Режимы электрооборудования электрических станций

Министерство образования и науки  Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.И. ВЕТРОВ, Л.Б. БЫКОВА,

В.И. КЛЮЧЕНОВИЧ 

РЕЖИМЫ

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2010

УДК 621.311.002.5(075.8)

В 393

Рецензенты:

канд. техн. наук, доц. А.В. Лыкин;
канд. техн. наук, доц. А.И. Щеглов

Ветров В.И.

В 393
Режимы электрооборудования электрических станций : 

учеб. пособие / В.И. Ветров, Л.Б. Быкова, В.И. Ключенович. –
Новосибирск: Изд-во НГТУ. – 243 с.

ISBN 978-5-7782-1456-9

Рассматриваются физические закономерности, имеющие место в 

генераторах, трансформаторах и двигателях системы собственных 
нужд электростанций в различных режимах, содержатся характеристики вспомогательных систем, таких, как системы возбуждения и 
гашения поля генераторов.

Пособие предназначено для студентов IV и V курсов ФЭН специ
альности 140203 и 140204 при изучении дисциплин: «Режимы основного оборудования электростанций», «Основы эксплуатации электрических станций», «Электрическая часть электрических станций» и 
«Электроэнергетические установки».

Работа подготовлена кафедрой электрических станций

УДК 621.311.002.5(075.8)

ISBN 978-5-7782-1456-9 
© Ветров В.И., Быкова Л.Б.,

Ключенович В.И., 2010

© Новосибирский государственный 

технический университет, 2010 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..............................................................................................................6
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ........................................................................8
1.1. Общие замечания...........................................................................................8
1.2. Физические явления в электромеханическом преобразователе ................8
1.3. Электромагнитная мощность обмоток.......................................................13
1.4. Уравнение движения ротора.......................................................................17

2. ВРАЩАЮЩИЕСЯ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ

В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ....................................19
2.1. Общие замечания.........................................................................................19
2.2. Метод исследования вращающегося магнитного потока статора...........19
2.3. Магнитный поток в зазоре в симметричном режиме ...............................21
2.4. Магнитный поток в зазоре при несимметрии токов статора ...................23
2.5. Моменты на валу синхронных машин.......................................................25
2.6. Момент на валу асинхронного двигателя..................................................29

3. НОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ....................32

3.1. Особенности турбогенераторов и гидрогенераторов ...............................32
3.2. Факторы, определяющие активную мощность турбогенераторов..........35
3.3. Характеристики холостого хода и трехфазного короткого

замыкания.....................................................................................................37

3.4. Упрощенная векторная диаграмма турбогенератора................................41
3.5. Регулировочные характеристики генератора............................................42
3.6. Внешние характеристики генератора.........................................................46
3.7. Угловые характеристики активной и реактивной мощностей.................48
3.8. Режим синхронного компенсатора.............................................................53
3.9. Режим генератора и двигателя....................................................................55
3.10. Регулирование активной мощности...........................................................56
3.11. Регулирование реактивной мощности .......................................................59
3.12. Зависимость режима генератора от напряжения на его выводах............63
3.13. Диаграмма мощностей турбогенератора ...................................................64
3.14. Ограничение нагрузки генератора по условиям обеспечения

устойчивой параллельной работы............................................................66

3.15. Ограничение режима работы генератора по условию нагрева

торцевых зон статора..................................................................................67

3.16. Особенности диаграммы мощностей явнополюсной синхронной

машины.........................................................................................................72

4. АНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ ГЕНЕРАТОРОВ ..............................................75

4.1. Асинхронный режим синхронного генератора.........................................75
4.2. Допустимость работы турбогенератора в асинхронном режиме.............76
4.3. Работа турбогенератора в асинхронном режиме при замкнутой

и разомкнутой обмотке возбуждения.........................................................78

4.4. Условия работы генераторов в асинхронном режиме..............................81
4.5. Асинхронный ход с возбуждением ............................................................83
4.6. Способы включения генератора в сеть ......................................................84
4.7. Включение генератора в сеть способом самосинхронизации..................87
4.8. Пусковые характеристики генераторов .....................................................89
4.9. Особенности способа самосинхронизации генераторов ..........................90
4.10. Особенности несимметричных режимов...................................................91
4.11. Тепловой режим работы турбогенератора при несимметрии..................93
4.12. Интегральный критерий термической стойкости турбогенераторов......95
4.13. Кратковременные перегрузки генераторов ...............................................96
5. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ...........................................100

5.1. Нормальные режимы.................................................................................100
5.2. Схема замещения и векторные диаграммы асинхронного двигателя...103
5.3. Электромеханическая характеристика асинхронного двигателя ..........107
5.4. Определение параметров асинхронных электродвигателей

