Одной из важнейших проблем в электроэнергетике является возможность обеспечения регулирования реактивной мощности в электрической сети.
Наряду с режимами, требующими выдачу генератором реактивной мощности, возможны режимы с необходимым ее потреблением, как пример:
- при передаче электроэнергии по длинным линиям,
- при преобразовании местных сетей электроснабжения с воздушных линий на кабельные,
- при существующем периодическом изменении во времени потребляемой из сети активной мощности
- с целью уменьшения тепловых нагрузок элементов торцевой зоны параллельно работающих синхронных турбогенераторов.
Опыт эксплуатации отмечает избыточный объем реактивной мощности в линиях передач 500 кВ, скомпенсированной в энергосистемах России в среднем на 42%; в линиях
передач 330 и 220 кВ избыточная реактивная мощность вообще не компенсируется.
Удобным средством устранения этой проблемы является установка в узлах сети электромашинных компенсаторов реактивной мощности, обеспечивающих регулирование
реактивной мощности в широких пределах. В отличие от статических компенсаторов, построенных на базе современной силовой электроники, электромашинные не вносят искажений в кривые токов и напряжений системы, а также улучшают протекание динамических процессов в сети благодаря влиянию вращающихся масс компенсатора. Электромашинные компенсаторы позволяют кратковременно увеличить до двукратного номинального значения производство реактивной мощности в динамических режимах при высоком быстродействии изменения этой мощности. Номинальная мощность синхронного компенсатора определяется величиной максимально возможной реактивной мощности, длительно выдаваемой компенсатором. При этом предельное значение потребляемой реактивной мощности для компенсаторов явнополюсного исполнения при отсутствии возможности отрицательного возбуждения составляет около 50% от выдаваемой компенсатором реактивной мощности и не превышает 80–85% выдаваемой мощности при наличии в компенсаторе системы с отрицательным возбуждением. У синхронных компенсаторов неявнополюсного 2 исполнения эти соотношения еще меньше. Поэтому до настоящего времени практическое применение нашли именно явнополюсные синхронные компенсаторы. Применение к электромашинным компенсаторам современных принципов асинхронизированного управления синхронными машинами позволяет обеспечить работу компенсатора в его неявнополюсном исполнении при равенстве предельных значений выдаваемой и потребляемой реактивной мощности; для этого компенсатор должен выполняться в асинхронизированном варианте. Асинхронизированные компенсаторы (АСК) отличаются от синхронных наличием дополнительной обмотки возбуждения по поперечной оси ротора; при этом для АСК неявнополюсного исполнения магнитодвижущая сила (МДС) этой обмотки может быть выполнена существенно меньшей, чем МДС основной обмотки возбуждения. Из работ ОАО «ВНИИЭ» следует, что при соответствующем регулировании возбуждения АСК для обмотки по поперечной оси ротора МДС может не превышать 6% от МДС основной обмотки. В выполненных на «Электросиле» работах по проектированию АСК мощностью 100 Мвар поперечная обмотка возбуждения рассчитывалась на МДС, обеспечивающую 6% МДС продольной обмотки возбуждения. Кратковременная форсировка тока в поперечной обмотке позволяет поднять в 2 раза эффективность работы этой обмотки, что обеспечивает высокий уровень динамической устойчивости АСК по сравнению с синхронным компенсатором. Разработанные проекты предусматривают полное воздушное охлаждение АСК в отличие от выпущенных явнополюсных синхронных компенсаторов аналогичной мощности, использующих систему водородного охлаждения.
Функции компенсаторов
- Нормализация величины напряжения в электрических сетях в статических и динамических режимах.
- Увеличение пропускной способности отдельных линий электропередачи, межсистемных и межгосударственных электропередач большой протяженности.
- Целенаправленная коррекция потоков мощности по цепям напряжения различного класса в многоконтурных электрических сетях с целью достижения определенного
технического или коммерческого эффекта.
- Снижение потерь мощности в распределительных и системообразующих электрических сетях.
- Повышение устойчивости электроэнергетической системы.
Основные характеристики асинхронизированных компенсаторов
- Повышение диапазона регулирования потребляемой реактивной мощности до номинального значения мощности компенсатора.
- Кратковременная двукратная по отношению к номинальной мощности выдача (или потребление) реактивной мощности в электрическую сеть в динамических режимах;
- Высокое быстродействие при регулирования реактивной мощности (напряжения), что улучшает характер протекания переходных процессов в системе.
Далее описывается выполненная разработка асинхронизированных компенсаторов неявнополюсного исполнения мощностью 100 Мвар, обладающая указанными преимуществами над аналогичными синхронными компенсаторами. АСК выполнены по типу турбогенератора с горизонтальным исполнением оси ротора и частоте вращения ротора 1500 оборотов в минуту. Номинальное линейное напряжение обмоток статора 20 кВ при возможной работе компенсатора с повышением напряжения в узле подключения в систему до 24 кВ. В приложениях 1 и 2 даны таблица параметров разработанного АСК мощностью 100 Мвар, а также его габаритные размеры. Компенсатор намечен к вводу в эксплуатацию в 2008 году. В настоящее время ведется разработка проектов асинхронизированных компенсаторов мощностью 50 и 160 Мвар. Рассмотрим конструкцию основных узлов разработанного АСК.
