Основное оборудование источников питания

Основным электротехническим оборудованием ТЭЦ и ПС являются:

генераторы ТЭЦ;

трансформаторы ТЭЦ и ПС;

распределительные устройства ТЭЦ и ПС.

Генераторы. В качестве генераторов на ТЭЦ используются трехфазные синхронные турбогенераторы. Это достаточно сложное оборудование, которое подробно рассматривается в других дисциплинах, в частности в курсе «Электромеханика». Поэтому ниже приведены лишь самые общие сведения о турбогенераторах.

Синхронные турбогенераторы для ТЭЦ выпускаются следующих мощностей: 6; 12; 20; 32; 60(63); 100; 120; 160; 200 МВт. Номинальные напряжения этих генераторов составляют 6,3; 10,5; 15,75; 18 кВ. Коэффициент мощности cosj =0,8-0,85, частота вращения 3000 об/мин.

Для генераторов установлены буквенно-цифровые обозначения, в которых последовательно (слева направо) приводится следующая информация:

Т – турбогенератор;

В – водородное охлаждение;

ВВ – водородно-водяное охлаждение;

Ф – охлаждение форсированное;

число – мощность, МВт;

число – количество полюсов.

По способу отвода тепла от обмоток статора и ротора различают косвенное и непосредственное охлаждение. При косвенном охлаждении газ (воздух или водород) подается в зазор между статором и ротором в вентиляционные каналы. При этом охлаждающий газ не соприкасается с проводниками обмоток статора и ротора, и тепло, выделяемое ими, передается газу через изоляцию обмоток.

При непосредственном охлаждении охлаждающее вещество (газ или вода) соприкасается непосредственно с проводниками обмоток генератора.

Быстроходность турбогенератора определяет особенность его конструкции. Эти генераторы выполняются с горизонтальным валом. Ротор турбогенератора, работающий при больших механических и тепловых нагрузках, изготавливается из цельной поковки специальной стали, обладающей высокими магнитными и механическими свойствами.

Ротор выполняется неявнополюсным. В активной части ротора, по которой проходит основной магнитный поток, фрезеруются пазы, заполняемые катушками обмотки возбуждения. На валу ротора устанавливаются вентиляторы, обеспечивающие циркуляцию охлаждающего газа.

Статор турбогенератора состоит из корпуса и сердечника. Корпус изготавливается сварным. Сердечник набирается из листов электротехнической стали. Листы набирают пакетами, между которыми оставляют вентиляционные каналы. В пазы сердечника укладывается трехфазная обмотка статора.

Обмотка ротора генератора получает питание от специального источника постоянного тока, называемого возбудителем. Мощность возбудителя составляет 0,3-1 % от мощности генератора. Электрическое соединение возбудителя с обмоткой ротора выполняется преимущественно при помощи контактных щеток и колец. Совокупность возбудителя и различных вспомогательных и регулирующих устройств называется системой возбуждения.

Трансформаторы. На ТЭЦ и ПС устанавливаются силовые трехфазные трансформаторы различной номинальной мощности и напряжения. Силовые трансформаторы выпускаются в соответствии с рядом номинальных мощностей, установленным ГОСТ 9680-77 (табл. 1.1). Из табл. 1.1 шаг шкалы номинальных мощностей трансформаторов составляет »1,6.

Т а б л и ц а 1.1

Типовая конструкция силового трансформатора показана на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Общий вид масляного трансформатора

Обмотки 1, наматываемые на магнитный сердечник 2, составляют активную часть. Обмотки изготавливаются из медных или алюминиевых изолированных проводников. Магнитный сердечник набирается из листов электротехнической стали. Активная часть погружена в стальной бак 3, заполненный трансформаторным маслом 4. Вводы к обмоткам высшего и низшего напряжения выполняются через изоляторы 5 и 6. Охлаждение масла осуществляется с помощью радиаторов 7. В нижней части бака предусматривается кран 8 для слива масла.

