3.3. Система охлаждения

В процессе работы СК в нем выделяется теплота, обусловленная нагревом обмоток статора и ротора электрическим током, электромагнитными потерями в стали, потерями на вентиляцию и трение. Для нормальной работы СК необходим отвод тепла охлаждающей средой — воздухом или водородом.

В СК применяется так называемая косвенная (поверхностная) система охлаждения, передающая тепло охлаждающему газу внешней поверхностью активных частей машины.

По сравнению с воздухом водородное охлаждение имеет преимущества в связи с особыми свойствами водорода, а именно:

теплопроводность водорода в 7 раз превышает теплопроводность воздуха;

водород легче воздуха в 14,3 раза, что способствует уменьшению вентиляционных потерь почти в 10 раз;

в окружении водорода изоляция работает лучше, так как на нее не оказывает влияние кислород (озон);

уменьшается опасность развития пожара в машине, так как водород не поддерживает горение.

Однако водородное охлаждение более сложно в обслуживании по сравнению с воздушным. Кроме того, водород в соединении с воздухом образует взрывоопасную смесь, в связи с чем машины с водородным охлаждением должны быть газоплотными. Чтобы воздух не попал в корпус машины, в них постоянно должно поддерживаться избыточное давление водорода. Оптимальным для СК средней мощности принято рабочее давление водорода 0,1 МПа (1 кгс/см2). С уменьшением давления мощность СК падает.

Если водород в системе охлаждения заменить воздухом, то допустимая нагрузка СК должна быть не выше 60–70 % его номинальной мощности.

СК серии КСВ имеют замкнутую систему вентиляции. У СК наружной установки газоохладители размещаются вертикально внутри корпуса вблизи торцевых щитов. Они состоят из стальных трубных досок, между которыми проходят латунные трубки. Внутри трубок циркулирует вода, снаружи — охлаждаемый водой газ. Перемещение газа в машине обеспечивается двумя вентиляторами, расположенными по торцам ротора. Вентиляторы прогоняют газ по замкнутому пути: зона торцевых щитов — радиальные вентиляционные каналы в стали статора и лобовые части обмоток статора — камера горячего воздуха — газоохладители. Ротор под действием эффекта самовентиляции охлаждается газом, проходящим по радиальным каналам остова. Из камеры контактных колец охлаждающий газ возвращается в корпус СК через маслогазовый фильтр, очищающий газ от угольной пыли.

Для вытеснения воздуха в СК используется диоксид углерода. Подача диоксида углерода производится через нижний коллектор СК и через нижний газопровод камеры контактных колец. Воздух, как более легкий газ, удаляется из верхних точек этих объемов. Баллоны с диоксидом углерода подсоединяют к коллектору без редукторов. Одновременно разряжают несколько баллонов.

В процессе разрядки баллонов могут замерзнуть вентили на них и на коллекторе из-за того, что расширение диоксида углерода при переходе его из жидкого состояния в газообразное связано с поглощением теплоты. Если скорость истечения диоксида углерода превысит 3 кг/ч, подводимой снаружи теплоты окажется недостаточно и диоксид углерода замерзнет в арматуре и даже в баллонах. Поэтому вентили на баллонах и общий вентиль на коллекторе необходимо периодически закрывать и открывать. Замерзшие баллоны отсоединяют от рампы и располагают в теплом помещении или подогревают до полного размораживания. Затем их снова используют.

Эффективным способом опорожнения баллонов с диоксидом углерода является установка их в опрокинутом положении. В этом случае жидкий диоксид углерода выливается из баллонов. Во избежание замерзания при дросселировании вентилем вентиль подогревают электронагревательными элементами.

Контроль за сменой воздуха производится путем химического анализа вытесняемого воздуха. Его вытеснение считается законченным, если содержание диоксида углерода в смеси составит не менее 85 %. После этого закрывают вентиль выпуска из корпуса и все вентили коллектора.

Замена газовой среды возможна как на работающем СК, так и на остановленном.

Процесс вытеснения диоксида углерода водородом осуществляется следующим образом. Перед вытеснением продувают все импульсные трубки открытием их вентилей. Водород подают в верхний коллектор СК, а диоксид углерода удаляется через нижний коллектор. Заполнение СК водородом производится при избыточном давлении 10–20 кПа. Давление регулируют открытием вентиля, через который диоксид углерода вытесняется в атмосферу. Заполнение СК водородом считается законченным, когда химический анализ газа покажет, что в нем содержится 95–96 % водорода. Повышение давления водорода в СК до рабочего производится лишь после окончательного вытеснения диоксида углерода после закрытия выходного вентиля.

Контроль за вытеснением диоксида углерода на работающем СК ведется по дифференциальному манометру, а электрический газоанализатор должен быть отключен. Включение его производится в случае необходимости при чистоте водорода не ниже 90 %. Тогда же отбирается и первая проба газа для химического анализа.

