1. синхронного генератора
1.1. Технічні характеристики і конструкції сучасних генераторів
Для вироблення електроенергії на електростанціях застосовують синхронні генератори трифазного змінного струму. Розрізняють турбогенератори (первинний двигун - парова або газова турбіна) і гідрогенератори (первинний двигун - гідротурбіна).
Для синхронних електричних машин в сталому режимі роботи є строга відповідність між частотою обертання агрегату n, хв-1, і частотою мережі f1, Гц:
n = 60 * f1 / p, хв-1
де р - число пар полюсів обмотки статора генератора.
Парові турбіни випускають на великі частоти обертання (3000 і 1500 хв-1), т. К. При цьому турбоагрегати мають найкращі техніко-економічні показники. На теплових електростанціях (ТЕС), що спалюють звичайне паливо, частота обертання агрегатів, як правило, становить 3000 хв-1, а синхронні турбогенератори мають два полюси. На АЕС застосовують агрегати з частотою обертання 1500 і 3000 хв-1.
Швидкохідність турбогенератора визначає особливості його конструкції. Ці генератори виконуються з горизонтальним валом. Ротор турбогенератора, що працює при великих механічних і теплових навантаженнях, виготовляється з цільної поковки спеціальної сталі (хромонікелевої або хромонікельмолібденових), що володіє високими магнітними і механічними властивостями.
Ротор виконується неявнополюсним. Унаслідок значної частоти обертання діаметр ротора обмежується з міркувань механічної міцності з урахуванням частоти обертання. Довжина бочки ротора також має граничне значення, рівне 6-6,5 м. Визначається воно з умов допустимого статичного прогину вала і отримання прийнятних вібраційних характеристик. В активній частині ротора, по якій проходить основний магнітний потік, фрезеруються пази, що заповнюються котушками обмотки збудження (рис. 1), В пазової частини обмотки закріплюються немагнітними, легкими, але міцними клинами з дюралюмінію. Лобова частина обмотки, не що у пазах, охороняється від зсуву під дією відцентрових сил за допомогою бандажа. Бандажі є найбільш напруженими в механічному відношенні частинами ротора і зазвичай виконуються з немагнітної високоміцної сталі. По обидва боки ротора на його валу встановлюються вентилятори (найчастіше пропелерного типу), що забезпечують циркуляцію охолоджувального газу в машині.
Статор турбогенератора складається з корпусу і сердечника. Корпус виготовляється звареним, з торців він закривається щитами з ущільненнями в місцях стику з іншими частинами (рис. 1). Сердечник статора набирається з ізольованих листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 мм. Листи набирають пакетами, між якими залишають вентиляційні канали. У пази, наявні у внутрішній расточке сердечника, укладається трифазна обмотка, зазвичай двошаровий.
Гідротурбіни мають зазвичай відносно малу частоту обертання (60-600 хв-1). Частота обертання тим менше, чим менше натиск води і чим більше потужність турбіни. Гідрогенератори тому є тихохідними машинами і мають великі розміри і маси, а також велике число полюсів. Гідрогенератори виконують з явнополюснимі роторами і переважно з вертикальним розташуванням вала. Діаметри роторів потужних гідрогенераторів досягають 14 - 16 м, а діаметри статоров - (20 - 22) м.
У машинах з великим діаметром ротора сердечником служить обід, що збирається на спицях, які кріпляться на втулці ротора. Полюси, як і обід, роблять складальними із сталевих листів і монтують на рамі ротора за допомогою Т-подібних виступів (рис. 2). На полюсах, крім обмотки збудження, розміщується ще так звана демпферна обмотка, яка утворюється з мідних стрижнів, які закладаються в пази на полюсних наконечниках і замкнених з торців ротора кільцями. Ця обмотка призначена для заспокоєння коливань ротора агрегату, які виникають при всякому обурення, пов'язаному з різкою зміною навантаження генератора.