по каталожным данным............................................................................111

5.5. Определение сопротивлений схемы замещения асинхронного

двигателя по каталожным данным ...........................................................116

5.6. Круговая диаграмма асинхронного двигателя ........................................119
5.7. Двигатели с улучшенными пусковыми характеристиками....................121
5.8. Пуск электродвигателей............................................................................123
5.9. Графоаналитический метод решения уравнения движения...................125
5.10. Нагрев обмоток электродвигателей при пуске........................................126
5.11. Выбег машинных агрегатов ......................................................................128
5.12. Групповой выбег электродвигателей.......................................................131
5.13. Расчет допустимой суммарной мощности неотключаемых

электродвигателей при самозапуске ........................................................134

5.14. Графоаналитический метод расчета самозапуска двигателей

собственных нужд......................................................................................137

6. АНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ............................142

6.1. Особенности несимметричных режимов асинхронных

электродвигателей ....................................................................................142

6.2. Влияние обрыва параллельной ветви одной катушки обмотки

статора электродвигателя на величину тока статора..............................159

6.3. Режим асинхронного электродвигателя с электрической

несимметрией в роторе..............................................................................161

6.4. Определение зависимости тока статора от мощности

или момента сопротивления на валу.........................................................179

7. МЕХАНИЗМЫ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ТЕПЛОВЫХ

ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ......................................................................................183
7.1. Общая характеристика механизмов собственных нужд.........................183
7.2. Механические характеристики механизмов собственных нужд ...........185

8. СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ............................................188

8.1. Назначение и требования к системам возбуждения ...............................188
8.2. Классификация источников питания обмоток возбуждения

синхронных машин....................................................................................189

8.3. Особенности систем возбуждения ...........................................................191
8.4. Схема возбуждения с возбудителем постоянного тока..........................193
8.5. Схема возбуждения с индукторным генератором ..................................194
8.6. Схема тиристорного возбуждения ...........................................................196
8.7. Схема тиристорного самовозбуждения ...................................................197
8.8. Схема бесщеточной системы возбуждения.............................................198

9. АВТОМАТИЧЕСКОЕ ГАШЕНИЕ ПОЛЯ (АГП) СИНХРОННЫХ

МАШИН...........................................................................................................200
9.1. Общие положения......................................................................................200
9.2. Процесс гашения магнитного поля синхронных машин........................201
9.3. Оптимальные условия гашения поля .......................................................203
9.4. Разряд обмотки возбуждения на дугогасительную решетку .................205
9.5. Влияние насыщения и демпферных контуров на процесс

гашения поля..............................................................................................208

10. СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ...........................................212

10.1. Назначение систем охлаждения. Охлаждающие среды .......................212
10.2. Особенности конструкций турбогенераторов при косвенной

и непосредственной системах охлаждения ...........................................215

10.3. Турбогенераторы с использованием сверхпроводимости....................218

11. ТРАНСФОРМАТОРЫ...................................................................................221

11.1. Передача энергии через трансформатор................................................221
11.2. Схема замещения и векторные  диаграммы трансформаторов............223
11.3. Параллельная работа двухобмоточных трансформаторов...................229
11.4. Системы охлаждения трансформаторов................................................232
11.5. Режим включения трансформатора на холостой ход ...........................234

Библиографический список ................................................................................241

ВВЕДЕНИЕ

Основным элементом электрической станции является генератор, в 

котором механическая энергия первичного двигателя преобразуется в 
электрическую энергию. Большая часть электрической энергии в настоящее время производится на тепловых электрических станциях 
(примерно 70 %). Источником энергии на таких станциях служит химическая энергия топлива, которая первоначально преобразуется в тепло. Затем тепловая энергия преобразуется в турбине в механическую 
энергию, и только после этого наступает последняя стадия преобразования энергии в электрическую в генераторе. КПД современной тепловой станции не превышает 40 %. Для его увеличения при получении 
электрической энергии необходимо уменьшить количество энергетических преобразователей. Способы непосредственного преобразования 
химической (топливные элементы) и тепловой (магнитогидродинамические генераторы) энергии в электрическую энергию пока неконкурентоспособны по экономическим соображениям. Поэтому в качестве 
генераторов электрической энергии еще долго будут использоваться 
обычные электрические машины, существующие в настоящее время. 
Ведутся работы в области использования явления сверхпроводимости 
для создания электрических машин с обмотками без потерь. В энергетике наибольшее распространение получили машины переменного тока. Для электрических станций характерны такие режимы основного 
оборудования, которые гарантируют решение основных задач эксплуатации: покрытие установленного максимума нагрузки, обеспечение 
надежной работы энергосистемы и ее элементов, поддержание качества электрической энергии на заданном уровне и достижение наивысшего коэффициента полезного действия.

