книги из ГПНТБ / Церазов, А. Л. Электрическая часть тепловых электростанций учебник

одинаковые плотности тока и магнитные индукции. Тогда из (2-4) следует, что линейные размеры машин пропор­ циональны корню четвертой степени из Р0/п:

< 2 ' 5 >

Так как момент вращения машины М Рэ/п, то (2-5) можно записать в виде 1==уМ.

Это означает, что в ряде машин возрастающей мощ­ ности, имеющих неизменные плотности тока и величины магнитных индукций, линейные размеры растут пропор­ ционально корню четвертой степени из их номинального момента вращения.

Для ряда электрических машин с одинаковой часто­ той вращения (а также для трансформаторов)

Эта закономерность дает возможность сделать ряд важных выводов. Поскольку масса активных материа­ лов (меди и стали) пропорциональна их объему (т. е. I3), значит для ряда подобных машин масса

Для такого же ряда машин можно считать стоимость активных материалов машины С и потери П в них про­ порциональными массе активных материалов, следова­ тельно,

Для сопоставления электрических машин введем ве­ личины массы, стоимости и потерь, приходящиеся на единицу мощности машины. Согласно (2-7) — (2-9)

G f P 3^ C l P 3 ^ n f P 3 ^ f F / P a= * l l f P ~ a, (2-Ю )

т. е. в ряде подобных машин масса,стоимость ипотери, приходящиеся на единицу мощности, обратно пропор­ циональны корню четвертой степени из мощности ма­ шины.

20

Таким же образом из (2-7) — (2-9) следует, что сум­ марные масса Gh, стоимость Ch и потери Пк для k оди­ наковых машин всегда больше массы, стоимости и по­ терь одной машины, изготовленной на суммарную мощ­

ность:

в электрических системах является укрупнение мощно­

стей единичных синхронных генераторов.

Теперь обратимся к величинам В и /, которые были приняты одинаковыми для подобного ряда машин. Из выражения (2-4) видно, что при фиксированных разме­ рах машины можно добиться увеличения ее мощности

увеличением В и /.

Увеличение магнитной индукции позволяет снизить количество используемой электротехнической стали, но влечет за собой увеличение потерь в стали на гистерезис

ивихревые токи. Эти потери пропорциональны квадрату индукции и частоте в степени около^ 1,3. Кроме того, увеличение индукции влечет за собой увеличение тока возбуждения и соответственно увеличение потерь в ро­ торе. Оптимальная величина магнитной индукции выби­ рается с учетом качества электротехнической стали, типа

имощности машины. Для генераторов средней и боль­ шой мощности она находится в пределах 0,5 1,1 Вб/м .

Допустимая величина плотности тока зависит от нагревостойкости применяемых изоляционных материалов

иусловий охлаждения электрических машин. С развити­ ем систем охлаждения у крупных машин используемая

плотность тока выросла от 2—3 А/мм2 до 7—12 А/мм2 в обмотках статора и до 15 А/мм2 в обмотках ротора. В настоящее время увеличение единичной мощности тур­ богенераторов с применением интенсивного охлаждения происходит при практически установившихся габаритах

машин.

2-2. СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ

Нагрев турбогенераторов определяется потерями мощ­ ности в обмотках статора и ротора, потерями в стали статора, потерями механическими (потери на трение и вентиляцию). Для отвода тепла от активных материалов

21

(обмотки статора и ротора, сталь статора) используют системы косвенного и непосредственного охлаждения.

В ней воздух, охлажденный в воздухоохладителе 10, по­ дается из камеры холодного воздуха 9 в воздушный .за­ зор между статором и ротором 2 с помощью вентилятора J. Лобовые части обмоток статора 4 воздух охлаждает через их изоляцию. Поскольку длина активной стали статора велика, вентиляторы устанавливаются с обоих торцов вала. При этом для выравнивания условий ох­ лаждения торцевых и средних частей генератора поток

22

воздуха разделяется на несколько струй, а генератор разделяется вертикальными плоскостями в на секции. Разделение генератора на секции позволяет послать хо­ лодную струю в удаленные от вентилятора секции (сек­ ция II) через аксиальные каналы I. Далее воздух, про­ шедший радиальные вентиляционные каналы стали ста­ тора, попадает в отводящие камеры 5. Из них через патрубок 7 в камеру горячего воздуха 8.

