Работни режими на хидрогенератори

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 5, 2011

Възможности на хидрогенераторите, инсталирани в българската ЕЕС, да работят при режими на превъзбуждане и недовъзбуждане при възстановяване на системата след тежки аварии

Преобладаващата част от хидрогенераторите в българската електроенергийна система (ЕЕС) са проектирани и произведени през 60-те и 70-те години на миналия век. За тях, с изключение на хидроагрегатите на ПАВЕЦ Чаира, няма заводски P-Q диаграми, които да регламентират възможността им да работят при номинален активен товар в режим на недовъзбуждане. Това силно ограничава възможностите за регулиране на напрежението в отделни възлови точки на ЕЕС, а така също възстановяването на системата след тежки аварии. След присъединяването на българската ЕЕС към UCTE (Union for the Coordination of Transmission of Electricity) бяха поставени строги изисквания за регулиране на напрежението, съответно на генерираната в ЕЕС реактивна мощност и особено за бързо възстановяване на системата след тежки аварии. В изпълнение на тези изисквания беше извършена пълна реконструкция на възловите ВЕЦ, включваща цялостна рехабилитация на хидрогенераторите и работните колела на турбините, както и замяна на системите за управление с нови от последно поколение цифрови системи за автоматично управление.

За да се използват възможностите на новите системи за управление и да се удовлетворят изцяло изискванията на UCTE, се наложи провеждане на изследване на работещите в нашата ЕЕС хидрогенератори. Най-тежкият авариен режим е частично или пълно разпадане на ЕЕС, при което за възстановяване на нормалното функциониране на системата е необходимо отделни участъци от нея да работят в режим на „остров” или „коридор”. В тези случаи участъците се захранват от хидрогенераторите на възловите ВЕЦ, като след това се включват в паралел към останалата част от ЕЕС. Проблемът е, че при работа в режим на „остров” или „коридор” електропроводът в отделения участък от ЕЕС генерира значителна индуктивна мощност, която води до недопустимо нарастване на напрежението. За да се овладее тази реактивна мощност, е необходимо хидрогенераторите, захранващи този участък, да работят в режим на недовъзбуждане. Подобна ситуация възниква и когато товарите на ЕЕС са предимно активни, т. е. консумацията на индуктивна мощност е малка. Като се вземе предвид силно развитата електропреносна мрежа у нас, която генерира значителна индуктивна мощност и се отчете, че сега преобладават активни товари, може да се наложи и в режим на нормална работа на ЕЕС някои генератори да работят в режим на недовъзбуждане. Преди 20 години, поради преобладаващата консумация на индуктивна енергия от многобройните работещи асинхронни двигатели, този проблем не съществуваше, напротив, всички генератори работеха при максимално възбуждане и въпреки това имаше недостиг на индуктивна енергия, поради което напрежението в отделни точки на системата беше по-ниско от номиналното.

Постановка на проблема

Както е известно, в зоната на крайните пакети на статорния магнитопровод на синхронните генератори възникват значителни магнитни потоци на разсейване. Те се затварят челно към зъбите на крайните статорни пакети и предизвикват значителни загуби, водещи до чувствително нарастване на температурата им. Този проблем е особено остър при турбогенераторите и по отношение на тях е извършена голяма изследователска работа, разработени са редица конструктивни решения, водещи до отслабване и до екраниране на потоците на челно разсейване. При хидрогенераторите се счита, че проблемът не е така остър и в тази насока изследванията са значително по-малко. Съвременните генератори се проектират така, че да се ограничат потоците на челно разсейване и да се отслаби ефектът от повишеното загряване на зъбите на крайните пакети. По отношение на конструкцията на работещите у нас хидрогенератори беше проведен анализ, от който се установи значително разнообразие в конструкцията на зоната на крайните пакети: от конструкции с максимално ограничаване на ефекта на потоците на челно разсейване до конструкции с практически пренебрегване на проблема и с високо загряване на зъбите на крайните пакети. Това наложи да се извърши теоретичен анализ на конструкциите и да се разработи методика за определяне на температурата на загряване на зъбите на крайните пакети при различни режими на работа на хидрогенераторите.

Хидрогенераторите в основните български ВЕЦ може да се разделят на няколко групи, в зависимост от завода и страната-производител: заводи от бившия Съветски съюз (сега в Русия и Украйна); заводи в бивша Чехословакия (сега Чешка република); завод на компанията Siemens Schuckert Werke - Австрия; завод Васил Коларов, сега ЕЛПРОМ - ЗЕМ, България.

По отношение на зоната на крайните пакети различните производители имат различен подход. Различията основно се свеждат до конструкцията на крайните пакети от страна на въздушната междина, тяхната дебелина, конструкцията на полюса и в частност на притискащата магнитна щека.

