ИЭ / 7 сем (станции+реле) / Расписанные билеты Лапидус v.1

2.2. Нормальный режим

Здесь на лекции Лапидус сделал хорошее лирическое отступление чисто для понимания, но на экзамене, наверно, не надо это рассказывать. Что такое реактивная

мощность?

Зададим ток и напряжение в виде синусоид.

Ток и напряжение синфазны, то есть активный характер нагрузки. Если напряжение приложить к сопротивлению, то именно в тот момент, когда напряжение будет проходить через ноль, без запаздываний и без опережения ток тоже пройдёт через ноль.

Рисунок 6. Активный характер нагрузки

Произведение напряжения и тока – это мощность. Это электрическая мощность. При произведении этих векторов, наши горбы получились однополярными, это значит, что наш генератор работает, как генератор, то есть выдаёт в сеть мощность, а сеть потребляет. Генератор – это источник мощности, а сеть (или потребитель) – это её приёмник.

Индуктивная нагрузка:

Угол между током и напряжением сдвигается. Если напряжение у нас проходит через 0, то ток пройдёт через 0 несколько позже, с запаздыванием. Синусоиды будут расходиться, тем больше, чем больше вклад индуктивности в общее сопротивление.

Рисунок 7. Индуктивная нагрузка

Произведение напряжения и тока здесь с горбами в положительной зоне и отрицательной. То есть генератор и выдаёт в сеть что-то, и потребляет.

У нас между напряжением и током угол 90°. Симметричная картина. Половину времени наш генератор работает, как генератор, он выдаёт энергию потребителю. Другую половину времени, он работает, как нагрузка, он получает энергию обратно. То есть он ни одного кВт/час не выработает. Сколько выработает он в верхних горбах, столько и потребит обратно.

Рисунок 8. Индуктивная нагрузка

Это наиболее неэффективная выработка энергии, наиболее неактивная, то есть РЕАКТИВНАЯ выработка электроэнергии.

Для удобства работы с диаграммой при индуктивной нагрузке, математики предложили нам разложить синусоиду на две понятные и удобные синусоиды. На самую эффективную (активная нагрузка) и самую неэффективную (где угол 90°).

Рисунок 9. Разложение синусоиды на две

Давайте слева мы назовём мощность АКТИВНОЙ, а справа РЕАКТИВНОЙ. И все вместе в сумме даст нам верхнюю мощность.

В чем отличие P и Q? P – максимально активная выработка энергии, значит за эту выработку мы чем-то платим. Значит, чтобы выработать дополнительный порцию активной мощности, надо сжечь добавочный кусок угля, литр мазута, кубометр газа и т. д. Чтобы выработать реактивную мощность ничего не платим. Мы должны всего лишь увеличить ток возбуждения. Даже можно обойтись без Г, поставить СК, даже можно просто поставить ёмкость, конденсатор по месту и наш двигатель, скажем асинхронный, будет кушать мощность от соседнего конденсатора.

Как эти мощности греют проводник с током?

В проводе имеется активный ток 8 А, реактивный 6 А, что покажет амперметр?

√82 + 62 = 10 А

Весь ток суммарный греет проводник.

Активная мощность преобразуется в итоге в механическую работу. Т.е. когда у нас работает двигатель и крутит насос посредством того, что активная мощность превращается в механическую полезную работу (мощность). Реактивная мощность является необходимым условием для превращения активной мощности в механическую работу. Между ними «сцепка», по нормальному это магнитное поле в зазоре между статором и ротором электродвигателя. Это обязательное условие для превращения в механическую энергию!

Реактивная мощность бесплатна в плане расхода топлива, но она греет провод, обуславливает потери в нем, забивает пропускную способность линий электропередач.

Куда течёт реактивная мощность?

Противоречие: реактивная мощность суммарно не даёт никакой энергии, потому что сколько «+», столько и «-». (Ёмкость – это генератор реактивной мощности, т.е. она выдаёт реактивную мощность всегда, а индуктивность – это потребитель, кушает её.) Как же быть??

Рисунок 10. Знак реактивной мощности

Эти стрелки непрестанно меняют своё направление, но друг по отношению к другу они оказываются всегда противоположными. Ёмкость (конденсатор) генерирует реактивную мощность в тот момент, когда горб в положительной части (слева-генератор, справа-потребитель реактивной мощности). В следующем горбике в отрицательной части

– они поменяются ролями (ёмкость-потребляет, а индуктивность-вырабатывает). Поэтому

мы говорим только про положительный горб!!

