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

ление изоляции обмотки на корпус. Поэтому сопротивление устав­

ки выбирается меньше сопротивления Дд.

В том случае, когда требуется действие защиты на сигнал при ухудшении изоляции обмотки статора, а также на отключение

генератора при аварийном снижении изоляции или замыкании обмотки на землю, то применяются два комплекта защитных устройств. Следует подчеркнуть, что в этом случае обеспечивается

информация о состоянии изоляции генератора, в результате чего могут быть приняты профилактические меры при выявлении по­ ниженного уровня изоляции машины.

14-9. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

1. Принимая во внимание необходимость обеспечения исключи­ тельно высокой надежности сердечников статоров турбогенерато­ ров в процессе эксплуатации, очень важно перейти от примитив­

ных, выборочных способов контроля лаковых покрытий листов

стали к более совершенным методам. В связи с этим во ВНИИэлектромаше проводится разработка системы контроля лакового покрытия сегментов стали сердечников статоров мощных электри­

ческих машин, которая позволит выявить сегменты с плохим ла­ ковым покрытием, а также с местными дефектами лакового по­ крытия. Такая система контроля базирует«! на измерении сопро­ тивлений поверхностей и сопротивлений в местах нарушений пленки. Она встраивается в автоматическую линию изготовления сегментов стали и позволяет отбраковывать сегменты с дефектами

покрытия, штамповки, снятия грата. При этом отбракованные сегменты стали направляются в выделенные для сбора приемники.

2. Во время капитального ремонта, когда производится раз­ борка турбогенератора, имеющего обмотку статора с водяным охлаждением, желательно убедиться в отсутствии следов увлажне­

ния изоляции стержней. Для этой цели можно использовать спе­

циальное устройство ВУС, разработанное во ВНИИэлектромаше.

Устройство имеет две плоские изолированные накладки, которые охватывают участок контролируемого стержня с двух сторон

в лобовой части. На эти накладки подается напряжение промыш­ ленной частоты 50 Гц и напряжение высокой частоты 200 кГц. Критерием увлажнения является отношение емкостей между накладками при указанных двух частотах. Устройство имеет из­ мерительный прибор, непосредственно показывающий отноше­

ние C50∕C200 ООО-

3. В процессе изготовления стержней турбогенератора важно иметь уверенность в том, что в изоляции стержня нет газовых вклю­

чений, неоднородностей, отслоений изоляции от меди и т. и. Для

этой сложной операции контроля во ВНИИэлектромаше ведутся

исследования по обоснованию физических принципов работы устройства.

4. В настоящее время контроль за отсутствием течи воды в ста­ торной обмотке на заводах проводится нагретой водой с повышен­

ным давлением. Для упрощения этого процесса в воду добавляются красители, а на места паек наносятся временные меловые покры­ тия. Важно разработать более эффективные и в то же время доста­

точно простые способы контроля обмоток статоров и роторов на

предмет установления течи воды.

Следует заметить, что для исключения тепловых расширений статоров и роторов при изменении нагрузок турбогенераторов в процессе их эксплуатации следует разработать и внедрить си­ стемы регулирования температуры обмоток статоров и роторов машин с водяным охлаждением.

5.Учитывая большое количество паек и сварок в электриче­

ских машинах, необходимо развивать методы контроля паяных

исварных соединений. Важно также разрабатывать новые методы

исредства контроля качества сварных и сварно-кованых загото­

вок для четырехполюсных турбогенераторов.

6.Очень важной проблемой является создание простого и на­ дежного способа контроля температур обмотки ротора и его кон­ структивных элементов как на заводских стендах, так и на электро­

станциях.

Впоследние годы в СССР и в ряде зарубежных стран были раз­ работаны различные бесконтактные устройства для дистанцион­ ного контроля температуры вращающихся частей электрических машин. Эти устройства делятся на три основных типа: 1) устрой­ ства с электрическими контактами (кольца и щетки), 2) устройства

синдуктивной или емкостной связью, 3) радиотелеметрические устройства. В СССР используются главным образом устройства первого типа. В зарубежной практике находят применение устрой­ ства первого и третьего типа. При этом для непрерывного измере­ ния температуры обмотки возбуждения турбогенератора на элек­ тростанциях часто используется прибор фирмы «Лидс и Нортруп»

(Англия). Этот прибор имеет мостовую схему и подключается к ще­ точно-контактному аппарату турбогенератора.