Расширитель 9, связанный с баком, воспринимает изменение объема масла при изменении его температуры. По указателю 10 проверяют уровень масла. Воздухоосушитель 11, связывающий расширитель с окружающим воздухом, защищает масло от увлажнения. С помощью термосифонного фильтра 12 осуществляется постоянная регенерация масла. Устройство регулирования напряжения под нагрузкой РПН обозначено позицией 13.

Газовое реле 14, устанавливаемое в патрубке между баком и расширителем, защищает трансформатор от внутренних повреждений, сопровождающихся газовыделением, например при витковых замыканиях в обмотке. Выхлопная труба 15 защищает бак от разрыва при очень интенсивном выделении газа во время крупных повреждений внутри трансформатора, например при междуфазном КЗ. В этом случае разрывается мембрана в верхней части трубы и происходит выброс масла из бака.

Для трансформаторов установлены буквенно-цифровые обозначения, в которых последовательно (слева направо) приводится следующая информация:

вид устройства (А - автотрансформатор, без обозначения - трансформатор);

число фаз (О - однофазный, Т - трехфазный);

наличие расщепленной обмотки низшего напряжения - Р;

С - охлаждение естественное воздушное (трансформатор сухой);

М - охлаждение естественное масляное;

Д - охлаждение естественное масляное с принудительной циркуляцией воздуха (с дутьем);

ДЦ - охлаждение с принудительной циркуляцией воздуха и принудительной циркуляцией масла.

число обмоток трансформатора (Т - трехобмоточный, без обозначения - двухобмоточный);

вид регулирования напряжения (Н - наличие устройства регулирования напряжения под нагрузкой РПН, без обозначения - наличие устройства регулирования напряжения при отключении трансформатора от сети - устройства переключения без возбуждения ПБВ).

исполнение (З - защищенное, Г - герметичное);

номинальная мощность, кВ.А;

класс напряжения первичной обмотки высшего напряжения, кВ.

В конструкции трансформаторов защищенного и герметичного исполнения расширитель отсутствует. Изменение объема масла при изменении его температуры воспринимается азотной подушкой в надмасленном пространстве бака трансформаторов защищенного исполнения и гофрированным баком герметичных трансформаторов.

Обмотка трансформатора со стороны питания называется первичной, со стороны потребителя - вторичной.

Изменение напряжения в трансформаторе происходит в соответствии с его коэффициентом трансформации. Этот коэффициент равен отношению числа витков первичной w₁ и вторичной w₂ обмоток или отношению напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора без нагрузки (при холостом ходе):

k_т = w₁/ w₂= U₁/U₂. (1.3)

Трехфазные трансформаторы имеют следующие схемы соединения обмоток:

звезда Y;

звезда с выведенной нейтралью ;

треугольник D.

Группой соединений обмоток трансформатора называется угловой сдвиг между одноименными векторами линейных напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора. Этот угловой сдвиг приводится к циферблату часов. Вектор напряжения обмотки высшего напряжения выполняет роль минутной стрелки и совмещается с цифрой 12 циферблата. Вектор напряжения обмотки низшего напряжения, выполняя роль часовой стрелки, указывает группу соединения обмоток, равную времени на условных часах.

Наибольшее распространение в энергосистемах получили следующие схемы и группы соединений двухобмоточных трансформаторов:

звезда – звезда с выведенной нейтралью Y/ – 0;

звезда – треугольник Y/D – 11;

звезда с выведенной нейтралью – треугольник /D – 11.

Для трехобмоточных трансформаторов наиболее распространенной является схема и группа соединений обмоток /Y/D – 0, 11.

Группа 0 характеризует отсутствие углового сдвига между векторами линейных напряжений обмоток и Y, а группа 11– наличие углового сдвига на 30^о между векторами линейных напряжений обмоток Y( ) и D.

В электрических сетях энергосистем наряду с трансформаторами применяются автотрансформаторы. Автотрансформаторы отличаются от трансформаторов наличием электрической связи между двумя обмотками. Выполняются автотрансформаторы, как правило, трехобмоточными, с электрической связью между обмотками высшего и среднего напряжений. Связь обмоток высшего и среднего напряжений с обмоткой низшего напряжения электромагнитная.

