1. СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
1.1. Технические характеристики и конструкции современных генераторов
Для выработки электроэнергии на электростанциях применяют синхронные генераторы трехфазного переменного тока. Различают турбогенераторы (первичный двигатель — паровая или газовая турбина) и гидрогенераторы (первичный двигатель - гидротурбина).
Для синхронных электрических машин в установившемся режиме работы имеется строгое соответствие между частотой вращения агрегата n, мин-1, и частотой сети f1, Гц:
n = 60*f1 / p, мин-1
где р — число пар полюсов обмотки статора генератора.
Паровые и газовые турбины выпускают на большие частоты вращения (3000 и 1500 мин-1), т. к. при этом турбоагрегаты имеют наилучшие технико-экономические показатели. На тепловых электростанциях (ТЭС), сжигающих обычное топливо, частота вращения агрегатов, как правило, составляет 3000 мин-1, а синхронные турбогенераторы имеют два полюса. На АЭС применяют агрегаты с частотой вращения 1500 и 3000 мин-1.
Быстроходность турбогенератора определяет особенности его конструкции. Эти генераторы выполняются с горизонтальным валом. Ротор турбогенератора, работающий при больших механических и тепловых нагрузках, изготовляется из цельной поковки специальной стали (хромоникелевой или хромоникельмолибденовой), обладающей высокими магнитными и механическими свойствами.
Ротор выполняется неявнополюсным. Вследствие значительной частоты вращения диаметр ротора ограничивается по соображениям механической прочности с учетом частоты вращения. Длина бочки ротора также имеет предельное значение, равное 6—6,5 м. Определяется оно из условий допустимого статического прогиба вала и получения приемлемых вибрационных характеристик. В активной части ротора, по которой проходит основной магнитный поток, фрезеруются пазы, заполняемые катушками обмотки возбуждения (рис. 1), В пазовой части обмотки закрепляются немагнитными, легкими, но прочными клиньями из дюралюминия. Лобовая часть обмотки, не лежащая в пазах, предохраняется от смещения под действием центробежных сил с помощью бандажа. Бандажи являются наиболее напряженными в механическом отношении частями ротора и обычно выполняются из немагнитной высокопрочной стали. По обеим сторонам ротора на его валу устанавливаются вентиляторы (чаще всего пропеллерного типа), обеспечивающие циркуляцию охлаждающего газа в машине.
Статор турбогенератора состоит из корпуса и сердечника. Корпус изготовляется сварным, с торцов он закрывается щитами с уплотнениями в местах стыка с другими частями (рис. 1). Сердечник статора набирается из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Листы набирают пакетами, между которыми оставляют вентиляционные каналы. В пазы, имеющиеся во внутренней расточке сердечника, укладывается трехфазная обмотка, обычно двухслойная.
Гидротурбины имеют обычно относительно малую частоту вращения (60—600 мин-1). Частота вращения тем меньше, чем меньше напор воды и чем больше мощность турбины. Гидрогенераторы поэтому являются тихоходными машинами и имеют большие размеры и массы, а также большое число полюсов. Гидрогенераторы выполняют с явнополюсными роторами и преимущественно с вертикальным расположением вала. Диаметры роторов мощных гидрогенераторов достигают 14 - 16 м, а диаметры статоров —(20 – 22) м.
В машинах с большим диаметром ротора сердечником служит обод, собираемый на спицах, которые крепятся на втулке ротора. Полюсы, как и обод, делают наборными из стальных листов и монтируют на ободе ротора с помощью Т-образных выступов (рис. 2). На полюсах, помимо обмотки возбуждения, размещается еще так называемая демпферная обмотка, которая образуется из медных стержней, закладываемых в пазы на полюсных наконечниках и замыкаемых с торцов ротора кольцами. Эта обмотка предназначена для успокоения колебаний ротора агрегата, которые возникают при всяком возмущении, связанном с резким изменением нагрузки генератора.