Всвязи с изложенным в дальнейшем должно быть уделено боль­ шее внимание разработке и внедрению в практику турбогенерато-

ростроения СССР устройств с индуктивной или емкостной связью,

атакже радиотелеметрических устройств для измерения темпе­ ратур вращающихся элементов роторов турбогенераторов. Кроме того, необходимо проводить исследования по разработке устрой­

ств для измерения средней температуры обмотки возбуждения

по ее сопротивлению с использованием щеточно-контактного ап­

парата машины.

7. Существенное значение может иметь наблюдение за вибра­ ционным состоянием отдельных конструктивных элементов опыт­

ных образцов турбогенераторов при их эксплуатации. Для этой цели следует продолжить работы по созданию системы для такого

242

контроля. Наряду с этим целесообразно провести Изучение изме­ рения уровня и частотного спектра шума для выявления повре­

турбогенераторов необходимо проводить исследования по пере­ ходу от релейных схем с электромагнитными элементами на интег­ ральные схемы с полупроводниковыми коммутаторами. Важно также перейти на более совершенные резервные защиты, отказав­ шись от устаревшей максимальной токовой защиты с большими

выдержками времени.

16*

ГЛАВА пятнадцатая

АНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ

15. - КРАТКОВРЕМЕННЫЕ ПЕРЕГРУЗКИ

Кратковременным перегрузкам длительностью менее 60 сек. подвергаются обмотки возбуждения турбогенераторов при форси­ рованиях возбуждения. Форсирование возбуждения широко при­ меняется для повышения устойчивости и поддержания напряже­ ния в аварийных режимах синхронных генераторов. Оно подается автоматически и длится обычно меньше минуты. G его помощью может быть существенно повышена величина электромагнитного момента генератора, характеризующая устойчивость генератора

ваварийных и послеаварийных режимах.

Вбольшинстве стран используется форсирование кратности 1.4—2.0 от номинального тока возбуждения. Считается достаточной

длительность форсирования порядка 10 сек., дополнительный

нагрев обмотки при этом не должен превышать 20°, причем ограни­ чения определяются величиной термомеханических напряжений

в изоляции. В ряде стран, например США, последующие циклы

форсирований допускаются после того, как температура обмотки возбуждения снизится до установившегося значения, т. е. через

10—20 мин.

152. - ДЛИТЕЛЬНЫЕ ПЕРЕГРУЗКИ

Перегрузкам длительностью 1—30 мин', подвергаются обмотки

статоров турбогенераторов в условиях эксплуатации. Фирмы «Броун Бовери» и «Крафтверкунион» для турбогенераторов с не­

посредственным охлаждением обмоток допускают перегрузки 115% в течение 3 мин. и 110% в течение 5 мин.

По мнению специалистов фирм «Дженерал Электрик» (США), «Парсонс» и др., при длительной перегрузке могут возникнуть

дополнительные местные перегревы в соединительных шинах,

выводах ит. п., а также электродинамические усилия, что с уче­ том возможных производственных отклонений может быть опасным для машины. Кроме того, ведущие специалисты фирмы «Парсонс» считают, что длительные перегрузки допустимы лишь при условии соответствующего изменения параметров охлаждения.

244

Ниже приводится зависимость допустимой перегрузки по току

В генераторах с непосредственным водяным или водородным

охлаждением мощностью 150 МВт и выше по ГОСТу 533-68 допу­ скается полуторная перегрузка по току в течение 1 мин.

При нарушениях режимов в энергосистеме, связанных с посад­ кой напряжения, турбина сохраняет свою мощность, что приво­

дит к повышению тока статора. В этом случае обычно действует форсирование возбуждения, приводящее к дальнейшему повыше­ нию тока статора. Допустимая предельная длительность работы

в таком режиме для турбогенератора 300 МВт приведена р табл. 15-1.

Таблица 15-1

Допустимая длительность работы турбогенератора по условиям нагрева (сек.)

