книги из ГПНТБ / Усов С.В. Основы эксплуатации электрических станций конспект лекций

щийся со скоростью п об/мин на радиусе R, может быть вы­ числена по формуле

стержня, вращающегося со скоростью 3000 об/мин,

.Рц = 0,9Rql

и механическое напряжение сжатия при нагревании стержня в любом его сечении q

°сж = = 0,9\i-Rl кгс/см2,

ший радиус витка 55 см, то максимальное напряжение сжа­ тия, которое может возникнуть в крайних стержнях, располо­ женных непосредственно под клином,

амак-с = 0,9-0,5-55,0-100 = 2500 кгс/см2,

т. е. выше предела текучести даже наиболее прочной меди с присадкой серебра.

Действительное напряжение сжатия будет определяться фактической разностью температур меди и стали, причем большое значение при этом будет иметь отставание повыше­ ния температуры стали.

Разность удлинений меди и стали ротора А1 при свободном их расширении при нагревании будет [18J

140

или

о = 1 2 ( £ - £ ) + 5 ( C - Q .

При установившемся режиме и при /о° = 20°С, £°т = 60°С

для различных температур меди получим следующие значения напряжений сжатия в меди обмотки ротора.

четных температурах 130—145°С в меди обмотки ротора воз­ никают напряжения сжатия, близкие к пределу пропорцио­ нальности (табл. 13), что в некоторых случаях может при­ вести к остаточным деформациям меди и последующему уко­ рочению витков, сопровождающемуся повреждением изоля­ ции.

В том случае, если средняя температура обмотки не превы­ шает 125° С, укорочение витков не так велико и составляет обычно 1—5 мм. При средней рабочей температуре в 145°С и выше укорочение витков значительно больше и иногда дости­ гает 40—45 мм.

Несмотря на остаточные температурные деформации мед­ ных стержней обмотки ротора при косвенном охлаждении,, почти не имели места случаи аварийного ограничения нагруз­ ки ротора. Значительно опаснее появление таких деформаций обмотки в турбогенераторах с непосредственным охлаждением ротора. При укорочении витков в вентиляционных каналах стержней возникает сужение проходного сечения и условия охлаждения резко ухудшаются, приводя к местным перегре­ вам обмотки ротора.

Для того чтобы этого не было, при изготовлении стержней обмотки роторов с непосредственным охлаждением применяют сплав меди с серебром (200—300 г на 1т), что повышает пре­ дел текучести меди до 1600—2100 кгс/см2. Несмотря на это, в. эксплуатации отмечены случаи закупорки вентиляционных ка­ налов стержней сместившимися изоляционными прокладками,, что приводило к местным перегревам обмотки и недопусти­ мым вибрациям ротора с последующим аварийным отключе­ нием машины. Поэтому у турбогенераторов с непосредствен­ ным охлаждением ротора вообще не допускаются остаточные температурные деформации меди.

С этой точки зрения особенно опасным является внезапное повышение нагрузки ротора после достижения машиной пол­

141

ной скорости вращения при ее пуске. В этом случае из-за рез­ кого различия тепловых постоянных меди и стали разность их

■будут значительно выше предела пропорциональности, что не­ избежно приведет к остаточным деформациям.

Этим объясняется требование ПТЭ о постепенном наборе нагрузки на генератор в соответствии с повышением нагрузки

ного к сети холодного генератора достаточно мала, и поэтому мала вероятность значительных остаточных деформаций вит­ ков обмотки ротора, которые к тому же зависят от числа цик­ лов нагрева и остывания ротора.

§ 37. Несимметричная нагрузка

Несимметричная нагрузка возникает при большом содер­ жании в общей нагрузке однофазных токоприемников (элек­ трическая тяга, электрические печи и т. д.), режим потребле­ ния которых приводит к несимметрии токов по фазам, или при нарушениях симметрии самой схемы передачи энергии, вызванных аварийными либо другими обстоятельствами (ра­ бота через неполнофазную группу трансформаторов, ремонт фазы группы, обрыв фазы линии, трансформатора, выключа­ теля и т. д.).

Правила технической эксплуатации допускают длительную работу генераторов с неравенством фазных токов при усло­ вии, что ни один из токов не превысит номинального тока ста­ тора. При этом несимметрия токов не должна быть больше 10% (по щитовым приборам) [15]. Если 1а — 1с— 1ц, а

то коэффициент несимметрии

1 0 0 < 10%.

142

При несимметричном режиме в статоре возникают токи об­ ратной последовательности, магнитное поле которых враща­ ется относительно ротора с двойной угловой скоростью. Индуктируемые этим полем в роторе токи двойной частоты вызывают дополнительный нагрев элементов ротора, который может привести к недопустимому и даже опасному повыше­ нию температуры этих элементов.