Рис. 1. Общий вид современного турбогенератора:
1 — обмотка статора; 2 — ротор; 3,4— соединительные муфты; 5 — корпус статора;
6 — сердечник статора; 7 — возбудитель; 8 — контактные кольца ротора и щетки;
9 — подшипники генератора; 10 — подшипники возбудителя.
В турбогенераторах роль успокоительной обмотки выполняют массивная бочка ротора и металлические клинья, закрывающие обмотку возбуждения в пазах. Статор гидрогенератора имеет принципиально такую же конструкцию, как и статор турбогенератора, но в отличие от последнего выполняется разъемным. Он делится по окружности на две - шесть равных частей, что значительно облегчает его транспортировку и монтаж.
В последние годы начинают находить применение так называемые капсульные гидрогенераторы, имеющие горизонтальный вал. Такие генераторы заключаются в водонепроницаемую оболочку (капсулу), которая с внешней стороны обтекается потоком воды, проходящим через турбину. Капсульные генераторы изготовляют на мощность несколько десятков мегавольт-ампер. Это сравнительно тихоходные генераторы (n = 60 ÷ 150 мин-1) с явнополюсным ротором.
Среди других типов синхронных генераторов, применяемых на электростанциях, надо отметить так называемые дизель-генераторы, соединяемые с дизельным двигателем внутреннего сгорания. Это явнополюсные машины с горизонтальным валом. Дизель как поршневая машина имеет неравномерный крутящий момент, поэтому дизель-генератор снабжается маховиком или его ротор выполняется с повышенным маховым моментом.
1.2. Номинальные параметры генераторов.
Завод-изготовитель предназначает генератор для определенного длительно допустимого режима работы, который называют номинальным. Этот режим работы характеризуется параметрами, которые носят название номинальных данных генератора и указываются на его табличке, а также в паспорте машины.
Номинальное напряжение генератора - это линейное (междуфазное) напряжение обмотки статора в номинальном режиме.
Номинальным током статора генератора называется то значение тока, при котором допускается длительная нормальная работа генератора при нормальных параметрах охлаждения (температура, давление и расход охлаждающего газа и жидкости) и номинальных значениях мощности и напряжения, указанных в паспорте генератора.
Номинальная полная мощность генератора определяется по следующей формуле:
S = m * UНОМ * IНОМ , ВА
Номинальная активная мощность генератора - это наибольшая активная мощность, для длительной работы с которой он предназначен в комплекте с турбиной:
Рном = S ном * соsφном, Вт
Номинальные мощности турбогенераторов должны соответствовать ряду мощностей согласно ГОСТ 533—85. Шкала номинальных мощностей крупных гидрогенераторов не стандартизирована.
Номинальный ток ротора - это наибольший ток возбуждения генератора, при котором обеспечивается отдача генератором его номинальной мощности при отклонении напряжения статора в пределах ± 5 % номинального значения и при номинальном коэффициенте мощности.
Номинальный коэффициент мощности согласно ГОСТ принимается равным: соsφном = 0,8 - для генераторов мощностью до 125 MBA; соsφном = 0,85 для турбогенераторов мощностью до 588 MBА и гидрогенераторов до 360 MBA; соsφном = 0,9 для более мощных машин.
Для капсульных гидрогенераторов обычно соsφном = 1. Каждый генератор характеризуется также КПД при номинальной нагрузке и номинальном коэффициенте мощности. Для современных генераторов номинальный коэффициент полезного действия колеблется в пределах 96,3 - 98,8%.
1.3. Системы охлаждения генераторов
Во время работы синхронного генератора его обмотки и активная сталь нагреваются. Допустимые температуры нагрева обмоток статора и ротора зависят в первую очередь от применяемых изоляционных материалов и температуры охлаждающей среды. По ГОСТ 533—76 для изоляции класса В (на асфальтобитумных лаках) допустимая температура нагрева обмотки статора должна находиться в пределах 105°С, а ротора 130°С. При более теплостойкой изоляции обмоток статора и ротора, например, классов F и Н, пределы допустимой температуры нагрева увеличиваются до 1350С и 1550С соответственно.
