Силовые трансформаторы и автотрансформаторы 12
Электрические аппараты 17
Токоведущие части 23
Измерительные трансформаторы 27
Разрядники и ограничители перенапряжений 31
5.1 Синхронные генераторы
5.1.1 Особенности конструкции и основные параметры
Для синхронных электрических машин в установившемся режиме работы имеется строгое соответствие между частотой вращения агрегата n , об/мин, и частотой сети f , Гц
n = 60f/p
где p – число пар полюсов обмотки статора генератора.
Паровые и газовые турбины выпускают на большие частоты вращения (3000 и 1500 об/мин), так как при этом турбоагрегаты (ТГ) имеют наилучшие технико-экономические показатели. На тепловых электростанциях (ТЭС), сжигающих обычное топливо, частота вращения агрегатов составляет 3000 об/мин, а синхронные турбогенераторы имеют два полюса. 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 как показано на рисунке 5.1.1. Ротор турбогенератора, работающий при больших механических и тепловых нагрузках, изготавливается из цельной поковки специальной стали с высокими магнитными и механическими свойствами.
Ротор выполняется неявнополюсным, как это показано на рисунке 5.1.2. Вследствие значительной частоты вращения диаметр ротора ограничивается по механической прочности 1,1-1,2 м при скорости 3000 об/мин. Длина бочки ротора также имеет предельное значение, равное 6-6,5 м. Определяется она из условий допустимого статического прогиба вала и получения приемлемых вибрационных характеристик.
В активной части ротора имеются пазы, заполняемые катушками обмотки возбуждения. В пазовой части обмотки закрепляются немагнитными легкими, но прочными клиньями из дюралюминия.
|
|
|
а – паз статора при косвенном охлаждении; б – паз статора при непосредственном охлаждении; в – паз ротора при косвенном охлаждении; г — паз ротора при непосредственном охлаждении Рисунок 5.1.1 — Схематический разрез пазов турбогенератора |
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, обеспечивающие циркуляцию охлаждающего газа в машине.
1- канавка обмотки; 2- канавка полюса; 3- поперечный шлиц
Рисунок 5.1.2 — Обработанное тело ротора
Статор турбогенератора состоит из корпуса и сердечника. Корпус изготовляется сварным, с торцов он закрывается щитом с уплотнениями в местах стыка с другими частями. Сердечник набирается из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Листы набирают пакетами, между которыми оставляют вентиляционные каналы, как показано на рисунке 5.1.3.
В пазы, имеющиеся во внутренней расточке сердечника, укладывается трехфазная двухслойная обмотка. Общий вид турбогенератора типа ТВВ-500 показан на рисунке 5.1.4.
|
|
1 – сегмент; 2 – зубец сегмента; 3 – спинка сегмента; 4 – аксиальный вентиляционный канал; 5 – радиальный вентиляционный канал; 6 – распорка; 7 – паз статора. Рисунок 5.1.3 — Сегментный пакет статора турбогенератора |
Рисунок 5.1.4 — Турбогенератор типа ТВВ-500-2 мощностью 500 МВт с непосредственным охлаждением обмотки ротора водородом и обмотки статора водой
Гидравлические турбины имеют частоту вращения 60-600 об/мин, которая зависит от напора воды. Поэтому гидрогенераторы являются тихоходными машинами и имеют большие размеры, массы и большое число полюсов.
Гидрогенераторы (ГГ) выполняют явнополюсными и преимущественно с вертикальным расположением вала. Диаметры роторов мощных гидрогенераторов достигают 14-16 м, а диаметры статоров – 20-22 м. сердечником ротора служит обод, собираемый на спицах, которые крепятся на втулке. Полюсы, делают наборными из стальных листов и монтируют на ободе ротора, как это показано на рисунке 5.1.5. На полюсах размещается и демпферная обмотка, предназначенная для успокоения колебаний, возникающих при резких изменениях нагрузки.
|
|
1-.вал; 2 – втулка; 3 — спицы; 4 — соединительные балки спиц; 5- обод; 6 — полюсы Рисунок 5.1.5 — Конструкция ротора гидрогенератора |
Элементы конструкции и типы существующих гидрогенераторов приведены на рисунках 5.1.6, 5.1.7 , 5.1.8.
|
|
1 – сегмент; 2 – зубец сегмента; 3 – спинка сегмента; 4 – радиальный канал; 5 – паз статора; 6 – распорка Рисунок 5.1.6 — Сегментный пакет сердечника статора гидрогенератора |
|
|
|
а – подвесной тип; б – зонтичный тип; 1 – возбудитель; 2 – верхний направляющий подшипник; 3 – подпятник; 4 – верхняя крестовина; 5 – ротор; 6 – нижний направляющий подшипник; 7 – нижняя крестовина Рисунок 5.1.7 — Принципиальные схемы конструкции гидрогенераторов |
|
|
|
1 – статор; 2 – ротор; 3 – вспомогательный генератор; 4 – подпятник; 5 – крестовина; 6 – направляющий подшипник Рисунок 5.1.8 — Гидрогенератор подвесного типа мощностью 225 Мвт с частотой 125 об/мин |
|
Статор гидрогенератора имеет такую же конструкцию, как и статор турбогенератора, но в отличие от последнего выполняется разъемным. Он делится по окружности на несколько равных частей, что облегчает его транспортировку и монтаж.