Из-за большой индуктивности обмотки ротора и сильного экранирующего действия массива ротора токи двойной часто­ ты в его обмотке настолько малы, что практически не повы­ шают ее температуру. Значительно большее влияние оказы­ вают эти токи на тепловое состояние массива ротора и его элементов: зубцов, пазовых клиньев и бандажных колец. Из-за выраженного скин-эффекта при двойной частоте глуби­ на проникновения в массив ротора обратного поля и индукти­ руемых им токов h невелика и фактически эти токи протекают в тонком поверхностном слое бочки ротора

где р — удельное сопротивление материала, Ом-мм; ц — маг­

двойной частоты и, как следствие, весьма большие добавоч­ ные потери в роторе из-за несимметрии токов в статоре. У многих турбогенераторов с непосредственным охлаждением величина этих добавочных потерь становится равной номи­ нальным, потерям в роторе уже при /2 = 0,22 /н, а при /2= /н превышает номинальные потери в 15—20 раз.

Этим и объясняются жесткие ограничения несимметрич­ ного режима, допускаемого Правилами технической эксплуа­ тации только при несимметрии токов, не превосходящей 10%, что соответствует величине тока обратной последовательности в 5%.

При установлении этих ограничений учтен не только общий уровень добавочных потерь, но также и неравномерный харак­ тер их распределения на поверхности ротора. Вихревые токи, возникающие в массиве ротора при несимметричном режиме, замыкаются через контактные поверхности между зубцами, клиньями и бандажными кольцами. Эти контакты, располо­ женные вблизи торцовых поверхностей ротора, имеют повы­ шенное сопротивление и обусловливают появление местных значительных перегревов. Вот почему тепловое состояние тор­

143

цовых зон ротора, где наблюдаются наибольшие температуры при несимметричной нагрузке статора, является основным критерием для определения допустимой несимметрии.

Как видно из рис. 101, добавочный нагрев ротора с удале­ нием от торцовой зоны быстро падает и на расстоянии 120— 130 мм он уже невелик.

Главным источником тепла в торцовой зоне является ро­ торная сталь, однако более низкая температура пазовых клиньев и их более высокая теплопроводность обусловливают

направление теплового потока в сторону клиньев. Более низ­ кая температура размягчения материала клиньев по сравне­ нию со сталью приводит к тому, что именно они оказываются самым слабым звеном ротора, ограничивающим величину тока обратной последовательности /2, при которой нагрев зубцов, пазовых клиньев и медных проводников будет безопасным для изоляции торцовых частей обмотки ротора.

Кроме длительно допустимой несимметрии, в условиях экс­ плуатации необходимо знать способность генераторов выдер­ живать кратковременные тепловые перегрузки ротора при преходящих несимметричных режимах (например, для вы­ бора уставок релейной защиты).

Вэтом случае критерий допустимости режима приводится;

винтегральной форме

/,2т < Т,

144

где т — допустимое время прохождения тока обратной после­ довательности, с; /2— среднеквадратичная величина эффек­ тивного тока обратной последовательности, отн. ед.,

Т — интегральный критерий термической устойчивости турбо­ генератора, с.

Физическая сущность критерия заключается в предполо­ жении, что при адиабатическом нагреве некоторого тела за­ данного объема повышение температуры тела будет одинако­ вым при разных токах, но при длительностях процесса, изме­ няющихся так, что количество тепла, сообщаемое телу, каж­ дый раз остается тем же самым.

На основании длительного опыта эксплуатации и спе­ циально проведенных экспериментов для роторов турбогене­ раторов с косвенным охлаждением был установлен следую­ щий критерий термической устойчивости при кратковременной

200° С и из условия отсутствия повреждения этих элементов. Для машин с непосредственным охлаждением ротора до­

пустимая длительность несимметричного режима при том же токе обратной последовательности /2 должна быть меньше, так как, хотя с поверхности ротора таких генераторов отво­ дятся только добавочные потери, их линейная токовая на­ грузка и электромагнитное использование активных материа­ лов выше, чем у генераторов с косвенным охлаждением ро­ тора. Обычно с учетом этого обстоятельства правая часть критерия для турбогенераторов с непосредственным охлаж­ дением уменьшается обратно пропорционально линейной токовой нагрузке Л5 %.

В табл. 14 приведены интегральные критерии термической устойчивости для различных типов турбогенераторов [17], вы­ численные при указанном выше допущении, а на рис. 102— зависимость тока обратной последовательности /2 от длитель­ ности его прохождения для турбогенератора ТВФ-60-2.

Ток /2 следует вычислять для каждого конкретного случая отдельно. С известным запасом можно изменяющийся ток об­ ратной последовательности принимать равным начальному значению тока, определенному по сверхпереходному реактив­ ному сопротивлению генератора.

