книги из ГПНТБ / Глебов, И. А. Научные проблемы турбогенераторостроения

а полимеризация смолы — в печах. Рабочий градиент изоляций

микадур — 4.5 кВ/мм.

В заключение необходимо отметить, что удаление газообраз­ ных включений и летучих компонентов во время вакуумирования и прессовки стержней имеет важнейшее значение для диэлектри­ ческих свойств изоляции. Это поло­ жение может быть иллюстрировано рис. 5-5. Поэтому совершенствование методов технологии производства об­ моток статоров может привести к сни­ жению толщины изоляции или

к увеличению номинального напряжения при той же толщине. Дальнейшие исследования в области материалов (подложек,

связующих, противокоронных покрытий) и технологических про­ цессов позволит в перспективе перейти от линейного напряжения 24—26 кВ к напряжениям до 33 кВ [114].

25.- ИЗОЛЯЦИЯ ОБМОТКИ РОТОРА

За последние годы в мощных турбогенераторах номинальное напряжение обмотки ротора выросло с 250—375 до 500—600 В, поэтому возрастают и требования к изоляции обмотки ротора.

Витковая изоляция обмотки ротора выполняется в большинстве случаев в виде полосок из стеклопластика; главная изоляция — также из стеклопластика в виде tZ-образной коробки. Ряд фирм, например «Вестингауз» и др., для повышения электрической проч­

ности изоляции вводит в стеклопластик слой слюды.

Фирма «Крафтверкунион» пазовую коробочку для обмотки ротора выполняет из стеклоткани (из 2 половин), верхний виток обмотки имеет меньшую ширину для возможности укладки допол­ нительной изоляции в виде Г-образных прокладок (две на паз).

100

В конструкции изоляции обмотки ротора особое внимание уделяется выбору воздушных промежутков во избежание поверх­ ностного разряда и обеспечению механической прочности изо­ ляции, так как изоляция должна выдерживать усилия до 7000 g.

35-. ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТКИ СТАТОРА

Качество изоляции в процессе производства турбогенераторов проверяется путем пооперационного испытания высоким напря­ жением переменного тока, снижающимся от операции к операции.

Фирма «Джеперал Электрик» (США) выбирает испытательное напряжение для стержней до укладки 3—3.5 номинального. Кроме

пооперационного контроля электрической прочности всех стерж­ ней, производится испытание на корону и «простукивание» изо­

ляции.

В порядке систематического контроля технологии от каждого комплекта стержней отбирается один для лабораторной проверки,

включающей: определение кратковременной электрической проч­ ности, определение tgδ и Atg δ, определение размеров стержня и толщины изоляции, определение содержания в изоляции свя­ зующего слюды и летучих, определение правильности наложения

ленты (отрезок стержня прокаливается и затем изоляция разматы­

вается, при этом проверяется укладка и повреждение слюды). Определение сцепления изоляции со стержнем путем выпрессовки отрезка стержня из изоляции, определение механических пара­ метров стержня, в частности его жесткости.

Если обнаруживаются какие-либо отклонения от нормы, то производится проверка технологии по всей цепочке.

Уровень испытательного напряжения для машин с напряже­

нием более 20 кВ, согласно последним рекомендациям МЭК,

принимается равным

2(7tt4-lκB.

В готовых стержнях фирмой «Броун Бовери» стержни испыты­ ваются также высоким напряжением, равным двойному номиналь­ ному плюс 6 кВ.

Фирма «Крафтверкунион» в качестве окончательного испыта­ тельного напряжения принимает 2i7π-)-3 кВ. При этом в процессе

укладки обмотка подвергается следующим испытаниям высоким напряжением (в процентах от окончательного):

Вбольшинстве фирм используется метод оценки состоянии изоляции путем измерения tgδ [44].

Вкачестве критерия оценки изоляции при измерении tgδ наиболее часто применяется изменение кривой tgδ при изменении

101

напряжения в пределах от 0.2—0.8 Ua или 0.2—1.0 Ua, Фирмы Франции и Италии считают стеклослюдинитовую изоляцию удов­ летворительной, если выполняются условия табл. 5-4. Фирма «Броун Бовери» для изоляции стержневых обмоток использует

метод измерения наибольшего кажущегося заряда для проверки

вИталии Ю~6 K2∕ceκ. Ф, в Швейцарии — 5∙10~6 K2∕ceκ. Ф.

Для машин, находящихся в эксплуатации, в Швейцарии

используется напряжение переменного тока 1.5 Ua или постоян­ ного тока, равное 1.7 X 1.5 Ua, Для проверки состояния изоляции лобовых частей обмоток рекомендуется измерение токов утечки

при низкой частоте.