Статор
Статор компенсатора состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Корпус статора имеет сварную конструкцию. Сердечник статора собран из листов электротехнической стали толщиной 0.5 мм. Поверхность сегментов листов стали покрыта изоляционным лаком класса F. Вдоль оси сердечника статора листы стали скомпонованы в пакеты, между которыми имеются вентиляционные каналы для подачи охлаждающего воздуха. Спрессованный сердечник статора стягивается изолированными шпильками и немагнитными нажимными кольцами. Для демпфирования магнитных потоков рассеяния лобовых частей обмотки статора под нажимными кольцами установлены медные экраны и магнитные шунты из электротехнической стали. Обмотка статора – трехфазная, двухслойная с укороченным шагом. Фазы обмоток соединены в звезду. Изоляция обмотки термореактивная класса F типа «Элмикатерм» из предварительно пропитанных лент, полученная методом гидростатической опрессовки. Обмотка зафиксирована в радиальном направлении клиньями из стеклотекстолита. Крепление лобовых частей выполнено с помощью шнура с использованием системы кронштейнов и колец.
Ротор
Вал ротора изготовлен из цельной поковки высокопрочной специальной стали по типу ротора турбогенератора при числе пар полюсов, равным двум. Основная (продольная) обмотка возбуждения аналогична обмотке возбуждения турбогенератора и расположена на роторе в глубоких одинаковых пазах. В каждом большом зубе ротора выполнены короткие пазы, в которых размещена дополнительная (управляющая) обмотка возбуждения с малым числом витков. При должном изменении токов двух роторных обмоток осуществляется возможность векторного регулирования амплитуды и фазы напряжения в заданном узле подключения в электрическую систему, что позволяет обеспечить выполнение вышеуказанных свойств асинхронизированных компенсаторов. Питание обмоток ротора осуществляется от внешних источников через четыре контактных кольца, к которым подведены выводы установленных на роторе обмоток. Питание обмоток проводится от внешних источников, осуществляющих энергетическое питание и обеспечивающие регулирование тока в обмотках возбуждения в соответствии с алгоритмом управления режимов. Охлаждение обмоток возбуждения проводится косвенно – пазовые части охлаждаются воздухом при помощи шлицов и радиальных каналов в зубцах ротора, лобовые части – при помощи вентиляционных каналов, выполненных в изоляционных распорках между катушками. Пазовая и межвитковая изоляция класса F выполнена из стеклотекстолита на термореактивном связующем. Токоподводы ротора располагаются в центральном отверстии и соединяются с обмоткой с помощью гибких шин и токоведущих болтов. Бандажный узел выполнен в однопосадочной конструкции. Бандажи изготовлены из немагнитного коррозионостойкого материала. Лобовые части обмотки ротора изолированы от бандажного и центрирующего кольца с помощью стеклотекстолитовых сегментов.
Лабиринтные уплотнения вала
Конструкция лабиринтных уплотнений вала исключает перетоки воздуха между внутренним пространством компенсатора и внешней средой. Уплотнения представляют
собой размещённую на специальной стойке стальную втулку, на внутренней 5 цилиндрической поверхности которой в кольцевых проточках закреплены латунные сегменты с заострёнными кромками, максимально приближенными к вращающемуся валу. Для удобства сборки уплотнение имеет горизонтальный и вертикальный разъёмы.
Опорные подшипники
Для компенсатора поставляются два опорных подшипника. Подшипники компенсатора – стоякового типа с шаровым самоустанавливающимся вкладышем. Смазка подшипников принудительная. Масло подается под избыточным давлением из внешнего напорного маслопровода. Для устранения подшипниковых токов предусмотрена изоляция одного из подшипников от фундамента и от всех маслопроводов.