Мал. 1. Загальний вигляд сучасного турбогенератора:
1 - обмотка статора; 2 - ротор; 3,4 з'єднувальні муфти; 5 - корпус статора;
6 - сердечник статора; 7 - збудник; 8 - контактні кільця ротора і щітки;
9 - підшипники генератора; 10 - підшипники збудника.
У турбогенераторах роль заспокійливої обмотки виконують масивна бочка ротора і металеві клини, що закривають обмотку збудження в пазах. Статор гідрогенератора має принципово таку ж конструкцію, як і статор турбогенератора, але на відміну від останнього виконується роз'ємним. Він ділиться по колу на дві - шість рівних частин, що значно полегшує його транспортування і монтаж.
В останні роки починають знаходити застосування так звані капсульні гідрогенератори, мають горизонтальний вал. Такі генератори полягають в водонепроникну оболонку (капсулу), яка із зовнішнього боку обтекается потоком води, що проходить через турбіну. Капсульні генератори виготовляють на потужність кілька десятків мегавольт-ампер. Це порівняно тихохідні генератори (n = 60 ÷ 150 хв-1) з явнополюсним ротором.
Серед інших типів синхронних генераторів, застосовуваних на електростанціях, треба відзначити так звані дизель-генератори, що з'єднуються з дизельним двигуном внутрішнього згорання. Це явнополюсние машини з горизонтальним валом. Дизель як поршнева машина має нерівномірний крутний момент, тому дизель-генератор забезпечується маховиком або його ротор виконується з підвищеним маховим моментом.
1.2. Номінальні параметри генераторів.
Завод-виробник призначає генератор для певного тривало допустимого режиму роботи, який називають номінальним. Цей режим роботи характеризується параметрами, які носять назву номінальних даних генератора і вказуються на його табличці, а також в паспорті машини.
Номінальна напруга генератора - це лінійне (міжфазова) напруга обмотки статора в номінальному режимі.
Номінальним струмом статора генератора називається те значення струму, при якому допускається тривала нормальна робота генератора при нормальних параметрах охолодження (температура, тиск і витрата охолоджуючого газу і рідини) і номінальних значеннях потужності і напруги, зазначених у паспорті генератора.
Номінальна повна потужність генератора визначається за такою формулою:
S = m * UНОМ * IНОМ. ВА
Номінальна активна потужність генератора - це найбільша активна потужність, для тривалої роботи з якої він призначений в комплекті з турбіною:
Рном = S ном * соs # 966; ном, Вт
Номінальні потужності турбогенераторів повинні відповідати ряду потужностей згідно ГОСТ 533-85. Шкала номінальних потужностей великих гідрогенераторів не стандартизовані.
Номінальний струм ротора - це найбільший струм збудження генератора, при якому забезпечується віддача генератором його номінальної потужності при відхиленні напруги статора в межах ± 5% номінального значення і при номінальному коефіцієнті потужності.
Номінальний коефіцієнт потужності згідно ГОСТ приймається рівним: соs # 966; ном = 0,8 - для генераторів потужністю до 125 MBA; соs # 966; ном = 0,85 для турбогенераторів потужністю до 588 MBА і гідрогенераторів до 360 MBA; соs # 966; ном = 0,9 для більш потужних машин.
Для капсульних гідрогенераторів зазвичай соs # 966; ном = 1. Кожен генератор характеризується також КПД при найменшому навантаженні і номінальному коефіцієнті потужності. Для сучасних генераторів номінальний коефіцієнт корисної дії коливається в межах 96,3 - 98,8%.
1.3. Системи охолодження генераторів
Під час роботи синхронного генератора його обмотки і активна сталь нагріваються. Допустимі температури нагрівання обмоток статора і ротора залежать в першу чергу від застосовуваних ізоляційних матеріалів і температури охолоджуючої середовища. За ГОСТ 533-76 для ізоляції класу В (на асфальтобітумної лаках) допустима температура нагріву обмотки статора повинна знаходитися в межах 105 ° С, а ротора 130 ° С. При більш теплостійкою ізоляції обмоток статора і ротора, наприклад, класів F та Н, межі допустимої температури нагріву збільшуються до 1350С і 1550С відповідно.