Представляет интерес использование метода хроматографиче­ ского газового анализа продуктов разложения изоляции обмоток, а также исследование механических напряжений в изоляции.

Во Франции методом хроматографического анализа производится обследование 20 турбогенераторов мощностью 250—600 МВт.

При разработке новых видов изоляции в научно-исследова­

тельских институтах и заводах особо важное значение приобретает метод комплексных испытаний изоляции, который предполагает испытание стержней обмоток с одновременным воздействием элек­ трического поля, температуры, вибраций и влажности. При этом испытательные установки должны позволять ускорение процес-

ФЗ

сов за счет повышения температуры, напряженности электриче­ ского поля, амплитуд вибраций с одновременным: ростом частот.

В настоящее время в СССР и за рубежом создаются многочис­ ленные специальные установки для комплексных испытаний. Для эффективного использования таких установок важно разра­ ботать методы и установить критерии оценки изоляции. В этом отношении решающее значение имеет работа международных орга­

низаций СИГРЭ и МЭК. Необходима, в частности, более совер­ шенная классификация изоляции по сравнению с действующей

системой, базирующейся на ее теплостойкости.

45-. ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТКИ РОТОРА

В соответствии с действующими нормами в большинстве стран испытательное напряжение (действующее значение переменного тока частотою 50 Гц) изоляции обмотки ротора принимается

равным 10 Uvn, но не менее 1.5 кВ и не более 3.5 кВ.

В США действуют нормы, предписывающие проводить испыта­ ния напряжением 10 ZTpn с минимальным напряжением 1500 В,

но без указания верхнего предела.

Выбор максимального испытательного напряжения обмотки ротора должен определяться возможными величинами перенапря­

жений на зажимах ротора в анормальных режимах.

Наибольшие перенапряжения получаются для систем возбу­ ждения с выпрямителями в асинхронном режиме при потере воз­ буждения, а также при отключении автомата гашения поля (АГП) при несимметричном коротком замыкании в цепи обмотки статора (внешнем или внутреннем).

В СССР исследования таких перенапряжений проводились

на турбогенераторах мощностью от 60 до 300 МВт с вентильными возбудительными системами в реальных условиях эксплуатации.

При этом были получены приводимые ниже величины перенапря­ жений t7pj,aκe.

1. При самосинхронизации величина Uvmm лежит в пределах от 3.5 до 6 Uv,,, где Uvn — номинальное значение напряжения обмотки ротора. Опыты выполнялись при величинах добавочных

сопротивлений, включаемых на обмотку ротора в режимах само­

синхронизации, от 3.5 до 5 Rv, где Rv — сопротивление обмотки возбуждения.

2.В асинхронном ходе при потере возбуждения напряжение на обмотке ротора достигало от 3 до 6.5 ¡7рп.

3.В случае отключения АГП при несимметричном коротком замыкании в цепи статора уровень перенапряжений может быть более высоким, чем в предыдущих двух случаях. Максимальные

напряжения лежат в пределах от 5 до 12 Uvn, причем последнее значение было получено при отключенной защите от перенапря­

жений,

103

Впрактике отечественного электромашиностроения для огра­

ничения перенапряжений применяются разрядники разового и

многократного действия. Кроме того, при отключении АГП к об­ мотке ротора подключается защитное сопротивление.

Уставки защиты обмотки ротора от перенапряжения выби­ раются ниже испытательных напряжений в условиях эксплуата­ ции, которые в свою очередь ниже значений заводских испытатель­ ных напряжений обмоток роторов, равных, как указано выше,

IQ Uiπ, но не менее 1.5 кВ и не более 3.5 кВ. Испытательные на­

пряжения в условиях эксплуатации составляют до 0.75 от завод­

ских испытательных напряжений. Следует попутно заметить, что

вАнглии испытательное напряжение в условиях эксплуатации равно 0.85 от заводского испытательного напряжения, в Швеции —

0.8—0.85.

Всоответствии с изложенными выше положениями в практике

отечественного электромашиностроения разрядники настраи­

ваются таким образом, чтобы напряжение срабатывания было приблизительно равно половине амплитуды заводского испыта­ тельного напряжения. Случаев повреждения обмоток возбуждения, защищенных разрядниками, не отмечалось, хотя срабатывание разрядников в условиях эксплуатации отмечалось неоднократно.

Полученный опыт эксплуатации показывает, что применение диодных или тиристорных систем возбуждения в случае исполь­ зования защиты от перенапряжений не требует усиления изоля­ ции обмоток роторов.