Конструкция на крайните пакети на статорния магнитопровод

На фиг. 1 са показани типичните конструкции на крайните пакети, използвани в работещите у нас хидрогенератори. На фиг. 1.а) е дадена конструкция със стъпаловидно оформяне на крайния пакет, като въздушната междина нараства при преминаване към челната зона. Размерът на стъпалата, както е показано, като правило е 6 mm. Това е едно от ефикасните средства за намаляване на разсейването в зоната на крайните пакети. На фиг. 1.б) е показана конструкция без стъпаловидно оформяне на крайния пакет, като въздушната междина до края на пакета остава равномерна. В този случай разсейването в зоната на крайния пакет е значително по-силно изразено.

По отношение на дебелината на крайните пакети в повечето конструкции се приема те да са по-тесни от вътрешните пакети, като само в някои конструкции те са с дебелина равна или по-голяма от дебелината на вътрешните пакети. Очевидно, намаляването на дебелината на крайните пакети води до по-добро охлаждане и намаляване на загряването им поради увеличените загуби в тях.

Конструкция на полюса и полюсния накрайник

Типичната конструкция на полюса на хидрогенераторите (фиг. 1 и 2) включва тяло на полюса, набрано от листова стомана с дебелина 1 до 2 mm и притискащи щеки от двете страни на полюса, изработени от магнитна стомана с висока якост, които осигуряват механична устойчивост на полюса, участват в провеждане на основния магнитен поток и поемат с издадената си в аксиална посока част механичните усилилия, предизвикани от центробежните сили върху челните части на полюсните бобини. Обикновено, тялото на полюса, заедно с частта от щеката, която е обхваната от полюсната бобина е с дължина равна на дължината на статорния магнитопровод. Частта от щеката, която укрепва челната част на полюсните бобини е извън статорния магнитопровод и осигурява път с висока магнитна проводимост, по който се затваря магнитният поток на челно разсейване (фиг. 1). По повърхността на тази част на щеката, която е извън статорния магнитопровод в някои конструкции се фрезоват канали (прорези), които удължават пътя на потоците на челно разсейване и ги отслабват.

По отношение на конструкцията на зоната на крайните пакети инсталираните в българските ВЕЦ хидрогенератори може да се разделят на три групи:

Хидрогенератори, конструирани с максимално отчитане на изискванията за отслабване на ефекта от потоците на челно разсейване. Към тази група се отнасят генераторите ХГ1, 2, 3 и 4 на ВЕЦ „Пещера”, произведени от Siemens Schuckert Werke - Австрия. Крайните им пакети са изпълнени по конструкцията от фиг. 1 а) и са по-тесни от средните пакети, полюсите на ротора, заедно с изпъкналата част на щеките са изпълнени с дължина равна на дължината на статорния пакет. По този начин крайните пакети се разтоварват от аксиалната съставка на основния магнитен поток и максимално се ограничава потокът на разсейване в зоната на крайните пакети.

Хидрогенератори, конструирани с частично отчитане на изискванията за отслабване на ефекта от потоците на челно разсейване. Към тази група могат да се отнесат повечето от генераторите, произведени в заводи от бившия Съветски съюз (сега в Русия и Украйна), заводите на Skoda в бивша Чехословакия и завод Васил Коларов, сега ЕЛПРОМ - ЗЕМ, България. Крайните им пакети са изпълнени по конструкцията от фиг. 1 а) и в повечето от генераторите са по-тесни от вътрешните пакети, телата на полюсите на ротора в повечето от генераторите са изпълнени с дължина равна на дължината на статорния пакет, като изпъкналата част на щеките излиза извън статорния пакет. При тези генератори аксиалната съставка на основния магнитен поток не се отслабва и само частично се ограничава потокът на разсейване в зоната на крайните пакети.

Хидрогенератори, конструирани без отчитане на изискванията за отслабване на ефекта от потоците на челно разсейване. Към тази група могат да се отнесат генераторите ХГ5 на ВЕЦ Пещера, ХГ 1, 2 и 3 на ВЕЦ Алеко, произведени от заводите на ЧКД в бивша Чехословакия (сега Чешка република). Крайните им пакети са изпълнени по конструкцията от фиг. 1 б) и са по-широки от средните пакети, телата на полюсите на ротора в повечето от генераторите са изпълнени с дължина равна на дължината на статорния пакет, като изпъкналата част на щеките излиза извън статорния пакет. При тези генератори аксиалната съставка на основния магнитен поток не се отслабва, не се ограничава потокът на разсейване в зоната на крайните пакети и се влошава охлаждането им.