Находят применение и, так называемые, капсульные гидрогенераторы, имеющие горизонтальный вал. Такие генераторы заключаются в водонепроницаемую оболочку (капсулу), которая с внешней стороны обтекается потоком воды, проходящим через турбину. Это сравнительно тихоходные генераторы ( n = 60 150 об/мин) с явнополюсным ротором.
Среди других типов синхронных генераторов (СГ) надо отметить 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
Завод – изготовитель предназначает генераторы для длительно допустимого режима работы, который называют номинальным . Этот режим 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 номинальная 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
.
Номинальная активная мощность генератора – эта наибольшая активная мощность, для длительной работы с которой он предназначен.
.
Номинальные мощности турбогенераторов должны соответствовать ряду мощностей. Шкала номинальных мощностей крупных гидрогенераторов не стандартизирована.
Номинальный ток ротора – эта 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 – принимается равным 0,8 для генераторов мощностью до 125 МВА, 0,85 для турбогенераторов мощностью до 588 МВА и гидрогенераторов 360 МВА, 0,9 — для более мощных машин.
Во время работы синхронного генератора его обмотки и активная сталь нагреваются, а допустимые температуры нагрева обмоток статора и ротора зависят от применяемых изоляционных материалов.
Для изоляции класса В (на асфальтобитумных лаках) допустимая температура нагрева обмотки статора находиться в пределах 105 о С, а ротора 130о С. При более теплостойкой изоляции обмоток статора и ротора, например, классов F и Н, пределы допустимой температуры нагрева увеличиваются.
В процессе эксплуатации изоляция обмоток стареет. Главной причиной старения изоляции является ее нагрев. Чем выше температура нагрева изоляции, тем меньше срок ее службы.
Из курса электрических машин известно, что мощность генератора определяется в соответствии с выражением
(кВА)
где коэффициент пропорциональности;
— линейная нагрузка;
— индукция в зазоре;
— диаметр ротора;
— длина ротора;
— число оборотов.
Из этого следует, что мощность генератора, прежде всего, ограничена предельными размерами ротора и величиной индукции и ее дальнейшее увеличение возможно только за счет увеличения линейной нагрузки, а следовательно, только за счет интенсификации охлаждения.
Отвод тепла от сердечников статора и ротора осуществляется непосредственным контактом охлаждающей среды с активной сталью в зазоре и радиальных и аксиальных охлаждающих каналах, как это показано на рисунке 5.1.9.
|
|
|
Рисунок 5.1.9 — Осевая (аксиальная ) и радиальная система вентиляции
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 5.1.10 один 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
|
|
Рисунок 5.1.10 — Замкнутая система воздушного охлаждения турбогенератора |
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.
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 5.1.11 — 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 5.1.12 — 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, как это показано на рисунке 2.1.13.
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.
|
|
1- пазовый клин; 2 — корпусная изоляция; 3 — массивный элементарный проводник; 4 — газовые трубки; 5- бочка ротора; 6 — дюралюминиевый клин; 7 — подклиновая изоляция; 8 — полувитки обмотки; 9 — горизонтальный вентиляционный канал Рисунок 5.1.13 — Разрез паза статора (а) и ротора (б) генератора типа ТГВ |
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.
5.2 Силовые трансформаторы и автотрансформаторы
5.2.1 Основные параметры
Трансформаторы предназначены для преобразования электроэнергии с одного напряжения на другое. Единичная мощность трансформаторов ограничивается массой, размерами, условиями транспортировки. Однофазные трансформаторы применяются, если невозможно изготовление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка.
Трансформаторы разделяются на двухобмоточные и трехобмоточные.
Обмотки одного и того же напряжения могут состоять из двух и более параллельных ветвей. Такие трансформаторы называются с расщепленными обмотками. Обмотки обозначаются ВН, СН, НН. Основные схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов приведены на рисунке 5.2.1.
а)двухобмоточный; б) трехобмоточный; в) с расщепленной обмоткой
Рисунок 5.2.1 — Основные схемы соединения силовых трансформаторов
Силовые трансформаторы характеризуются номинальными параметрами.
Номинальная мощность — значение полной мощности, на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор в номинальных условиях.
Номинальное напряжение обмоток – напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе трансформатора.
Коэффициент трансформации n — отношение номинальных напряжений обмоток высшего и низшего напряжений
.
В трехобмоточных трансформаторах коэффициент трансформации определяется для каждой пары обмоток: ВН и НН ; ВН и СН ; СН и НН.
Номинальные токи – это значения токов в обмотках, при которых допускается длительная номинальная работа трансформатора.
Напряжение короткого замыкания u к – напряжение, при котором в одной из обмоток трансформатора, при замкнутой накоротко другой, в последней проходит ток, равный номинальному. Величина u к характеризует полное сопротивление обмоток. В трехобмоточных трансформаторах и автотрансформаторах u к определяется для каждой пары обмоток, при разомкнутой третьей. В каталогах приводятся три значения u кВ-Н , u кВ-С , u кС-Н %;
Ток холостого хода I Х характеризует активные и реактивные потери в стали и зависит от магнитных свойств стали, конструкции и качества сборки магнитопровода и от магнитной индукции.
Потери холостого хода Р Х состоят из потерь в стали на перемагничивание и вихревые токи. Применяется сталь с малым содержанием углерода и специальными присадками, толщиной 0,3 мм с жаростойким покрытием.
Потери короткого замыкания Р К состоят из потерь в обмотках при протекании токов нагрузки и добавочных потерь в обмотках и конструкции.