При проведении испытаний обмоток роторов, равно как и при расчетах возбудительных систем, важно иметь единое определение номинального напряжения возбуждения. В настоящее время номи­

нальные напряжения определяются при номинальном токе ро­ тора, но при различных тепловых состояниях генератора: при тем­

пературе обмотки ротора 75° С; при температуре обмотки возбу­ ждения, которая получается в условиях эксплуатации при номи­ нальной нагрузке генератора; при температуре, которая допустима для изоляции ротора в длительном режиме.

Наиболее логичным представляется определение номинального напряжения при температуре обмотки ротора, получающейся при номинальной нагрузке турбогенератора (активная мощность,

напряжение и ток статора). Однако в этом случае и расчеты устой­ чивости должны базироваться не на постоянной времени обмотки ротора, определенной при температуре 75° С, как это обычно

делается, а на значении постоянной времени при температуре номи­ нального режима.

Недостатком выбора номинального напряжения возбуждения по рабочему режиму является то, что остаются два значения на­

пряжения: расчетное (на стадии проектирования) и опытное в ре­ альных условиях работы генератора. Различие в значениях номи­ нального напряжения возбуждения в данном случае будет свя-

104

ГЛАВА ШЕСТАЯ

ПОКОВКИ РОТОРОВ И БАНДАЖНЫХ КОЛЕЦ

61-. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

В настоящее время в связи с ростом мощностей турбогенерато­ ров проблемы создания поковок роторов и бандажных колец являются центральными в турбогенераторостроении. В двух­

полюсных машинах сложность их обусловлена главным образом

На рис. 6-1 приведена зависимость веса роторов двухполюсных и четырехполюсных турбогенераторов от полной мощности, по

данным фирмы «Броун Бовери», Швейцария [123]. Зависимости

даны для турбогенераторов, работающих с частотой 50 и 60 Гц. Однако разброс в значениях веса при той же мощности связан не только с различием частоты, но также и с различием в способах

[06

охлаждения. Аналогичные зависимости для поковок роторов, по данным фирмы «Мицубиси», Япония [130], представлены на рис. 6-2.

На международном совещании по поковкам в Италии [103] в докладе фирмы «Дженерал Электрик» (США) были приведены диаметры и веса роторов двухполюсных и четырехполюсных турбогенераторов при частоте 6θ Гц (рис. 6-3 и 6-4). Сравнение наибольших размеров и веса роторов турбогенераторов, изгото­

вленных в период с 1955 г. по

1970 г., показывает значительное снижение этих параметров за 15 лет. Такой прогресс был возможен

PMBt Р,МВт

благодаря совершенствованию технологии литья, ковки и терми­ ческой обработки крупных поковок. Особое значение среди всех

мероприятий имела вакуумная разливка стали, которая суще­ ственно уменьшила содержание растворенного водорода. Боль­ шое количество примеси водорода может служить причиной обра­ зованию флокенов (мелких трещин), к тому же при вакуумной разливке металл оказывается защищенным от окисления. Все это

привело к большей однородности металла, повышению его пла­ стичности при высоких прочностных свойствах и даже улучшению магнитных свойств стали. В результате появилась возможность увеличения веса слитков и использования основной стали электро-

дуговых печей.

26.- ПОКОВКИ РОТОРОВ ДВУХПОЛЮСНЫХ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ

Роторы крупных турбогенераторов изготовляются из слитков легированной хромоникельмолибденовой и хромоникельмолиб-

денванадиевой стали. Предпочтение отдается последнему виду

стали [41], содержащему 1—3% никеля, 1.5% хрома, до 0.5%

молибдена и около 1% ванадия. После термической обработки

toy

такой стали получаются следующие механические свойства поко­ вок: предел текучести 55—68 кГ/мм2, предел прочности 75— 83 кГ/мм2 и относительное удлинение 28—16%. Отечественная промышленность достигла высоких показателей коэффициента

использования слитков. Так, вес поковки ротора турбогенератора

мощностью 500 МВт составил 64% от веса слитка, а вес поковки ротора машины 800 МВт — 70%. Особенно сложные задачи воз­ никли при создании поковок роторов турбогенераторов мощностью 1200 МВт. Из рис. 6-1 и 6-2 следует, что вес поковки в этом слу­ чае достигает 105—110 т. При существующем в международной

практике соотношении веса крупной поковки и слитка (около 50%) возникла необходимость в слитках примерно 220 т: Создание слитка такого веса и получение поковки с высокими механическими свой­

ствами позволяет отечественному турбогенераторостроению занять

ведущее .положение в области двухполюсных турбогенераторов большой мощности.