15-3. КАЧАНИЯ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ

Качания в системах обычно происходят с частотой 0.5—2 Гц

с максимальной величиной тока статора, достигающей двойного

номинального тока. Время качаний, как правило, не превышает

2—3 сек. Поэтому обычно допускаемые перегрузки по току ста­ тора и используемое форсирование тока возбуждения обеспечи­ вают работу турбогенератора в этих режимах.

Большинство стран не имеет ограничения в отношении работы

генератора при качаниях в энергосистеме. В Швеции не допуска­ ется длительная работа турбогенератора при качаниях, если ам­ плитуда колебаний тока статора превосходит 10%. Для ограниче­

ния качаний фирма «АСЕА» (Швеция) вводит в регулятор генератора

сигнал, пропорциональный отклонению активной мощности ма­ шины. В Швейцарии работа турбогенератора при качаниях допу­

245

154. - НАПРЯЖЕНИЯ, ОТЛИЧНЫЕ ОТ НОМИНАЛЬНОГО

В большинстве стран турбогенераторы рассчитаны на работу с изменением напряжения от номинального в пределах +5%. В Индии и Голландии изменение напряжения предусматривается

до +10%. Однако это является неоправданным, так как вместе с тем увеличивается стоимость оборудования собственных нужд, которое в этом случае должно быть рассчитано на работу с изме­ нением напряжения в тех же пределах. По данным фирмы «Аль­ стом», увеличение допустимого изменения напряжения с +5% до +10% приводит к увеличению стоимости собственно турбоге­ нераторов на 3% для машин с непосредственным охлаждением

и6 % — для машин с косвенным охлаждением.

Впрактике, принятой на заводах в Англии, турбогенератор выполняется таким образом, чтобы при увеличении изменения на­

пряжения на +5% генератор мог работать с номинальной полной мощностью (в кВА), при уменьшении напряжения на 5% — при

В случае, когда напряжение статора уменьшается на 5% или более, ток статора не должен превосходить 1.05 номинального во

избежание нагрева обмотки статора.

Повышения напряжения в течение 1—30 мин. при работе тур­ богенератора в блоке с трансформатором в режиме холостого хода не должны превышать 8—10%, что определяется перегревом транс­ форматоров в этом режиме.

В большинстве стран устанавливается специальная защита, отключающая блок, если напряжение на зажимах трансформатора в этом режиме превышает 110%. В США, Англии и некоторых других странах случались повреждения мощных трансформаторов при напряжениях свыше 115% от номинального.

15. - ЗНАЧИТЕЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ НАГРУЗКИ, ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ПУСКИ И ОСТАНОВКИ

В большинстве стран турбогенераторы большой мощности имеют, как правило, стабильную нагрузку с изменениями на 40% в ноч­ ное время.

В Англии турбогенераторы мощностью 500 МВт каждую ночь останавливаются на 6 час. и пускаются утром без регулирова­

246

ния температуры охлаждающей воды. При этом уменьшение на­

грузки от номинальной до холостого хода производится в течение

30 мин., пуск с доведением скорости до синхронной — в течение 10 мин., повышение нагрузки до номинальной — за 20 мин.

В некоторых странах (Швеция, ФРГ, Франция) при значитель­ ных изменениях нагрузки для предотвращения конденсации и влаги в элементах системы водяного охлаждения применяется ре­

гулирование температуры охлаждающей воды.

Для обеспечения надежной работы турбогенераторов в режимах изменения нагрузки для обмотки ротора применяется медь с при­ садкой серебра, термореактивная изоляция обмотки статора,

а также обеспечивается возможность перемещения обмотки статора.

156. - РЕЖИМ НЕДОВОЗБУЖДЕНИЯ

В большинстве стран в ночное время в течение нескольких часов турбогенераторы работают в режиме недовозбуждения.

Переход генератора в режим недовозбуждения сопровождается увеличением магнитной индукции в торцовой зоне и повышением

нагрева активных и конструктивных элементов этой зоны. Для оп­ ределения допустимой предельной величины недовозбуждения по условиям нагрева элементов торцовой зоны на станциях были про­

ведены исследования турбогенераторов мощностью 200—300 МВт [81]. В процессе исследований устанавливались нагрузки НО, 100, 95, 90, 80, 60 и 40% номинальной. Каждый из опытов прово­

дился при различных коэффициентах мощности от 0.85 (инд.) до 1 и далее в емкостном режиме до получения предельно допу­ стимой по условиям нагрева температуры (105—120°) или достиже­ ния границы устойчивости с принятым запасом; всего проводилось 6—7 опытов при каждой активной нагрузке. Температура крайних пакетов статора и конструктивных элементов торцовой зоны кон­ тролировалась при помощи термопар, установленных при изго­ товлении генератора. В результате обобщения экспериментальных исследований ряда турбогенераторов одного типа получена гра­

247

По данным исследований фирмы «Альстом», на турбогенераторе мощностью 250 МВт при нагрузке 245 МВт, 103 MBA и угле на­ грузки 83 эл. град, превышение температуры экрана составило 82°, зубцов 26°, нажимной плиты 44° С. Работу генератора в ре­ жиме нѳдовозбуждения ограничивает статическая устойчивость генератора. По мнению фирмы, относительно низкая температура зубцов крайнего пакета достигнута за счет большого скоса торцо­

вых пакетов сердечника статора. В турбогенераторах мощностью 600 МВт этой же фирмы максимальное превышение темпера­

туры зубцов составило 66°, допустимая температура нагрева зубцов крайнего пакета равна 120° (превышение 80°), экрана

150° C

Исследования фирмы «Крафтверкунион», выполненные на че­ тырехполюсном турбогенераторе мощностью 780 MBA при номи­ нальной активной мощности и коэффициенте мощности 0.98 (не-

довозбуждение), показали, что при этом превышение температуры зубцов составило 82°. Специалисты фирмы считают допустимой

максимальную температуру 150° С. '

По данным исследований завода «Шкода» (ЧССР), при коэф­ фициенте мощности 0.9 (недовозбуждение) — 1.0 мощность турбо­ генератора должна быть уменьшена до 0.8—0.9 номинальной, соответственно; максимально допустимая температура зубцов

должна быть равна 150° С.

Существенный интерес вызывают работы, ведущиеся специали­ стами Англии в области режимов турбогенераторов с повышенным потреблением реактивной мощности [77 ]. Фирма «Парсонс» создала турбогенератор мощностью 500 МВт с двумя обмотками на роторе. Для этой цели в пазы ротора, выполняемые, как и у обычных турбо­ генераторов, приблизительно на 2/3 поверхности, укладываются

две обмотки, смещенные относительно друг друга примерно на 60 эл. град. Намотаны они аналогично двум фазам трехфазной

обмотки. Суммарная мдс двух обмоток такая же, как и у обычной

однослойной обмотки. Ток в опережающей (по направлению вращения ротора) обмотке регулируется с таким расчетом, чтобы ее ось при всех режимах опережала ось результирующего магнит­ ного потока в зазоре машины приблизительно на 60 эл. град. В этом случае ось второй обмотки будет совпадать с осью резуль­

тирующего магнитного потока. Поэтому в создании электромагнит­ ного момента будет участвовать только первая обмотка, что с по­ мощью APB позволяет обеспечить устойчивую работу турбогене­

ратора даже при значительных отрицательных токах во второй обмотке. В результате этого имеется возможность регулировать потребление реактивной мощности в наиболее широких пределах, сохраняя высокий уровень устойчивости, тогда как в обычных тур­ богенераторах работа с малыми токами возбуждения и некоторой

активной нагрузкой сопряжена с низким уровнем статической и, особенно, динамической устойчивости.

248

Во Франции, ФРГ, Англии, Швеции, Швейцарии и в других

странах самосинхронизация и АПВ с возбужденным турбогенера­ тором практически не используется.

В СССР и ЧССР применение самосинхронизации для мощных турбогенераторов в блоке с трансформатором допускается в аварий­

ных режимах. При этом амплитуда сверхпереходной периодической составляющей тока обмотки статора современных турбогенераторов большой мощности не более, чем в 3 раза, превышает номинальное значение тока этой обмотки; скольжение может быть любого знака, однако его величина не должна быть выше нескольких процентов.

Несинхронное АПВ в СССР применяется при условии, что в худ­ шем случае величина тока статора не превышает 0.6 тока при вне­

запном коротком замыкании на зажимах машины. Имеющийся опыт показывает, что число АПВ турбогенераторов 200 МВт и

выше не превышает единицы на одну машину в год. В ФРГ и Шве­

ции АПВ допускается при ограниченном сдвиге по фазе между

напряжениями разделившихся частей энергосистемы.