В процесі експлуатації генераторів ізоляція обмоток поступово старіє. Причиною цього є забруднення, зволоження, окислення киснем повітря, вплив електричного поля і електричних навантажень і т. Д. Однак головною причиною старіння ізоляції є її нагрівання. Чим вище температура нагріву ізоляції, тим швидше вона зношується, тим менше термін її служби. Термін служби ізоляції класу В при температурі нагріву її до 120 ° С становить близько 15 років, а при нагріванні до 140 ° С - скорочується майже до 2 років. Та ж ізоляція при температурі нагріву 105 ° С (т. Е. В межах ГОСТ) старіє значно повільніше і термін служби її збільшується до 30 років. Тому під час експлуатації за будь-яких режимах роботи генератора не можна допускати нагрівання його обмоток понад допустимих температур.
Для того щоб температура нагріву не перевищувала допустимих значень, все генератори виконують зі штучним охолодженням. За способом відведення тепла від нагрітих обмоток статора і ротора розрізняють непряме і безпосереднє охолодження.
При непрямому охолодженні охолоджуючий газ (повітря або водень) за допомогою вентиляторів, вбудованих в торці ротора, подається всередину генератора і проганяється через немагнітний зазор і вентиляційні канали. При цьому охолоджуючий газ не стикається з провідниками обмоток статора і ротора і тепло, що виділяється ними, передається газу через значний тепловий бар'єр - ізоляцію обмоток.
При безпосередньому охолодженні охолоджуючу речовину (газ або рідина) стикається з провідниками обмоток генератора, минаючи ізоляцію і сталь зубців, т. Е. Безпосередньо.
Вітчизняні заводи виготовляють турбогенератори з повітряним, водневим і рідинним охолодженням, а також гідрогенератори з повітряним і рідинним охолодженням.
Існують дві системи повітряного охолодження - проточна і замкнута. Проточну систему охолодження застосовують рідко і лише в турбогенераторах потужністю до 2 MBА, а також в гідрогенераторах до 4 MBА. При цьому через генератор проганяється повітря з машинного залу, який швидко забруднює ізоляцію обмоток статора і ротора, що в кінцевому рахунку скорочує термін служби генератора.
При замкнутій системі охолодження один і той же об'єм повітря циркулює по замкнутому контуру. Схематично циркуляція повітря при такому охолодженні для турбогенератора представлена на рис. 2. Для охолодження повітря служить воздухоохладитель 2, по трубках якого безперервно циркулює вода. Нагріте в машині повітря виходить через патрубок 2 в камеру гарячого повітря 3, проходить через повітроохолоджувач і через камеру холодного повітря 4 знову повертається в машину. Холодне повітря нагнітається в машину вбудованими вентиляторами 5. У генераторах з великою довжиною активної частини холодне повітря подається з обох торців машини, як це показано на рис. 2.
Мал. 2. Замкнута система повітряного охолодження турбогенератора
З метою підвищення ефективності охолодження турбогенераторів, довжина активної частини яких особливо велика, а повітряний зазор малий, використовують Багатоструменеві радіальну систему вентиляції. Для цього вертикальними площинами 6 ділять систему охолодження турбогенераторів на ряд секцій. У кожну секцію повітря надходить з повітряного зазору (I і III секції) або зі спеціального осьового каналу 7 (II секція). Для збільшення поверхні зіткнення нагрітих частин з охолоджуючим повітрям в активній стали машини виконують систему вентиляційних каналів. Пройшовши через радіальні вентиляційні канали в стали, нагріте повітря йде в відводять камери 8. Багатоструменеві вентиляція забезпечує рівномірне охолодження турбогенератора по всій довжині. Для заповнення втрат в результаті витоків передбачений додатковий забір повітря через подвійні масляні фільтри 9, встановлені в камері холодного повітря.