Система охлаждения компенсатора
Компенсаторы изготавливаются в климатическом исполнении УХЛ4. По требованию заказчика система охлаждения АСК может быть разработана как замкнутая (при соответствующих климатических условиях с размещенными на статоре водо-воздушными охладителями, использующими техническую воду), так и разомкнутая. При разомкнутой системе охлаждающий воздух под действием вентиляторов ротора по воздуховодам через фильтры (либо воздухоохладительное устройство) попадает в концевые части и отводится из средней части корпуса статора АСК. Непосредственно у компенсатора входы и выходы воздуховодов соединены байпасами, обеспечивающими переток части воздуха по замкнутому циклу. В режиме пуска компенсатора воздух циркулирует по замкнутому контуру через байпасы. По мере прогревания (в зимнее время года) часть холодного воздуха забирается из входа воздуховодов и к нему подмешивается доля горячего воздуха из генераторов. В компенсаторе применяется одноструйная нагнетательная система вентиляции. Циркуляция охлаждающего воздуха обеспечивается двумя осевыми вентиляторами, расположенными по обе стороны бочки ротора, и самонапорным действием ротора. Охлаждающий воздух после вентиляторов, двигаясь в осевом направлении, разделяется на несколько воздушных потоков. Один поток направляется в зазор между статором и ротором, и далее из зазора по радиальным вентиляционным каналам сердечника статора поступает на периферию сердечника статора. Основная часть второго воздушного потока, предназначенная для охлаждения пазовой части обмотки ротора, подается в подпазовые каналы и в шлицы в зубцах ротора.6 Воздушный поток из подпазовых каналов по радиальным каналам, выполненным в зубцах средней части ротора, поступает в воздушный зазор компенсатора. Воздушный поток из шлицов, выполненных в зубцах крайних частей ротора, направляется также в воздушный зазор. Меньшая часть второго воздушного потока ответвляется для охлаждения лобовых частей обмотки ротора и направляется в зазор компенсатора. Второй поток в зазоре смешивается с первым. Третий наименьший воздушный поток омывает лобовые части обмотки статора и поступает на периферию сердечника статора.
Системы возбуждения и автоматического пуска компенсатора
Система возбуждения компенсатора – быстродействующая двухканальная. Каждый канал содержит реверсивный по току тиристорный преобразователь и цифровой автоматический регулятор возбуждения. Питание обмоток обеспечивается внешними источниками, подключенными через контактные кольца. Системы возбуждения и автоматического пуска компенсатора, работая совместно, осуществляют питание обмоток АСК в режимах автоматического пуска от тиристорного пускового устройства из неподвижного состояния ротора в рабочий режим с включением в энергосистему. Во всех рабочих режимах, определенных Техническими требованиями, система возбуждения обеспечивает подачу токов возбуждения, включая режимы форсировок напряжения возбуждения и развозбуждения с возможностью реверса токов в обмотках при динамических возмущениях в электросистеме. Работой систем возбуждения и пуска управляет автоматический регулятор системы возбуждения, обеспечивающий пусковые и рабочие режимы АСК.
Система контроля компенсатора и средств его обеспечения
(по требованию заказчика)
Система контроля состояния компенсатора и средств его обеспечения предназначена для непрерывного автоматизированного наблюдения за состоянием и регистрацией всех основных параметров- электрических, энергетических, теплового состояния, давлений и расходов масла и технической воды (при ее использовании), а также влажности воздуха внутри компенсатора. Обеспечена сигнализация о выходах параметров за пределы уставок и информирование о состоянии оборудования. Термопреобразователи сопротивления, установленные внутри корпуса компенсатора, работают в зоне сильных магнитных полей, поэтому данная система 7 укомплектована специализированными помехозащищенными модулями контроля температуры. Поставка первичных преобразователей и аппаратуры для измерения вибрации подшипников компенсатора, входящей в систему контроля состояния валопровода, оговаривается заказчиком.
Выводы
1. На основе новых разработок электрических машин двойного питания выполнен проект и завершается изготовление асинхронизированных компенсаторов мощностью 100 Мвар с полным воздушным охлаждением. Компенсаторы должны быть сданы в эксплуатацию в 2008 году. Внедрение этих разработок в требуемых узлах энергосистемы устранит избыток или дефицит реактивной мощности, обеспечив стабилизацию напряжения, улучшит протекание динамических режимов в соответствующих узлах электрической системы.
2. Основные преимущества асинхронизированных компенсаторов над синхронными:
- повышение диапазона регулирования потребляемой реактивной мощности
-кратковременная двукратная по отношению к номинальной мощности выдача (или потребление) реактивной мощности в электрическую сеть в динамических режимах;
- высокое быстродействие при регулировании реактивной мощности (напряжения), что улучшает характер протекания переходных процессов в системе.
3. Предпочтительная область применения асинхронизированных компенсаторов:
- подстанции, электрически удаленные от крупных электростанций, где возникает задача нормализации уровней напряжения и компенсации реактивной мощности;
- подстанции в промежуточных узлах протяженных линий электропередач, где возникает задача повышения пропускной способности и обеспечения высокого уровня динамической устойчивости;
- подстанции, обеспечивающие электропитание объектов с резкопеременной нагрузкой при необходимости улучшения качества протекания динамических режимов.
4. Опыт работы Филиала ОАО «Силовые машины» «Электросила» в Санкт- Петербурге по производству асинхронизированных турбогенераторов Т3ФА- 110 и Т3ФАУ-160 показывает возможность проиэводства на «Электросиле» асинхронизированных компенсаторов, обладающих улучшенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с явнополюсными синхронными компенсаторами.
Подготовлено по материалам международной конференции RUSSIA POWER 2008
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Расчетные параметры асинхронизированных неявнополюсных компенсаторов номинальной мощностью 100 Мвар
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