Асинхронный режим турбогенераторов без возбуждения допу­ скается с определенными допущениями в СССР, Англии, Швейца­ рии, ЧССР, ФРГ. Во Франции потеря возбуждения практически связана с отключением турбогенераторов. Следует отметить, что хотя заводы-изготовители во Франции и Англии предусматривают работу турбогенераторов в асинхронных режимах при определен­ ных ограничениях, эксплуатационники не считают использование

таких режимов целесообразным из-за потребления реактивной мощ­ ности и возможного снижения напряжения.

Ограничения асинхронного режима сводятся к следующему.

В Англии работа турбогенераторов в асинхронном режиме допу­ скается в случае необходимости не более 10 мин., но не более 10 раз в год; при этом ток статора не должен превышать номиналь­ ного; в ЧССР — ток статора не должен превышать номинальный,

активная нагрузка не может быть больше 40%, а максимальная длительность 15 мин.; в ФРГ — асинхронный режим допуска­

ется в крайних случаях при активной нагрузке до 25% с током

в Швейцарии — при нагрузке 80% допустимое время 10 мин., при нагрузке 50% оно составляет 20 мин.

Исследования, выполненные в СССР [81 ] на турбогенераторах мощностью 200 и 300 МВт, показали, что при потере возбуждения происходит быстрое нарастание температуры крайних пакетов

249

в режим работы с недов озбуждением. При этом уровни нагревов и скорости нарастания темпратуры элементов торцовых зон ока­ зываются значительно большими, и практически они, а не на­ гревы обмотки статора и бочки ротора определяют допустимые длительности работы и нагрузку генераторов.

Постоянные времени нагрева элементов торцовых зорі малы и для генераторов 300 МВт составляют 6—6.5 мин. для крайних пакетов активной стали и 6.5—8.5 мин. для нажимных колец. Скорости нарастания температуры тех же элементов при выходе машин в асинхронный режим без возбуждения с нагрузкой порядка 40% номинальной достигают 7—9 и 12—130 C в мин., соответственно. Результаты исследований турбогенераторов мощностью 200 и 300 МВт показали, что по условиям нагрева крайние пакеты стали

в случае потери возбуждения допускают работу в асинхронном ре­

жиме в течение 15—20 мин. при снижении средней величины актив­ ной нагрузки до 40% номинальной. При этом потери в роторе не превышают 30—45% потерь на возбуждение в номинальном ре­ жиме.

Исследования завода «Шкода» на турбогенераторе мощностью 110 МВт в асинхронном режиме также показали, что в этом ре­ жиме работу генераторов ограничивает также нагрев крайних пакетов статора. При мощности, равной 0.55 номинальной, и

токе статора 0.8 Ig +10% превышение температуры на внутрен­ нем диаметре нажимной плиты составляет 60°, превышение темпе­ ратуры ротора по центру полюса не превышает 60° С.

По данным определения частотных характеристик на неподвиж­ ной машине для турбогенератора 800 МВт, проведенных ВНИИ-

электромашем, следует, что при замкнутой обмотке ротора значе­ ние максимального асинхронного момента при критическом сколь­

жении 0.35% снижается на 8—10% по сравнению со значением этого момента для генератора мощностью 300 МВт; при замкнутой обмотке возбуждения значение максимального асинхронного мо­

мента при критическом скольжении 4.5% уменьшается на 28% и относительная реактивная мощность — на 20% по сравнению

с теми же значениями для машин мощностью 300 МВт.

15-8. НЕСИММЕТРИЧНЫЕ РЕЖИМЫ

Опыт работы энергосистем большинства стран, показывает, что токи обратной последовательности могут достигать 4—6%,

а в отдельных случаях при питании тяговой нагрузки на перемен­ ном токе частотой 50 Гц даже 7—10%. Для снижения величин несимметричных нагрузок в энергосистемах необходимо примене­

ние специальных мер, а следовательно, и капитальных вложений.

В практике турбогенераторостроения допустимые для турбоге­ нераторов токи обратной последовательности составляют:

в ЧССР — 8% от номинальных; в Англии — 30% для турбогснера-

250