Применение водорода вместо воздуха в той же кос­ венной системе охлаждения дает ряд преимуществ, обу­ словленных физическими свойствами водорода. Тепло­ емкость водорода в 14,35 раз выше теплоемкости возду­ ха, что позволяет снизить объем используемого газа, а значит и потери на вентиляцию, отказаться от громозд­

в корпус генератора. Применение водорода вместо воз­ духа снижает старение изоляции и уменьшает разруше­ ние в генераторе в случаях пробоя изоляции, так как в среде водорода не происходит окисления изоляции, водород не поддерживает горения изоляции и стали ста­ тора при возникновении дуги. Однако водородное охлаж­ дение создает и ряд трудностей, связанных с возмож­ ностью образования взрывоопасной смеси с кислородом воздуха. Для исключения подсоса воздуха в корпус гене­ ратора давление водорода в генераторе поддерживается выше атмосферного— 1,03—4 кгс/см2 (или 1,01-105— 3,92-103 Н/м2).

Повышение давления водорода повышает эффектив­ ность охлаждения генератора. Однако использование из­ быточного давления водорода выше 4 кгс/мм2 экономи­ чески нецелесообразно [Л. 5]. Использование водорода требует применения надежных уплотнений в корпусе ге­ нератора и между корпусом и валом. Чистота водорода устанавливается Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей [Л. 6] в пределах 95—98%. Влажность водорода не должна превышать 85% при рабочем давлении и любой температуре холодного газа. Содержание кислорода в водороде в корпусе генератора не должно превышать 1,2% и в эксплуатации контро­ лируется автоматическими газоанализаторами.

При н е п о с р е д с т в е н н о м о х л а ж д е н и и охлаж­ дающее вещество (водород, вода, масло) проходят не­ посредственно по обмоткам, что значительно улучшает

2

условия теплоотдачи и эффективнее снижает темпера­ туру активных материалов. Системы непосредственного охлаждения позволили осуществить одновальные гене­ раторы 200, 300, 500, 800 МВт и приступить к созданию турбогенератора мощностью 1 200 МВт.

При непосредственном охлаждении охлаждающее вещество проходит либо по металлическим трубкам (не­ магнитный материал) 1 (см. рис. 2-2,6), помещенным среди обмотки внутри паза статора, либо по осевым ка­ налам полых проводников обмоток 2 (см. рис. 2-2,г).

Турбогенераторы серии ТВФ имеют косвенное охлаж­ дение статора и непосредственное охлаждение ротора водородом; турбогенераторы ТВВ имеют непосредствен­ ное охлаждение статора водой и непосредственное

Рис. 2-4. Схема охлаждения турбогенератора ТГВ-500.

24

охлаждение ротора водородом или водой; турбогенерато­ ры ТГВ имеют непосредственное охлаждение статора и ротора водородом (200 и 300 МВт) или водой (500 МВт); турбогенераторы серии ТВМ имеют непосредственное охлаждение стали и обмоток статора маслом и непосред­ ственное охлаждение ротора водой. На рис. 2-4 показана схема охлаждения турбогенератора ТГВ-500. От коллек­ тора 12 холодная вода подается через шланги 11 у лобо­ вых частей обмоток статора 8. По трубчатым провод­ никам вода, охлаждая обмотку статора, проходит к кол­ лектору 13. Далее нагретая вода идет к теплообменни­ кам для охлаждения.

К обмотке ротора охлаждающая вода 17 подводится через осевой канал в роторе с помощью торцевого сколь­ зящего уплотнения. Из осевого канала вода по радиаль­ ным отверстиям 3 расходится к полым .проводникам 4 обмотки ротора. Нагретая вода по радиальным отвер­ стиям 14 собирается в аксиальный канал 15, из которого выходит через радиальные отверстия вала в приемник горячей воды 16, оборудованный скользящими уплотне­ ниями вала.

В качестве охлаждающей воды используется дистил­ лированная или химически очищенная вода, удельное сопротивление которой должно быть не ниже 50 Ом-см, чтобы не создать проводящей цепи от обмоток генера­ тора к соединенным с землей подводящим воду труббпроводам. Циркуляция воды по обмоткам статора и ро­ тора происходит под давлением, создаваемым насосами охлаждающей воды.

Сталь статора ТГВ-500 охлаждается водородом под давлением с помощью вентиляторов 2, расположенных с обеих сторон ротора. Через зазор 7 холодный водород поступает в радиальные каналы 6 стали статора 5. Охлаждается водород в теплообменниках 9.

Влияние интенсивности охлаждения на возможность увеличения мощности турбогенератора при одинаковых размерах наглядно показывают следующие цифры:

25

2-3 ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБОГЕНЕРАТОРА

Рассмотрим нормальный режим работы синхронного ге­ нератора на шины электрической системы бесконечной мощности (рис. 2-5). Под сйстемой бесконечной мощно­ сти понимают систему достаточно большой мощности, чтобы пренебречь влиянием на ее режим работы поведе-

©----------------

U=const

нием рассматриваемого нами генератора. В схемах заме­ щения сопротивление такой системы приравнивается нулю, а синусоидальное напряжение узла системы, куда присоединяется генератор, считается неизменным по амплитуде и фазе при любых изменениях, происходящих в ветви с исследуемым генератором. Последнее записы­

вается в виде U—const. В схему замещения генератор вводится э. д. с. и реактивным сопротивлением. Для ненасыщенной машины э. д. с. генератора пропорцио­ нальна току возбуждения, отн. ед.:

д * ~ д**

Построим векторную диаграмму режима работы гене­ ратора и получим из нее выражение для активной мощ-

26

ности через угол сдвига векторов э. д. с. генератора и

Это соотношение называют угловой характеристикой мощности (показана на рис. 2-6 для разных значений э. д. с. генератора). Так как угол б жестко связан с гео­ метрическим положением ротора генератора в простран­ стве, то соотношение (2-11) связывает электрические ха­ рактеристики генератора с его механическим движением.