Нормальный режим – это такой режим (целая область на PQ-диаграмме), который генератор может выдерживать сколь угодно долго, в рамках срока своей службы не перегреваясь, без повреждений, без снижения ресурса и т. д.

Ограничения нормального режима по PQ-диаграмме

Рисунок 13. Диаграмма мощностей

Пунктирная линия – это линия, на которой повсюду полная мощность номинальная.

Желтая линия – это ОГРАНИЧЕНИЕ ПО НАГРЕВУ ОБМОТКИ СТАТОРА

Зеленая линия – это ОГРАНИЧЕНИЕ ПО НАГРЕВУ ОБМОТКИ РОТОРА

Голубая линия – это ОГРАНИЧЕНИЕ ПО УСТОЙЧИВОСТИ; ОГРАНИЧЕНИЕ ПО НАГРЕВУ СТАЛИ СТАТОРА (генератор недовозбуждён => в торцевых зонах поток ротора неспособен скомпенсировать поток статора. Чем больше результирующий поток, тем больше вихревые токи в статоре => большой нагрев его стали)

Красная линия – это ОГРАНИЧЕНИЕ ПО МОЩНОСТИ ТУРБИНЫ

2.3. Допустимые перегрузки

Рис. 2.3.1

Допустимые перегрузки симметричны (токи A, B, C в обмотке статора одинаковы).

И так мы хотим по какой-то причине перегрузить обмотку статора и/или обмотку ротора. Свыше мощности турбины мы перегрузить генератор не в состоянии. Есть некий потолок по мощности, который показан здесь красной линией и пересекать этот потолок мы не имеем права. И тогда совокупность точек, которые с одной стороны являются перегрузками, а с другой стороны они не перегружают турбину, находится под этой линией, но вне черной ограничительной линии всех возможных нормальных режимов. Справа от зоны нормальных режимов, потому что слева генератор работает в режиме недовозбуждения, а этот режим крайне неустойчив с точки зрения нагрева обмотки статора и с позиции нарушения устойчивости машины. Итак, наша точка перегрузки не должна быть выше красной линии и должна находиться правее зоны нормальных режимов.

Ситуация возможна при аварийном отключении соседних машин (соседних синхронных генераторов). Выдать за них активную мощность дополнительно мы не можем. То есть если у нас отказала рядом находящаяся синхронная машина, то вся энергосистема лишилась этой мощности. Добавить большую нагрузку активную мы не в состоянии, зато мы можем помочь соседним машинам с помощью реактивной мощности.

Длительная перегрузка генераторов и синхронных компенсаторов по току (не указано по какому току, т. к. будет рассмотрено отдельно) сверх значения допустимого при данной температуре и давлении охлаждающей среды не допускается.

В аварийных условиях генераторы, синхронные компенсаторы разрешается кратковременно перегружать по токам статора и ротора согласно инструкциям заводаизготовителя, техническим условиям и государственным стандартом. Если в них соответствующие указания отсутствуют, при авариях в энергосистемах допускаются кратковременные перегрузки генераторов и синхронных компенсаторов по току статора, при указанной в таблице кратности тока, отнесённой к номинальному значению.

Таблица 2.3.1 – Допустимые кратности перегрузок по току статора

!!!Допустимая перегрузка по току возбуждения генераторов и синхронных компенсаторов с косвенным охлаждением обмоток определяется допустимой перегрузкой статора.

!!!Для турбогенераторов с непосредственным водородным или водяным охлаждением обмотки ротора допустимая перегрузка по току возбуждения должна быть определена кратностью тока, отнесённой к номинальному значению тока ротора.

Финальная формула выглядит следующим образом: (для статора)

Для непосредственного охлаждения допустимое время перегрузки меньше ввиду бОльших плотностей тока и бОльших «температурных неравномерностей»

Задача (по умолчанию перегружаем обмотку статора):

Таблица 2. Системы охлаждения генераторов

Допустимые перегрузки: (для ротора)

Перегрузка по ротору необходима в двух ситуациях:

-связанная перегрузка с перегрузкой статора (необходимо вырабатывать достаточно большую реактивную мощность, чтобы поддержать напряжение на шинах соседних синхронных машин при потере соседних генераторов)

-форсировка возбуждения (при близких КЗ для сохранения устойчивости СМ)

Задача: