электрический генератор.
На стационарных газогенераторных установках применяют двигатели внутреннего сгорания. Генераторный газ вырабатывается в специальных устройствах (газогенераторах) за счет сжигания твердого топлива, главным образом, местных сортов. Охлаждающая вода в таких установках может быть использована для некоторых тепловых процессов сельскохозяйственного производства, например запарки кормов, обогрева теплиц и парников.
Лучшие показатели среди сельских тепловых станций небольшой мощности имеют дизельные (к. п. д. свыше 30%). Эти станции, так же как и паросиловые установки, сооружают как стационарные с установкой агрегатов на фундаментах в специальных помещениях. Электростанции с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания работают в качестве резервных или передвижных установок и предназначаются для временного электроснабжения отдельных объектов.
В качестве электрических генераторов на сельских тепловых стан» пнях используют синхронные генераторы с горизонтальным расположением вала в соединении с электромашинным возбудителем (генератором постоянного тока с параллельным возбуждением), питающим обмотку ротора. Возбудитель монтируют на общем валу с синхронным генератором.
Генераторы изготовляются на номинальное напряжение 230, 400, 6 300 и 10 500 В. Обмотки статора у низковольтных генераторов имеют нулевую точку, соединяемую с нулевым проводом питаемой электрической сети. Обмотки ротора, выполненного с явно выраженными полюсами, получают питание через кольца и щетки от электромашинного возбудителя постоянного тока. Выпрямители для этой цели используются реже. Генераторы мощностью до 250 кВА работают с числом оборотов 5Θ0, 600, 750 и 1000 в минуту или при наличии тихоходных паровых машин — при 250, 300 и 375 об/мин.
Основные технические данные синхронных генераторов типа СГ и С приведены в приложении 1. Если число оборотов вала первичного двигателя совпадает с числом оборотов генератора, их соединяют эластичными муфтами, а в противном случае — через ременную или клиноременную передачи.
Номинальной мощностью считается мощность генератора, которую он может развивать при номинальных напряжении, токе и коэффициенте мощности в течение длительного времени при температуре окружающего воздуха +35 С. При этом нагрев обмотки статора не должен превышать 100—120°, а обмотки ротора 105—145° С. При изменении условий охлаждения генератора его нагрузка может быть соответственно повышена или уменьшена. Повышать напряжение генераторов сверх 10% от номинального не допускается.
Основное оборудование гидроэлектростанций состоит из гидротурбин, гидрогенераторов, автоматических регуляторов скорости гидротурбин, силовых трансформаторов повысительной подстанции. Наиболее распространенными типами гидротурбин, используемых на сельских ГЭС, являются радиально-осевые (пропеллерные) турбины реактивного действия. Осевые турбины — поворотно-лопастные, позволяющие регулировать ее к. п. д. как с помощью направляющего аппарата, так и поворотом на некоторый угол лопаток рабочего колеса турбины. Быстроходные гидротурбины применяют при малых напорах воды, а тихоходные — при больших напорах.
Радиально-осевые гидротурбины имеют условное обозначение РО, поворотно-лопастные ПЛ, а пропеллерные — ПР. Гидрогенераторы размещаются на одном валу с турбиной и, как правило, выполнены с вертикальным валом. Генераторы с горизонтальным валом используются редко, только в сочетании с горизонтальными турбинами. Гидрогенераторы, так же как и генераторы ТЭС, имеют электромашинный возбудитель, связанный с генератором общим валом. Мощность возбудителя обычно составляет доли процента от мощности очень крупных генераторов и может доходить до нескольких процентов для генераторов малых сельских электростанций. На ГЭС применяют тихоходные гидрогенераторы с числом оборотов от 150 до 375—500 в минуту. Как правило, они сопрягаются с валами гидротурбин непосредственно, без промежуточных передач.
Схемы возбуждения генераторов.
На сельских электростанциях применяют независимую систему возбуждения синхронных генераторов. Эти системы следует выполнять с максимальной надежностью, так как прекращение возбуждения связано с немедленным отключением генератора от сети. Возбудители используют только для создания необходимого возбуждения генераторов; их подбирают так, чтобы они работали без перегрузки, поэтому в цепи возбуждения возбудителей установка предохранителей не принята.
Схемы возбуждения синхронных генераторов электростанций могут быть выполнены с использованием твердых механических выпрямителей, На сельских станциях нрн- mciihioi относительно просил· схемы возбуждении с возбудителями, сидящими ни одном валу с синхронным генератором и питающим обмотку ротора. Такая схема показана на рис. 18. На одном налу с синхронным генератором станции СГ укреплен возбудитель В (генератор постоянного тока с параллельным побуждением). В цени обмотки возбуждения возбудителя ОВ включен амперметр, контролирующий величину тока возбуждения и регулировочный шунтовой реостат Р Дли того чтобы снять побуждение генератора, надо полностью ввести сопротивление шунтового реостата В крайнем положении подвижной контакт реостата переходит на холостой контакт К и закорачивает обмотку возбуждения возбудителя ОВ, не допуская ее разрыва (напомним, что при размыкании цепи ОВ, обладающей большой индуктивностью, в ней возникает значительная по величине э. д. с., которая может вызвать пробой изоляции).