Если мощность генератора и момент на его валу вы­ разить в относительных единицах, приняв за единицу их собственные номинальные значения, то при синхронной частоте вращения

т. е. получается равенство относительных значений ак­ тивной мощности и электрического момента на валу ге­ нератора (рис. 2-6). При изменении угла положения ротора момент изменяется по синусоиде, если э. д. с. остается постоянной.

Устойчивый режим работы турбогенератора устанав­ ливается при равенстве момента турбины (прямая линия на рис. 2-6) и момента генератора *.

Равенство названных моментов имеет место как в точ­ ках а и д (при э. д. с. генератора £ц), так и в точках б и г (при э. д. с. Е?). Однако устойчивое равновесие мо­ ментов создается только в точках а я б. Случайные ма­ лые увеличения угла б в этом случае вызывают увеличе­ ние момента генератора в соответствии с угловой харак­ теристикой при постоянной з. д. с,, тормозящее действие которого приводит к уменьшению угла б.

Случайное малое уменьшение угла 6 приводит к тому, что момент турбины оказывается больше момента гене­ ратора, что приводит к увеличению угла и сохранению прежнего устойчивого равновесия моментов.

1 Момент турбины определяется впуском энергоносителя в тур­ бину и не зависит от угла положения ротора.

27

Способность электрической системы восстанавливать исходный режим после малого его возмущения или ре­ жим, весьма близкий к исходному (если возмущающее воздействие не снято), называют статической устойчиво­ стью системы.

Режимы, соответствующие точкам а и б, устой­

чивые.

В точках г и д случайные малые увеличения угла приводят к тому, что момент генератора становится мень­ ше момента турбины, и это способствует дальнейшему увеличению угла 6. Случайное уменьшение угла вызовет увеличение момента генератора, которое будет способ­ ствовать дальнейшему уменьшению угла б. В этих точ­ ках режимы неустойчивые.

Режим в точке в на рис. 2-6 при э. д. с. генератора, равной Е3, отвечает пределу статической устойчивости (момент турбины равен максимальному моменту гене­ ратора mTyp5 = E 3U/x).

Для рассмотренного нами простейшего примера рабо­ ты генератора на шины мощной системы (рис. 2-5, 2-6) при условии Р Т= РГ= const критерий статической устой­ чивости выражается в форме dP/d&>0 [Л. 10].

При увеличении мощности турбины согласно харак­ теристике (2-11) увеличивается угол 6.

Максимальная величина активной мощности генера­ тора, которую можно передавать по условию сохранения статической устойчивости, пропорциональна э. д. с. гене­ ратора и величине напряжения на шинах системы и об­ ратно пропорциональна результирующему реактивному сопротивлению

* макс — ^ »

где х включает собственное синхронное индуктивное со­ противление генератора ха, сопротивление трансформа­ торов и линии.

Предельное значение угла между напряжением шин системы и э. д. с. генератора по условию статической устойчивости составляет 90 эл. град. Для надежного обеспечения устойчивости параллельной работы генера­ тора и системы максимум характеристики мощности должен быть больше номинальной активной мощности генератора.

28

2-4. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТУРБОГЕНЕРАТОРА

Все вращающиеся электрические машины обладают спо­ собностью преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот. Этой способностью обла­ дают и синхронные турбогенераторы. Если к ротору воз­ бужденного турбогенератора подводить механическую энергию от турбины, то генератор будет отдавать в сеть активную электрическую энергию. Направление потока реактивной мощности при этом будет зависеть от вели-

Рис. 2-7. Векторные диаграммы различных режимов работы син­ хронной машины.

чины э. д. с. генератора (от тока возбуждения). Если прекратить впуск пара в турбину, не отключая (гене­ ратора от электрической сети, то генератор будет потреб­ лять активную энергию из системы для вращения турбины. Как и в предыдущем случае, направление ре­ активной мощности будет определяться величиной э. д. с. машины.

На рис. 2-7 приведен ряд векторных диаграмм для схемы рис. 2-5 для разных э. д. с. генератора (Ei—Е6) при выдаче активной мощности (Еi—Et) и ее потребле-

29