Перевод СК с водородного на воздушное охлаждение производится следующим образом. Перед началом операции нагрузка СК снижается до 60–70 % его номинальной мощности — до значения, допустимого при работе с воздушным охлаждением. Порядок операций по вытеснению водорода диоксидом углерода такой же, как и при вытеснении воздуха диоксидом углерода. В корпусе СК поддерживается давление 10–20 кПа.

Вытеснение водорода диоксидом углерода заканчивается при содержании диоксида углерода в смеси, взятой из отборника на водородном коллекторе, не менее 95 % при остановленном СК и не менее 85 % на работающем СК.

Водород из СК должен выпускаться в атмосферу только через огнепреграждающее устройство.

Затем осуществляется вытеснение из корпуса СК диоксида углерода воздухом, подаваемым из ресивера по газопроводу через редуктор. Воздух подается до тех пор, пока диоксид углерода не удалится из СК полностью, то есть при условии содержания его в пробе не более 1 %.

Подготовка камеры контактных колец для работы внутри камеры (чистка, осмотр, замена щеток и др.) выполняется только при отключенном СК и остановленном роторе. Для последующего вскрытия камеры не обязательно вытеснение водорода из корпуса СК. Достаточно перекрыть вентили газопроводов, соединяющих камеру с корпусом, и отделить камеру от остального объема специальным (электромагнитным или механическим) уплотняющим устройством. Затем в камеру подается из баллона диоксид углерода. Время заполнения камеры диоксидом углерода, как правило, не превышает 10–15 мин.

Для вытеснения диоксида углерода воздух подается в камеру через верхний вентиль, а диоксид углерода выходит в атмосферу через нижний продувочный вентиль.

По окончании ремонта люк камеры закрывают, и воздух из нее сразу вытесняют диоксидом углерода, а затем диоксид углерода вытесняется водородом. Продувка камеры продолжается до тех пор, пока содержание водорода не станет таким же, как и в корпусе. После этого объемы камеры и корпуса соединяют открытием уплотнений и вентилей.

При контроле давления и чистоты водорода в СК с водородным охлаждением должны контролироваться давление и чистота водорода в корпусе машины. Давление водорода в СК поддерживается автоматически механическим регулятором давления или вручную при малой утечке водорода. Отклонение давления водорода от номинального значения допускается не более чем на 10 кПа для СК, работающих с избыточным давлением 50 кПа и выше, и не более чем на 1 кПа для СК с избыточным давлением 5 кПа.

Контроль за давлением ведется по манометру. При достаточной газоплотности корпуса суточная утечка водорода не превышает 2 % общего объема газа в СК.

Чистота водорода в СК при рабочем давлении 50 кПа должна быть не ниже 95 %, а при давлении 50 кПа и выше — не ниже 97 %. Снижение этих показателей повышает вероятность возникновения взрывоопасных смесей газов и приводит к дополнительному нагреву активных частей машины в среднем на 1 °C на каждые 1,5 % понижения чистоты водорода.

Помимо автоматического контроля чистоты водорода производится контрольный химический анализ газа. Показания электрического газоанализатора сверяются с результатами химического анализа.

Водород в СК должен быть сухим, с относительной влажностью не более 85 % при рабочем давлении и любой температуре холодного газа. Наличие влажности водорода вызывает конденсацию влаги внутри СК, снижает сопротивление изоляции обмоток, способствует повышенной коррозии стальных конструкций.

Влажность водорода контролируется по психрометру не реже 1 раза в неделю. Если влажность водорода повышается, то ее замеры производятся ежедневно.

Кроме того, проверяется отсутствие влаги в указателе уровня жидкости и у дренажных вентилей газовой системы. Причиной повышения влажности может быть как применение водорода с повышенным содержанием влаги, так и течь в газоохладителях.

В первом случае уменьшить содержание влаги можно путем продувки системы чистым сухим водородом, во втором случае — обнаружением поврежденного газоохладителя.

Необходимость строгого соблюдения требований безопасности при обслуживании систем водородного охлаждения обусловлена опасностью работы с водородом из-за возможного образования взрывоопасных смесей водорода с воздухом (если водорода содержится от 4 до 75 % по объему) или кислородом.

Взрывоопасная смесь образуется в корпусе СК по следующим причинам:

при понижении в нем давления водорода и подсосе воздуха;

при неполной продувке инертным газом во время замены охлаждающей среды;

при попадании водорода в СК через неплотно закрытые вентили, если отсутствует видимый разрыв по пути подачи водорода к коллектору.

Причинами взрыва могут быть местный нагрев, быстрое истечение газа, детонация, открытый огонь.

На случай внезапного повреждения водородной системы и загорания струи водорода вблизи СК должен находиться баллон с диоксидом углерода и шланги, которые позволят ликвидировать загорание на любом участке водородной системы.