Применение автотрансформаторов оказывается экономически целесообразным для связи двух систем близких номинальных напряжений, например 220 и 110 кВ. Электрически связанные обмотки высшего и среднего напряжения соединяются в звезду с выведенной нейтралью. Обмотка низшего напряжения соединяется в треугольник. Схема и группа соединений обмоток автотрансформаторов / /D – 0, 11.

Распределительное устройство (РУ) – это электроустановка, предназначенная для приема и распределения электроэнергии и содержащая коммутационные аппараты, сборные и соединительные шины, а также устройства защиты, автоматики, телемеханики, связи и измерений.

На трансформаторных подстанциях количество РУ определяется количеством номинальных напряжений обмоток трансформаторов.

Распределительные устройства выполняются открытыми, закрытыми и элегазовыми.

Открытое распределительное устройство (ОРУ) – РУ, оборудование которого располагается на открытом воздухе. Территория ОРУ ограждается.

К достоинствам ОРУ относятся:

относительно невысокая стоимость,

хорошая доступность для наблюдения за всеми аппаратами,

простота расширения и реконструкции.

К недостаткам ОРУ можно отнести:

большую занимаемую площадь,

неудобство обслуживания оборудования при низких температурах и в ненастную погоду,

подверженность оборудования загрязнению.

ОРУ широко применяются для напряжений 35 кВ и выше.

Закрытое распределительное устройство (ЗРУ) – РУ, оборудование которого располагается в помещении (здании). ЗРУ используются при повышенной загрязненности и химической активности окружающей среды, в районах Крайнего Севера, а также часто в городах по архитектурным соображениям.

ЗРУ дороже, чем ОРУ, так как требуют специального здания. Для уменьшения стоимости ЗРУ здание сооружается из сборных железобетонных конструкций. Основным достоинством ЗРУ является меньшая занимаемая площадь, чем ОРУ, поскольку расстояния между токоведущими частями в ЗРУ допускаются меньше, чем в ОРУ. В этом смысле проще размещение ЗРУ в центрах электрических нагрузок промышленных предприятий и в городских районах с интенсивной застройкой.

ЗРУ применяются для напряжений до 220 кВ.

Элегазовое распределительное устройство (РУЭ) – РУ, в котором основное оборудование заключено в оболочки, заполненные элегазом (SF₆), служащим изолирующей и дугогасящей средой.

Элегаз обладает высокими электроизоляционными и дугогасительными свойствами, не токсичен, не горит, не образует взрывоопасных смесей. Все аппараты РУЭ (выключатели, разъединители, измерительные трансформаторы и др.) имеют меньшие габариты, чем такие же аппараты с масляной и фарфоровой изоляцией. Каждый элемент РУЭ заключен в герметичный металлический заземленный кожух, заполненный элегазом под избыточным давлением. Отдельные элементы соединяются с помощью газоплотных фланцев.

Электрические соединения выполняются стержневыми шинами, заключенными в металлических корпусах с элегазом, и втычными контактами розеточного типа. Деление РУЭ на отдельные блоки позволяет заменять любой из них, сохраняя элегазовое заполнение в остальных блоках. Блоки РУЭ изготовляются на заводах и поставляются на место монтажа в готовом виде, где из отдельных блоков собирается весь комплект РУЭ.

РУЭ применяются для напряжений до 220 кВ.

Комплектное распределительное устройство - РУ, состоящее из шкафов со встроенными в них аппаратами, устройствами измерения, защиты и автоматики, поставляемых заводом-изготовителем в полностью собранном виде.

Шкафы комплектных распределительных устройств изготовляются для внутренней установки (КРУ) и наружной установки (КРУН). Последние имеют уплотнения, обеспечивающие защиту встроенной аппаратуры от загрязнения и атмосферных осадков.

