Генераторы. Общие сведения

Синхронные генераторы составляют основу электротехнического оборудования электростанций, т. е. практически вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами. Единичная мощность современных синхронных генераторов достигает миллиона киловатт и более.

В зависимости от рода первичного двигателя, которым приводится во вращение синхронный генератор, применяются названия: паротурбинный генератор или сокращенно турбогенератор (первичный двигатель — паровая турбина), гидротурбинный генератор или сокращенно гидрогенератор (первичный двигатель — гидравлическая турбина) и дизель-генератор (первичный двигатель — дизель).

Генераторы переменного тока, работающие на электрических станциях, в большинстве случаев являются синхронными машинами.

Синхронный генератор предназначен для преобразования механической энергии в энергию 3-х фазного переменного тока.

Синхронная машина в обычном исполнении состоит из неподвижной части — статора, в пазах которого помещается трехфазная обмотка, и вращающейся части — ротора — с электромагнитами, к обмотке которых подводится постоянный ток при помощи контактных колец и наложенных на них щток.

Ток возбуждения протекает по обмотке возбуждения, которая представляет собой последовательно соединённые катушки, помещенные на полюсы ротора. Концы обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами, которые крепятся на валу машины. На кольцах помещаются неподвижные щетки, посредством которых в обмотку возбуждения подводится постоянный ток от постороннего источника энергии - генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

 

1 - синхронный генератор; 2 — возбудитель

Рисунок 5.1 - Устройство синхронного генератора

 

Для синхронных электрических машин имеется строгое соответствие между частотой вращения агрегата n, об/мин, и частотой сети f, Гц

 

n = 60f / p,

 

где р - число пар полюсов обмотки статора генератора.

Конструкция генераторов зависит от скорости вращения турбин. На тепловых электростанциях (ТЭС), сжигающих обычное топливо, n =3000 об/мин, а р =2. На АЭС применяют агрегаты с частотой вращения 1500 и 3000 об/мин.

Быстроходные турбогенераторы представляют собой цилиндрический статор, в пазах которого расположены секции обмотки переменного тока Внутри статора вращается цилиндрический ротор с горизонтальным валом.

Ротор, работающий при больших механических и тепловых нагрузках, изготавливается из цельной поковки специальной стали, обладающей высокими магнитными и механическими свойствами. Ротор выполняется неявно- полюсным. Диаметр ротора ограничивается по соображениям механической прочности 1,1-1,2 м при скорости 3000 об/мин. Длина бочки ротора имеет предельное значение, равное 6-6,5 м, которое определяется из условий допустимого статического прогиба вала и получения приемлемых вибрационных характеристик.

В активной части ротора фрезеруются пазы, заполняемые катушками обмотки возбуждения, которые закрепляются немагнитными клиньями из дюралюминия. Лобовая часть обмотки предохраняется от смещения под действием центробежных сил с помощью бандажа из немагнитной высокопрочной стали.

Статор турбогенератора состоит из корпуса и сердечника. Корпус изготовляется сварным, с торцов он закрывается щитом с уплотнениями в местах стыка с другими частями. 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 двухслойная обмотка.

Гидравлические турбины имеют относительно малую частоту вращения (60-600 об/мин), поэтому гидрогенераторы 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, а диаметры статоров - 20-22 м.

Статор гидрогенератора имеет принципиально такую же конструкцию, как и статор турбогенератора, но в отличие от последнего выполняется разъемным. Он делится по окружности на несколько равных частей.

Завод - изготовитель предназначает генераторы для определенного длительно допустимого режима работы, К ним относятся номинальное напряжение генератора, номинальный ток статора, номинальная полная мощность, номинальная активная мощность генератора, номинальный ток ротора, номинальный коэффициент мощности и номинальный коэффициент полезного действия, который колеблется в пределах 96,3-98,8%.

Отвод тепла от сердечников статора и ротора осуществляется непосредственным контактом охлаждающей среды с активной сталью в зазоре и радиальных и аксиальных охлаждающих каналах.

По способу отвода тепла от 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.

При воздушном охлаждении имеют место две системы – проточная и замкнутая.

Проточную систему охлаждения применяют редко. При этом через генератор прогоняется воздух из машинного зала, который быстро загрязняет изоляцию обмоток статора и ротора, что сокращает срок службы генератора.

При замкнутой системе охлаждения в соответствии с рисунком 5.1.10один и тот же объем очищенного воздуха циркулирует по замкнутому контуру. Для охлаждения воздуха служит воздухоохладитель. Холодный воздух нагнетается встроенными вентиляторами.