Анализируя поведение электрических машин в эксплуатации, раз
личают следующие режимы:

1) нормальные режимы работы генераторов и двигателей в услови
ях, отличающихся от номинальных. Это режимы с неполной нагрузкой 
и режимы с изменяющейся нагрузкой, не приводящие к перегреву машин;

2) анормальные режимы – это режимы, при которых имеются зна
чительные отклонения параметров машин от нормальных. В этих режимах допустимое время работы ограничено.

Поддержка режимов основного оборудования предполагает знание 

физических закономерностей, имеющих место в оборудовании электростанций, к которому относятся генераторы и электродвигатели собственных нужд. Вопросы режимов турбинного, котельного и прочего 
оборудования изучаются в других курсах. Поэтому в настоящем учебном пособии эти вопросы не рассматриваются, а частично используются по мере необходимости.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

1.1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Электрическая и механическая формы энергии, обладая высокой 

степенью упорядоченности, относительно легко управляемы и широко 
используются на электрических станциях.

Несмотря на то что общие принципы работы электромеханических 

преобразователей энергии хорошо известны, их теория продолжает 
непрерывно совершенствоваться как в более детальном описании соответствующих физических процессов, так и в создании универсальных аналитических методов исследования характеристик, автоматизации проектирования и т. п.

Кроме классических электромеханических преобразователей (син
хронные генераторы, асинхронные и синхронные двигатели) в последнее время разрабатываются сверхпроводниковые электрические машины, магнитогидродинамические устройства и др. На электрических 
станциях, как правило, режим оборудования определяется инструкциями. Однако никакая инструкция не может предусмотреть все возможные случаи поведения электрической машины в процессе эксплуатации, и только на основе знания физической сущности электромеханических процессов возможно правильное поведение обслуживающего персонала.

1.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 

В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ

Электромеханическое преобразование энергии основано на движе
нии проводников в электрическом и магнитном полях, которые описываются уравнениями Максвелла:

rot
D
H
j
t ,                                           (1.1)

rot
B
E
t ,                                             (1.2)

div
0
B
,                                                (1.3)

div
e
D
.                                               (1.4)

Здесь H – напряженность магнитного поля; j – плотность тока; D –

электрическое смещение; E – напряженность электрического поля; 

B – магнитная индукция; 
e – объемная плотность электрических за
рядов.

Уравнения (1.1)–(1.4) дают связь между электромагнитными пара
метрами в каждой точке пространства.

Электромеханические преобразователи состоят из системы конту
ров с токами и магнитопроводов, поэтому приведенные уравнения 
удобно представить в интегральной форме.

Так, в уравнении (1.1) можно пренебречь током смещения, и в ин
тегральной форме

1

n

k

k
L

Hdl
i ,                                          (1.5)

т. е. циркуляция магнитной напряженности по замкнутому контуру 
равна алгебраической сумме токов, сцепленных с этим контуром. 
Уравнения (1.3), (1.4) характеризуют структуру магнитного и электрического полей. Из (1.3) следует, что линии магнитной индукции не 
имеют ни начала, ни конца и располагаются вокруг проводников с токами. Поэтому, чтобы уменьшить затраты энергии для создания магнитного поля, применяют магнитопроводы, по которым замыкаются 
линии магнитной индукции. С учетом сказанного для катушки с числом витков W, намотанных на ферромагнитный сердечник, уравнение 
(1.5) можно представить следующим образом:

ср
H l
iW ,                                            (1.6)

где ср
l
– средняя длина магнитопровода.

Соотношение (1.6) известно как закон полного тока. Силовые ли
нии электрического поля согласно (1.4) начинаются и оканчиваются на 
электрических зарядах. Поэтому для создания электрического поля в 
какой-либо зоне внешние элементы не нужны, так как поле может 
быть создано электрическими зарядами на границах этой зоны.

Существуют также соотношения

a
B
H ,                 
(1.7)

a
D
E ,                                                (1.8)

Ф
B S ,                                                 (1.9)

где 
а – абсолютная магнитная проницаемость; 
а – абсолютная ди
электрическая проницаемость рассматриваемой среды; Ф – магнитный поток; S – сечение магнитопровода.

Аналогично для замкнутого контура уравнение (1.2) можно преоб
разовать в следующее:

Ф
d
е
dt ,

где е – электродвижущая сила (ЭДС). Если контур содержит W витков, 

то, вводя потокосцепление 
Ф
W
, получим

Ф
d
е
W dt
dt .                                     (1.10)

Соотношением (1.10) выражается закон электромагнитной индук
ции Фарадея. Знак «минус» в формуле связан с инерционным характером электромагнитной индукции. Наведенная ЭДС направлена так, что 
создаваемый ею ток препятствует изменению потока.