В процессе эксплуатации генераторов изоляция обмоток постепенно стареет. Причиной этого являются загрязнение, увлажнение, окисление кислородом воздуха, воздействие электрического поля и электрических нагрузок и т. д. Однако главной причиной старения изоляции является ее нагрев. Чем выше температура нагрева изоляции, тем быстрее она изнашивается, тем меньше срок ее службы. Срок службы изоляции класса В при температуре нагрева ее до 120°С составляет около 15 лет, а при нагреве до 140 °С — сокращается почти до 2 лет. Та же изоляция при температуре нагрева 105°С (т. е. в пределах ГОСТ) стареет значительно медленнее и срок службы ее увеличивается до 30 лет. Поэтому во время эксплуатации при любых режимах работы генератора нельзя допускать нагрева его обмоток свыше допустимых температур.
Для того чтобы температура нагрева не превышала допустимых значений, все генераторы выполняют с искусственным охлаждением. По способу отвода тепла от нагретых обмоток статора и ротора различают косвенное и непосредственное охлаждение.
При косвенном охлаждении охлаждающий газ (воздух или водород) с помощью вентиляторов, встроенных в торцы ротора, подается внутрь генератора и прогоняется через немагнитный зазор и вентиляционные каналы. При этом охлаждающий газ не соприкасается с проводниками обмоток статора и ротора и тепло, выделяемое ими, передается газу через значительный тепловой барьер — изоляцию обмоток.
При непосредственном охлаждении охлаждающее вещество (газ или жидкость) соприкасается с проводниками обмоток генератора, минуя изоляцию и сталь зубцов, т. е. непосредственно.
Отечественные заводы изготовляют турбогенераторы с воздушным, водородным и жидкостным охлаждением, а также гидрогенераторы с воздушным и жидкостным охлаждением.
Существуют две системы воздушного охлаждения - проточная и замкнутая. Проточную систему охлаждения применяют редко и лишь в турбогенераторах мощностью до 2 MBА, а также в гидрогенераторах до 4 MBА. При этом через генератор прогоняется воздух из машинного зала, который быстро загрязняет изоляцию обмоток статора и ротора, что в конечном счете сокращает срок службы генератора.
При замкнутой системе охлаждения один и тот же объем воздуха циркулирует по замкнутому контуру. Схематично циркуляция воздуха при таком охлаждении для турбогенератора представлена на рис. 2. Для охлаждения воздуха служит воздухоохладитель 2, по трубкам которого непрерывно циркулирует вода. Нагретый в машине воздух выходит через патрубок 2 в камеру горячего воздуха 3, проходит через воздухоохладитель и через камеру холодного воздуха 4 снова возвращается в машину. Холодный воздух нагнетается в машину встроенными вентиляторами 5. В генераторах с большой длиной активной части холодный воздух подается с обоих торцов машины, как это показано на рис. 2.
Рис. 2. Замкнутая система воздушного охлаждения турбогенератора
В целях повышения эффективности охлаждения турбогенераторов, длина активной части которых особенно велика, а воздушный зазор мал, используют многоструйную радиальную систему вентиляции. Для этого вертикальными плоскостями 6 делят систему охлаждения турбогенераторов на ряд секций. В каждую секцию воздух поступает из воздушного зазора (I и III секции) или из специального осевого канала 7 (II секция). Для увеличения поверхности соприкосновения нагретых частей с охлаждающим воздухом в активной стали машины выполняют систему вентиляционных каналов. Пройдя через радиальные вентиляционные каналы в стали, нагретый воздух уходит в отводящие камеры 8. Многоструйная вентиляция обеспечивает равномерное охлаждение турбогенератора по всей длине. Для восполнения потерь в результате утечек предусмотрен дополнительный забор воздуха через двойные масляные фильтры 9, установленные в камере холодного воздуха.