Разновидностью шкафа КРУ является камера сборная одностороннего обслуживания (КСО). Заводское изготовление шкафов КРУ, КРУН и КСО позволяет обеспечить тщательность сборки всех узлов и высокую надежность работы. Полностью собранные и готовые к работе шкафы поставляются на место монтажа, где их соединяют шинами, подводят силовые и контрольные кабели.

Общий вид шкафа КРУ с выкатной тележкой показан на рис. 1.9,а. На тележке могут устанавливаться: силовой выключатель, трансформатор напряжения, разрядники, силовые предохранители или другое оборудование. Ремонт и обслуживание этого оборудования выполняются после снятия напряжения и выкатывания тележки из шкафа.

а) б)

Рис. 1.9. Общий вид шкафа КРУ и камеры КСО

Общий вид камеры КСО приведен на рис. 1.9,б. Ремонт и обслуживание оборудования, установленного в камере, выполняются через дверцы на передней стороне камеры после снятия напряжения. Камеры КСО изготовляются только для внутренней установки.

Комплектные распределительные устройства выполняются для напряжений 3-20 кВ. Выкатные КРУ применяются для ответственных электроустановок с большим количеством ячеек, где требуется быстрая замена выключателя, например для промышленных предприятий с высокой долей электроприемников 1 и 2 категории надежности. Камеры КСО широко применяются в городских электрических сетях, где основная масса электроприемников имеет 2 и 3 категории надежности.

Оборудование РУ ТЭЦ и ПС включают в себя большое количество различных аппаратов: коммутационных, измерительных, защитных и др. Ниже приводится краткая характеристика основного оборудования РУ.

Коммутационная аппаратура предназначена для проведения включений и отключений (коммутаций) в схемах РУ. В качестве основных элементов коммутационной аппаратуры можно выделить силовые выключатели и разъединители. К этой же аппаратуре относятся выключатели нагрузки и плавкие предохранители.

Силовые выключатели являются основными коммутационными аппаратами для включения и отключения электрической цепи в любых ее режимах: токовой нагрузки, перегрузки, короткого замыкания, холостого хода, несинхронной работы. Наиболее тяжелой и ответственной операцией является отключение тока короткого замыкания. При разрыве токовой цепи между контактами выключателя возникает электрическая дуга. Гашение дуги осуществляется в специальных дугогасительных устройствах.

По способу гашения дуги выключатели делятся на масляные, воздушные, вакуумные и элегазовые и др. В масляных выключателях дугогасительной средой является трансформаторное масло. В воздушных выключателях гашение дуги осуществляется сжатым воздухом. Высокая электрическая прочность вакуума и элегаза используется в вакуумных и элегазовых выключателях.

Масляные и воздушные выключатели имеют ряд недостатков, а именно: низкую надежность, небольшой коммутационный ресурс, пожароопасность, высокие эксплуатационные затраты. Вакуумные и элегазовые выключатели обладают более высокими техническими характеристиками. Поэтому в настоящее время при проектировании новых и реконструкции существующих объектов отдают предпочтение вакуумным и элегазовым выключателям.

Разъединителем называется электрический аппарат для выполнения оперативных переключений в схеме РУ и для создания видимого разрыва электрической цепи при выполнении обслуживания и ремонта оборудования. Конструктивно разъединитель представляет собой систему подвижных и неподвижных контактов, установленных на изоляторах.

В распределительных устройствах напряжением 6…10 кВ, выполненных из шкафов КРУ с силовым выключателем на выкатной тележке, роль разъединителей выполняют втычные контакты, размыкаемые при выкатывании тележки из шкафа и замыкаемые при вкатывании тележки в шкаф.

Поскольку разъединители не снабжены дугогасящими устройствами, операции отключения и включения могут выполняться в цепи без нагрузки (в цепи, отключенной силовым выключателем). Разъединителем можно включать и отключать цепь, находящуюся под напряжением, но без тока или с небольшим током, когда нет опасности возникновения электрической дуги.