Вітчизняні заводи виготовляють турбогенератори з замкнутою системою повітряного охолодження потужністю до 12 МВт включно. Замкнута система непрямого охолодження повітрям у гідрогенераторів застосовується значно ширше. Найбільший генератор з непрямим повітряним охолодженням серії СВ потужністю 264,7 MBА випущений ВО «Електросила» для Братської ГЕС. Схема вентиляції гідрогенератора показана на рис. 3.
Мал. 3. Замкнута система вентиляції гідрогенератора:
1 - ротор, 2 - статор, 3 воздухоохладитель, 4 - лопатки вентилятора.
У гідрогенераторах охолодження явнополюсних роторів полегшується завдяки наявності міжполюсних проміжків і більшої поверхні охолодження ротора.
Мал. 4. Схема Багатоструменеві радіальної вентиляції в турбогенераторах:
1 - камери холодного газу, 2 - камери гарячого газу, 3 - Газоохолоджувачі.
Охолодження гладкого ротора турбогенератора менш ефективно, так як в даному випадку він охолоджується тільки з боку повітряного зазору. Остання обставина значною мірою визначає обмежені можливості повітряного охолодження для турбогенераторів. У генераторів з повітряним охолодженням передбачається пристрій для гасіння пожеж водою.
Турбогенератори з непрямим водневим охолодженням мають в принципі таку ж схему вентиляції, як і при повітряному охолодженні. Відмінність полягає в тому, що обсяг охолоджуючого водню обмежується корпусом генератора, в зв'язку з чим охолоджувачі вбудовуються безпосередньо в корпус. Розміщення газоохолоджувачів і газосхема циркуляції водню всередині генератора представлені на рис. 4.
Водневе охолодження ефективніше повітряного, так як водень як охолоджуючий газ в порівнянні з повітрям має ряд істотних переваг. Він має в 1,51 рази більший коефіцієнт теплопередачі, в 7 разів більше високу теплопровідність. Остання обставина зумовлює мале теплове опір прошарків водню в ізоляції і зазорах пазів. Значно менша щільність водню в порівнянні з повітрям дозволяє зменшити вентиляційні втрати в 8 - 10 разів, в результаті чого ККД генератора збільшується на 0,8 - 1%.
Відсутність окислення ізоляції в середовищі водню в порівнянні з повітряним середовищем підвищує надійність роботи генератора і збільшує термін служби ізоляції обмоток. До переваг водню відноситься і те, що він не підтримує горіння, тому в генераторах з водневим охолодженням можна відмовитися від устаткування пожежегасіння.
Увага! Водень, що заповнює генератор в суміші з повітрям (від 4,1 до 74%, а в присутності парів масла - від 3,3 до 81,5%), утворює вибухонебезпечну суміш, тому у машин з водневим охолодженням повинна бути забезпечена висока газощільність корпусу статора олійними ущільненнями валу, ущільненням токопроводов до обмоток статора і ротора, ущільненням кришок газоохолоджувачів, лючків і знімних торцевих щитів. Найбільш складно виконати надійні масляні ущільнення вала генератора, що перешкоджають витоку газу.
Чим вище надлишковий тиск водню, тим ефективніше охолодження генератора, отже, при одних і тих же розмірах генератора можна збільшити його номінальну потужність. Однак при надмірному тиску понад 0,4 - 0,6 МПа приріст потужності генератора не виправдовує витрат на подолання виникаючих при цьому технічні труднощі (ускладнення роботи ущільнень і ізоляції обмоток). Тому тиск водню в сучасних генераторах більше 0,6 МПа не застосовується.
Генератори з непрямим водневим охолодженням можуть при необхідності працювати і з повітряним охолодженням, але при цьому їх потужність відповідно зменшується.