Отечественные заводы изготовляют турбогенераторы с замкнутой системой воздушного охлаждения мощностью до 12 МВт включительно. Замкнутая система косвенного охлаждения воздухом у гидрогенераторов применяется значительно шире. Наиболее крупный генератор с косвенным воздушным охлаждением серии СВ мощностью 264,7 MBА выпущен ПО «Электросила» для Братской ГЭС. Схема вентиляции гидрогенератора показана на рис. 3.
Рис. 3. Замкнутая система вентиляции гидрогенератора:
1 - ротор, 2 - статор, 3- воздухоохладитель, 4 — лопатки вентилятора.
В гидрогенераторах охлаждение явнополюсных роторов облегчается благодаря наличию межполюсных промежутков и большей поверхности охлаждения ротора.
Рис. 4. Схема многоструйной радиальной вентиляции в турбогенераторах:
1 - камеры холодного газа, 2 - камеры горячего газа, 3 – газоохладители.
Охлаждение гладкого ротора турбогенератора менее эффективно, так как в рассматриваемом случае он охлаждается только со стороны воздушного зазора. Последнее обстоятельство в значительной мере определяет ограниченные возможности воздушного охлаждения для турбогенераторов. У генераторов с воздушным охлаждением предусматривается устройство для тушения пожаров водой.
Турбогенераторы с косвенным водородным охлаждением имеют в принципе такую же схему вентиляции, как и при воздушном охлаждении. Отличие состоит в том, что объем охлаждающего водорода ограничивается корпусом генератора, в связи с чем охладители встраиваются непосредственно в корпус. Размещение газоохладителей и газосхема циркуляции водорода внутри генератора представлены на рис. 4.
Водородное охлаждение эффективнее воздушного, так как водород как охлаждающий газ по сравнению с воздухом имеет ряд существенных преимуществ. Он имеет в 1,51 раза больший коэффициент теплопередачи, в 7 раз более высокую теплопроводность. Последнее обстоятельство предопределяет малое тепловое сопротивление прослоек водорода в изоляции и зазорах пазов. Значительно меньшая плотность водорода по сравнению с воздухом позволяет уменьшить вентиляционные потери в 8 - 10 раз, в результате чего КПД генератора увеличивается на 0,8 - 1 %.
Отсутствие окисления изоляции в среде водорода по сравнению с воздушной средой повышает надежность работы генератора и увеличивает срок службы изоляции обмоток. К достоинствам водорода относится и то, что он не поддерживает горения, поэтому в генераторах с водородным охлаждением можно отказаться от устройства пожаротушения.
Внимание! Водород, заполняющий генератор в смеси с воздухом (от 4,1 до 74%, а в присутствии паров масла — от 3,3 до 81,5%), образует взрывоопасную смесь, поэтому у машин с водородным охлаждением должна быть обеспечена высокая газоплотность корпуса статора масляными уплотнениями вала, уплотнением токопроводов к обмоткам статора и ротора, уплотнением крышек газоохладителей, лючков и съемных торцевых щитов. Наиболее сложно выполнить надежные масляные уплотнения вала генератора, препятствующие утечке газа.
Чем выше избыточное давление водорода, тем эффективнее охлаждение генератора, следовательно, при одних и тех же размерах генератора можно увеличить его номинальную мощность. Однако при избыточном давлении более 0,4 - 0,6 МПа прирост мощности генератора не оправдывает затрат на преодоление возникающих при этом технических трудностей (усложнение работы уплотнений и изоляции обмоток). Поэтому давление водорода в современных генераторах более 0,6 МПа не применяется.
Генераторы с косвенным водородным охлаждением могут при необходимости работать и с воздушным охлаждением, но при этом их мощность соответственно уменьшается.