Разъединители устанавливаются, как правило, по обе стороны от выключателя. Если необходимо отключить нагруженную током цепь, то сначала отключают выключатель, а затем разъединители. Включение цепи производится в обратном порядке: сначала включают разъединители, а затем - выключатель.

Выключатели нагрузки широко применяются в РУ напряжением 6...10 кВ. Эти выключатели имеют дугогасительное устройство, с помощью которого можно отключать рабочие токи, но не токи короткого замыкания. При разомкнутых контактах этот выключатель, как и разъединитель, создает видимый разрыв.

Плавкие предохранители выполняют операцию автоматического отключения цепи при превышении током определенного значения. Отключение тока обеспечивается за счет перегорания плавкой вставки предохранителя. Поэтому после срабатывания предохранителя, его плавкая вставка заменяется. Предохранители часто применяются в сочетании с выключателями нагрузки. В этом случае рабочие токи отключаются выключателем нагрузки, а токи короткого замыкания – плавкими предохранителями.

Измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) предназначены для измерения электрических величин, а также для питания устройств релейной защиты. Коэффициенты трансформации ТТ и ТН таковы, что при любых нормальных значениях рабочих токов и напряжений значения вторичных токов и напряжений не превышают 5 А и 100 В соответственно.

К ТТ подключаются амперметры, токовые обмотки реле и приборов для измерения мощности и энергии. К ТН подключаются вольтметры, обмотки напряжения реле и приборов для измерения мощности и энергии.

К измерительным трансформаторам предъявляются требования точности измерения электрических величин. В этом смысле измерительные трансформаторы должны отвечать определенному классу точности. Высший класс точности должны иметь трансформаторы, питающие обмотки приборов коммерческого расчета за электроэнергию.

Разрядники и нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) предназначены для защиты оборудования от атмосферных и коммутационных перенапряжений. Эти аппараты включаются между фазой и землей и представляют собой нелинейные элементы, резко уменьшающие сопротивление при превышении напряжением определенного значения. Энергия перенапряжения отводится в землю.

В сетях с эффективно заземленной нейтралью (сети 110 кВ) для защиты изоляции нейтрали трансформаторов между нейтралью трансформатора и землей включается разрядник или ОПН с номинальным напряжением на класс ниже, чем класс изоляции трансформатора.

Реакторы представляют собой сопротивления индуктивного характера и предназначены для ограничения токов КЗ. Использование реакторов позволяет применять в схемах РУ оборудование, рассчитанное на меньшие значения токов КЗ, т.е. более дешевое оборудование.

Шины предназначены для соединения между собой отдельных элементов РУ, а также для подключения к РУ подходящих и отходящих воздушных и кабельных линий электропередачи.

Шины РУ изготавливаются из алюминия или его сплавов и выполняются гибкими из многопроволочных сталеалюминиевых проводов и жесткими различных профилей. Гибкие шины открытых РУ крепятся с помощью подвесных гирлянд изоляторов на порталах. Жесткие шины крепятся на опорных изоляторах, устанавливаемых на железобетонных или металлических стойках.

Применение в открытых РУ жесткой ошиновки позволяет отказаться от порталов и уменьшить площадь РУ. Жесткие шины окрашиваются в желтый (фаза L1), зеленый (фаза L2) и красный (фаза L3) цвета.

В распределительных устройствах напряжением 6...10 кВ наружной и внутренней установки используются только жесткие шины. Жесткие шины используются в закрытых РУ более высоких напряжений.

Заземляющие устройства (ЗУ) предназначены для соединения с землей металлических частей (корпусов) оборудования, нормально не находящихся под напряжением, но которые могут оказаться под напряжением вследствие пробоя изоляции. При пробое изоляции заземленный корпус оказывается под потенциалом, близким к потенциалу земли. Такие ЗУ называются защитными, поскольку защищают обслуживающий персонал от поражения электрическим током при соприкосновении с корпусами оборудования.

ЗУ, предназначенные для нормальной работы оборудования, называются рабочими. К рабочим ЗУ относятся, в частности, заземления нейтралей трансформаторов.