Постоянный ток со щеток возбудителя подается к обмотке возбуждения генератора (на рис. 18 не показано). Величина подаваемого напряжения постоянного тока контролируется вольтметром, включенным параллельно возбудителю В.
Электромашинные возбудители, изготовленные для генераторов сельских станций, имеют напряжение от 20 до 130 В, а их мощность составляет до 5% от мощности генератора.
Генераторы, мощностью выше 150 кВА, снабжаются дополнительными устройствами форсировки возбуждения, обеспечивающими быстрый подъем напряжения генератора после отключения коротких замыканий и используемых для повышения устойчивости параллельной работы генераторов.
При форсировке возбуждение генераторов поднимается за счет увеличения тока возбуждения до максимального значения, определяемого мощностью возбудителя. Для выполнения схемы форсировки возбуждения на выходе генератора устанавливают автоматические приборы — реле минимального напряжения. При снижении напряжения генератора, вследствие короткого замыкания в питаемой цепи, эти реле включают другой прибор — промежуточное реле, которое при срабатывании замыкает своими выходными контактами шунтовой реостат Р в цепи обмотки возбуждения возбудителя. В результате ток возбуждения генератора возрастает до предельного значения, и напряжение генератора резко увеличивается.
Рис. 19. Схема включения угольного регулятора напряжения:
I — столбик угольных шайб, 2 —пружина. 3 — трансформатор обратной связи, 4— двухполупериодный селеновый выпрямитель, 5— якорь, 6 — обмотка электромагнита регулятора
Для автоматического регулирования возбуждения небольших генераторов сельских станций используются простейшие угольные регуляторы напряжения типа РУН. Основным элементом такого регулятора является столбик угольных шайб 1 (рис. 19), изменяющий свое сопротивление в зависимости от силы сжатия шайб. Чем меньше сжаты шайбы, тем выше сопротивление столбика, и наоборот. Как видно из рисунка, столбик с угольными шайбами включен последовательно с шунтовым регулировочным реостатом в цепь обмотки возбуждения возбудителя ОВ. Регулятор имеет двухполупериодный селеновый выпрямитель 4, подключенный через установочное сопротивление R-2 к выводам генератора на напряжение 400 В. Выпрямленное напряжение подводится к обмотке 6 электромагнитного регулятора. Последний, притягивая якорь 5. ослабляет или усиливает сжатие угольного столбика 1. Когда напряжение на выводах генератора повышается, якорь электромагнита притягивает, шток угольного столбика, проходящий через отверстия шайб, перемещается вверх и ослабляет нажатие угольных шайб. Сопротивление столбика увеличивается, ток возбуждения в цепи ОВ уменьшается и напряжение генератора снижается.
При понижении напряжения генератора сверх допустимого якорь 5 оттягивается пружиной 2, шток перемещается вниз и сжимает угольные шайбы; их сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению тока в цепи ОВ возбудителя и, как следствие, к повышению напряжения генератора.
Угольные регуляторы обеспечивают стабилизацию выходного напряжения генератора в пределах ±2,5% во всем диапазоне изменения его нагрузки от нуля до номинальной. Устойчивость работы регулятора достигается соответствующим подбором величины сопротивления обратной связи R-3, включенного параллельно обмотке возбуждения генератора через трансформатор обратной связи 3.
Измерительный элемент регулятора выполнен на напряжение 230 или 115 В, поэтому его обычно подключают через трансформатор напряжения.
Автоматическое регулирование напряжения на сельских электрических станциях выполняется также с помощью компаундирования возбуждения генераторов. Схемы компаундирования обеспечивают подпитку обмотки возбуждения возбудителя выпрямленным током, поступающим от трансформаторов тока повышенной мощности, подключенных к цепи статора генератора. Трансформаторы тока питают вспомогательный трансформатор, к которому подключен селеновый выпрямитель. Через этот выпрямитель и осуществляется подпитка обмотки возбуждения возбудителя. Для генераторов мощностью до 60 кВА используют универсальные компаундирующие устройства типа УКУ-3М.
Компаундирующие устройства не имеют подвижных частей: они просты и надежны в работе. Если имеются компаундирующие устройства, то колебания напряжения на зажимах генераторов значительно уменьшаются. Однако компаундирующие устройства имеют недостатки, основные из которых — медленное восстановление напряжения после к. з. и возможность перегрузки одного из генераторов при параллельной работе. Чтобы устранить эти недостатки, компаундирующие устройства дополняют электромагнитными корректорами напряжения. На сельских станциях применяют компаундирующие устройства с электромагнитным корректором типов УБК-0 и УБК-1 для генераторов малой мощности, УБК-2 — для генераторов передвижных электростанций и УБК-3 — для генераторов большой мощности.