Процесс электромагнитной индукции характеризуется двумя явле
ниями: индуктированием ЭДС в проводнике, пересекающем трубки 
магнитного поля, и возникновением силы, действующей на проводник, 
находящийся в магнитном поле, при протекании по нему тока. Направление индуктированной ЭДС в проводнике 
nl определяется на
правлением В и движением проводника v (правило правой руки),

а направление силы 
n
F , действующей на проводник, – направлениями 

поля В и тока в проводнике (правило левой руки) (рис. 1.1). Характер 
отмеченных проявлений процесса электромагнитной индукции определяет вид энергетического процесса в электрической машине – преобразования механической и электрической энергии друг в друга.

а                                                      б

Рис. 1.1. Правило правой руки (а) и левой руки (б)

Приложим к проводнику катушки извне механическую силу 
n
F , 

под действием которой он будет перемещаться в магнитное поле со 
скоростью V, как показано на рис. 1.2, а. Тогда при выбранных направ
лениях вектора поля В и механической силы F (рис. 1.2, а) направление ЭДС, индуктируемой в проводнике, будет от нас.

При обтекании проводника током независимо от того, движется он 

или нет, возникает электромагнитная сила 
n
F , действующая на про
водник. На рис. 1.2, б для выбранных направлений поля показано на
правление силы 
n
F , найденное с помощью правила левой руки.

При движении проводника с постоянной скоростью, что соответству
ет нормальному режиму работы машины, механическая и электромагнитная силы, действующие на проводник, должны быть уравновешены. Если 
при этом проводник перемещается в направлении электромагнитной силы 
и, следовательно, против внешней механической силы (рис. 1.3, а), то работа, совершаемая электромагнитной силой, производится за счет энергии

ЭДС
ЭДС

B
B

F, V
Fn

×
×

ЭДС
ЭДС

B

F
Fn
×

Ток
Ток

Fn, V
F, V
×
×

B

а                                                                       б

Рис.1.2. Направление ЭДС (а) и электромагнитной силы (б)

для проводника в поле В

электромагнитного поля и покрывается источником электрической 
энергии. В этом случае электрическая энергия преобразуется в механическую и преобразователь работает двигателем. Если движение проводника с током происходит в сторону, противоположную направлению электромагнитной силы, то оно может происходить только под 
действием внешней механической силы (рис. 1.3, б). В режиме генератора ток и ЭДС в проводнике совпадают, в режиме двигателя они направлены встречно. Из сказанного следует, что электрическая машина 
обратима, т. е. она может работать и двигателем, и генератором.

а                                                                        б

Рис. 1.3. Направление ЭДС и тока в проводнике обмотки

для режимов двигателя (а) и генератора (б)

Процесс преобразования энергии всегда сопровождается потерей 

энергии, выделяемой в виде тепла.

1.3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ МОЩНОСТЬ ОБМОТОК

Физическая сущность основного электромагнитного процесса в 

электромеханическом преобразователе сводится к индуктированию в 
обмотках ЭДС и образованию электромагнитной силы (электромагнитного момента), действующей на статор и ротор. Для рассмотрения 
режима работы электрической машины указанных величин недостаточно. Необходимо установить количественную связь между отдельными величинами, характеризующими рабочее состояние машины. 
Эта связь определяется на основе уравнений электрических цепей, а 
для вращающихся машин – еще и уравнения моментов сил, действующих на ротор. Последнее уравнение называется уравнением движения.

В установившемся режиме работы, если обмотка подключена к ис
точнику с напряжением U , уравнение напряжения для нее будет иметь 
вид

,
d
U
ir
dt
(1.11)

где ψ, i – потокосцепление и ток обмоток; r – активное сопротивление 
обмотки. Умножая (1.11) на idψ, получим уравнение баланса энергии

2
Uidt
id
i rdt .
(1.12)

Здесь Uidt – электрическая энергия, потребляемая обмоткой за время 
dt ; 
2i rdt – энергия, рассеиваемая в обмотке в виде тепла; id
– при
ращение энергии электромагнитного поля, связанного с обмоткой.

Деля (1.12) на dt , получаем уравнение соответствующих мощно
стей

2
d
Ui
i
i r
dt
.                                        (1.13)

В (1.13) член d
i dt представляет энергию, переходящую из обмотки 

в электромагнитное поле за единицу времени; эта величина называется 
электромагнитной мощностью обмотки.

Если обмотка является источником энергии, то она получает энер
гию из электромагнитного поля и направление потока энергии становится противоположным по сравнению с рассмотренным выше.