При этом охлаждение гладкого ротора турбогенератора не эффективно, так как он охлаждается только со стороны воздушного зазора. Это определяет ограниченные возможности воздушного охлаждения для турбогенератора. Турбогенераторы с замкнутой системой воздушного охлаждения выпускаются мощностью до 12 МВт включительно. Для гидрогенераторов з амкнутая система косвенного охлаждения воздухом применяется значительно шире

Применение в качестве охлаждающей среды водорода намного эффективнее, так как водород по сравнению с воздухом имеет в 1,51 раза больший коэффициент теплопередачи, в 7 раз более высокую теплопроводность. Меньшая плотность водорода позволяет уменьшить вентиляционные потери в 8-10 раз, в результате чего КПД генератора увеличивается на 0,8-1%.

Отсутствие окисления изоляции в среде водорода повышает надежность работы генератора и увеличивает срок службы изоляции обмоток.

Водородное охлаждение создает ряд трудностей, обусловленных возможностью образования взрывоопасной смеси при определенном содержании водорода и кислорода и наличии высокой температуры.

Для устранения опасности взрыва содержание водорода должно быть более 70 % и обычно составляет 97-99%. Во избежание проникновения воздуха внутрь генератора давление водорода должно быть выше атмосферного – не менее 0,103 -0,107 МПа.

Источником водорода на современных ТЭС являются электролизные установки, в которых водород получают путем электролиза воды.

При заполнении корпуса генератора водородом во избежание образования гремучей смеси, воздух сначала вытесняется инертным газом (обычно углекислотой). Вытеснение водорода производят в обратном порядке.

Генераторы серии ТВ (ТВ2) мощностью до 150 МВт с использованием косвенного водородного охлаждения эксплуатируются на многих ТЭС.

В современных турбогенераторах мощностью 100 МВт и более применяется непосредственное водородное охлаждение, которое осуществляется путем подачи водорода внутрь полых проводников обмотки.При этом конструкция выполняется с многоструйной системой вентиляции, как это показано на рисунке 5.1.11.

 

1 - камеры холодного газа; 2 - камеры горячего газа; 3 - газоохладители Рисунок 5.2 - Схема многоструйной радиальной вентиляции в турбогенераторах

В генераторах серии ТВФ применяется косвенное охлаждение обмоток статора водородом и непосредственное (форсирование) охлаждение ротора, как это показано на рисунке 5.1.12.Охлаждающий газ забирается из зазора с последующим выбросом нагретого газа обратно в зазор. Проводники 1 обмотки ротора выполняются сплошными прямоугольного сечения, а на боковых поверхностях их фрезеруются косые вентиляционные каналы 2. При работе генератора (вращении ротора) водород поступает в заборное отверстие 3 и, проходя по косому вентиляционному каналу до дна 4, выходит с другой стороны паза в другой канал и через выпускное отверстие 5 падает снова в зазор.

 

а- схема охлаждения; б - разрез паза Рисунок 5.3 - Устройство многоструйного непосредственного охлаждения ротора турбогенератора

 

В генераторах серии ТГВ мощностью 200 и 300 МВт водород циркулирует в осевых (аксиальных) прямоугольных каналах, которые образуются корытообразными проводниками обмоток статора, или в тонкостенных трубках из немагнитной стали, заложенных внутри стрежней.

При непосредственном жидкостном охлаждении генераторов в качестве охлаждающей жидкости применяют дистиллированную воду или масло, которые обладает более высокой теплоотводящей способностью по сравнению с водородом. В большинстве случаев мощные генераторы выполняют с водяным охлаждением обмоток. Питание обмотки водой осуществляется путем подвода воды с помощью шлангов из пластмассы, обладающей высокой электрической прочностью и необходимой эластичностью (фторопласт-4). Охлаждение обмотки статора водой в сочетании с непосредственным охлаждением обмотки ротора и активной стали водородом применяется в турбогенераторах типа ТВВ мощностью 160-800 МВт.

Выполнение непосредственного охлаждения ротора генератора связано с большими трудностями, особенно в отношениях подвода воды к вращающемуся ротору.

Серия турбогенераторов ТВМ имеет комбинированную систему охлаждения: ротор охлаждается водой, а статор (обмотка, активная сталь и конструктивные элементы) – кабельным маслом. В ТВМ применена дешевая и надежная бумажно-масляная изоляция кабельного типа. Это позволило сократить расходы на изоляцию обмоток генератора.

Бумажно-масляная изоляция позволяет применять более высокие номинальные напряжения для генераторов без значительного увеличения затрат. Так генератор ТВМ-500 спроектирован на напряжение 36,75 кВ. Увеличение номинального напряжения позволило уменьшить ток статора почти в 2 раза, облегчить токоведущие части и включать генератор в сеть без промежуточной трансформации.

Основная особенность масляного охлаждения заключается в том, что пространство, в котором вращается ротор генератора, отделяется от статора, заполненного маслом, изоляционным цилиндром.

В полной мере преимущества непосредственного охлаждения реализованы в генераторах Т3В-800-2. В них водой охлаждаются не только обмотки, но и сталь статора, и его конструкционные элементы.

Дальнейшим шагом в направлении развития систем охлаждения является разработка криогенных генераторов с охлаждением жидким гелием.