На основе поковки весом 105—110 т может быть выполнен ротор с диаметром 1250 мм, длиной бочки ротора около 8000 мм

и общей длиной вала около 15.5 м.

Следует заметить, что в СССР к двухполюсным роторам предъ­

являются следующие требования: предел текучести до 65 кГ/мм2,

предел прочности 80 кГ/мм2, относительное удлинение 16%. В США от аналогичных роторов требуется: предел текучести 42—59.5 кГ/мм2, предел прочности 60—85 кГ/мм2, относительное удлинение 16—20%. Из приведенных данных видно, что механи­ ческие свойства поковок находятся практически на одинаковом уровне, но, учитывая номинальные скорости вращения (3000 и 3600 об./мин.), запасы прочности в США будут меньше, чем

вСССР.

Внастоящее время как в СССР, так и за рубежом ведутся пред­ варительные разработки двухполюсных турбогенераторов мощ­

ностью до 2000 МВт при скорости вращения 3000 об./мин.

Возрастание мощностей турбогенераторов с 1200 до 2000 Мвт по­ требует увеличения размеров роторов. Для этой цели будет необхо­

димо не только повышение веса поковок, но и улучшение их проч­

ностных показателей. По предварительным расчетам турбогене­ ратор мощностью 1600 МВт должен иметь диаметр бочки ротора

1300 мм и длину бочки ротора 8300—9700 мм. Для такого диа­ метра ротора предел текучести должен быть 70 кГ/мм2, а предел прочности 85 кГ/мм2 [91]. Турбогенератор мощностью 2000 МВт

при значении переходного индуктивного сопротивления x'd ≤ 0.4 должен иметь следующие размеры бочки ротора: диаметр 1400 мм, длина 9700—11 000 мм. В данном случае потребуются еще более высокие механические показатели роторной стали. Следует за­ метить, что если исключить ограничение по величине переходного индуктивного сопротивления, то турбогенератор мощностью 2000 МВт можно выполнить с меньшими размерами ротора: диа-

108

метром 1300 мм и длиной 9500 мм. При этом величина х'л будет равна 0.45.

Увеличение веса поковок может быть достигнуто за счет уве­

личения веса слитков и роста отношения веса поковки к весу слитка. Таким образом, металлургам предстоит решить сложные проблемы по увеличению веса поковок с одновременным повыше­ нием механических свойств сталей для двухполюсных турбогене­

раторов очень большой мощности.

Принимая во внимание высокие требования к надежности

поковок, очень большое внимание уделяется контролю их качества. Прежде всего, из бочки ротора вырезаются образцы в тангенциаль­ ном и радиальном направлениях, а из конца вала — в продоль­ ном направлении. Для этой цели бочка ротора и вал выполняются с определенными припусками по длине. Образцы проходят проч­ ностные испытания со статическими и ударными нагрузками,

а также усталостные испытания. Наряду с этим проверяются и магнитные свойства роторной стали.

Для выявления возможных дефектов в стали ротора широко

используется ультразвуковая дефектоскопия. В крупных поковках такая проверка выполняется два раза: после обдирки поковки

и механической обработки ее поверхности и после сверления цен­ трального отверстия и термообработки с последующей обработкой поверхности.

Кроме проверки поковки ультразвуком, производится тща­

тельный осмотр поверхности центрального отверстия C помощью перископической трубы. Это дает возможность произвести не только тщательную проверку центральной части поковки, но и удалить из поковки ту ее часть, где дефекты являются наиболее вероятными. Большая вероятность дефектов в центральной части, как известно, объясняется затвердеванием слитка от наружных к внутренним слоям и вытеснением в процессе такого затвердева­ ния наиболее легких компонентов к центру слитка.

Следует отметить, что наличие центрального отверстия, вы­ полняемого для проверки качества поковки, приводит к появле­ нию повышенных механических напряжений на внутренней поверхности вдоль всей бочки ротора (рис. 6-5, а). В связи с этим в зарубежной практике для проверки двухполюсных и четырех­ полюсных роторов, наряду с рассмотренным, нашел применение и другой способ. Он заключается в выполнении нескольких от­ верстий полым сверлом. В результате при сверлении каждого отверстия извлекается стержень вплоть до центральной части

ротора (рис. 6-5, б). Металл стержня подвергается тщательной проверке. Хотя максимальное напряжение получается приблизи­ тельно таким же, как и в способе с центральным отверстием, од­ нако зоны повышенных механических напряжений имеют локаль­

ный характер и не охватывают всю длину ротора. Поэтому такой способ может иметь некоторые преимущества. Наибольшие меха-

109