Теоретично изследване

Теоретичното изследване на магнитното поле в зоната на крайните пакети е извършено на базата на разработени модели с използване на метода на крайните елементи в средата на FEMM. Използват се 2D модели, които позволяват с достатъчно висока точност и с използване на достъпен софтуер и хардуер да се направят анализи на различните конструкции на челната зона на изследваните хидрогенератори.

В числено изследване на аксиалната съставка на полето на разсейване в зоната на крайните пакети на статорния магнитопровод на синхронни хидрогенератори е разработен метод за намиране на магнитната индукция във въздушната междина на изследвания хидрогенератор, без отчитане на действието на реакцията на тока на котвата (р. т. к.). В изследване на аксиалната и радиалната съставка на магнитното поле в зоната на крайните статорни пакети на СХГ, моделът е допълнен с отчитане на р.т.к. За съставяне на 2D модел на ХГ за намиране на кривата на пространствено разпределение на магнитната индукция във въздушната междина с отчитане действието на р.т.к. е необходимо да се знае геометрията на статорния и роторния магнитопровод и схемата на намотката на ХГ, както и надлъжния xd и напречния xq синхронни реактанси. При разглеждането обикновено се взема моментът от време, при който IA е максимален, а IB и IC са равни на 0,5 от ефективната стойност на тока. За определяне на пространственото разположение на ротора спрямо статорната намотка, в момента от време за който се задават токовете, се определя ъгълът y (ъгълът на дефазиране на тока спрямо е.д.н. E0 ). По-нататък построяването на модела продължава с начертаване на напречната геометрия на хидрогенератора по размерите от конструктивната документация с разполагане в каналите на активните страни на секциите на статорната намотка. Съобразно схемата на намотката и избрания момент от време се задават знакът и големината на тока в активните страни на намотката. При празен ход токовете в статорната намотка са нула, а роторът е ориентиран така, че оста d на роторните полюси e на ъгъл p/2 електрически градуси от оста на фаза А. При натоварване оста d на роторните полюси е изместена по посока на въртене на ротора на геометричен ъгъл (p/2 + y)/р спрямо оста на фаза А.

В 2D модела, показан на фиг. 3, действителният статорен и роторен ток се представят като токова плътност, която се задава в площ приблизително съответстваща на сечението на активната част на един статорен проводник, разположен в канала. Така пълният ток на един слой от канала има същата стойност, както пълния ток в действителната машина. На базата на зададената площ и пълния ток, при които са направени изчисленията, се намира токовата плътност, задавана в моделите. По аналогичен начин се задава токът във възбудителната намотка, като пълният ток в сечението на намотката е равен на произведението от възбудителния ток при зададения режим на натоварване умножен по броя на навивките на една полюсна бобина. На базата на така съставения модел се намира картината на полето и се построява магнитната индукция във въздушната междина при съответния товар за разглеждания момент от време. Отчитането на магнитната индукция става по контур, разположен върху дъга от окръжност, преминаваща през средата на въздушната междина - еднакво отдалечена от статора (вътрешния диаметър) и ротора (външния диаметър). Изследванията се провеждат обикновено за най-характерните режими на натоварване. Като правило, мощните хидрогенератори работят при натоварване с номинална активна мощност и реактивна мощност от номинална индуктивна до максимално допустима капацитивна.

Номиналната индуктивна мощност на ХГ по правило е зададена от завода-производител, докато максимално допустимата капацитивна мощност при съвременните ХГ се задава с P-Q диаграма, а при по-старите ХГ не се регламентира. Нейната големина може да се определи от изискването за запазване на статичната и динамична устойчивост на ХГ, но трябва да се провери загряването на крайните статорни пакети.

На фиг. 4 е дадена кривата на пространствено разпределение на магнитната индукция във въздушната междина при един от граничните режими на натоварване, в случая номинална активна и максимална капацитивна мощност. Такива криви се строят за всички изследвани режими, като от тях се определя максималната магнитна индукция във въздушната междина срещу статорния зъб, разположен по оста d на генератора.

Доц. д-р инж. Димитър Кирилов Сотиров, катедра Електрически машини, ТУ - София.

Статията продължава в следващ брой на сп. Енерджи ревю.

Operating modes of hydro generators

The article presents a study on the capabilities of the hydro generators installed in the Bulgarian electro power system (BES) to operate in over excited and under excited modes during the recovery process of the system after a major breakdowns, according to the requirements for voltage regulation and quick recovery of the system after major breakdowns regulated by UCTE (Union for the Coordination of Transmission of Electricity).



Ключови думи: хидрогенератори, ВЕЦ, ЕЕС




Top