При вычислении токов обратной последовательности по из­ вестным токам в фазах можно пользоваться следующими вы­ ражениями [20].

Если /д = 1С, а 1в> 1 а , то

/ 2 =

146

вреждения роторов с непосредственным охлаждением при за­ тянувшихся несимметричных режимах.

Ужесточение критерия устойчивости в этих случаях неже­ лательно из-за возникающих при таком ужесточении трудно­ стей с согласованием уставок сетевых защит и защиты турбо­ генератора от токов обратной последовательности. Поэтому естественно стремление заводов-изготовителей и эксплуата­ ционных организаций повысить термическую стойкость рото-

Рие. 103

ров путем внесения улучшений в их конструкцию. К таким конструктивным улучшениям относятся, например:

1) изготовление пазовых клиньев из легированной меди, имеющей значительно более высокую температуру размягче­ ния, чем дюралевые клинья;

2) применение в торцовой зоне роторов демпферных си­ стем;

3) посадка бандажных колец на ротор без изолирующих прокладок.

При схемной несимметрии, вызванной отсутствием фазы трансформатора (рис. 104) и необходимостью работы на высо­ кой стороне открытым треугольником, несимметрия в токах генератора может быть устранена включением симметрирую­ щего реактора хсим, величина реактивного сопротивления ко­ торого определяется из выражения для тока /2 [20]

/, -----------------.

х0+лг, + £ащ

О

Как видно из этого выражения, полная компенсация тока /2, т. е. превращение его в нуль, достигается при значении сопротивления симметрирующего реактора х,

При этом мощность реактора

Qc.m = A lf -Хсш- Ю ~ 3 К В А .

Так как

гs4>

—зи >

а

'^СИМ

Для иллюстрации опасности несимметричного режима для турбогенераторов приводится заимствованное из [20] описание повреждения генератора 12 МВт, 6,3 кВ, имевшего место на одной из электростанций (генератор типа Т-2-12-2).

При включении генератора в сеть и взятии нагрузки 2МВт было замечено отсутствие показаний на щитовом амперметре (на щите был установлен только один амперметр). Предполо­ жив, что показаний на амперметре нет из-за обрыва во вто­ ричной цепи трансформатора тока, дежурный персонал про­ должал увеличивать нагрузку генератора до 8 МВт активной и 9 Мвар реактивной мощности. При этой нагрузке было за­ мечено ненормальное повышение температуры холодного и горячего воздуха в системе охлаждения генератора и в даль­ нейшем температура генератора продолжала повышаться.

Затем произошла потеря возбуждения генератора и воз­ никла недопустимая вибрация. При этом из генератора по­ шел дым с искрами и было обнаружено задевание вала об уплотнения. Генератор был отключен по сигналу «машина в опасности». Выяснилось, что в обмотке статора имел место обрыв фазы и машина проработала с несимметричной нагруз­ кой на двух фазах в течение двух часов.

Вскрытие генератора показало, что лобовые части обмот-

14S

ки статора покрыты каплями лака, а в расточке статора на длину 430 мм от торца вся поверхность покрыта слоем лака. Лобовые части обмотки статора со стороны возбудителя ока­ зались покрытыми застывшими каплями алюминия и лака. На роторе было замечено выпучивание бронзовых клиньев, а сталь ротора имела цвета побежалости. На внутренней сто­ роне обоих бандажных колец были обнаружены следы выте­ кания лака и следы алюминиевых седел. Со стороны возбу­ дителя на седлах первых двух малых катушек обоих полюсов имелись потемневшие места, представляющие собой спрессо­ ванный сплав алюминия, меди и изоляции. После снятия седел было обнаружено нарушение изоляции на расстоянии 100 мм между верхними витками катушек и седлами и выплавление верхних витков обмотки возбуждения у всех четырех катушек,

В результате этих повреждений и удлинения бочки ротора из-за нагрева произошло двойное замыкание обмотки возбуж­ дения на корпус и потеря возбуждения. Вследствие сильного нагрева ротор удлинился настолько, что произошло механиче­ ское задевание вала ротора об алюминиевые уплотнения и крышку возбудителя. Баббит вкладышей обоих генераторных подшипников оказался частично выплавленным. Генератор выбыл в длительный аварийный ремонт.

Следует отметить, что почти все вышеприведенные рассуж­ дения относились к турбогенераторам, роторы которых нахо­ дятся в напряженном тепловом режиме, а их конструкция не способствует интенсивному отводу тепла добавочных потерь, вызванных несимметричным режимом статора.

У явнополюсных машин: гидрогенераторов, синхронных компенсаторов и синхронных двигателей — условия охлажде­ ния обмотки и массива ротора значительно лучше, чем у тур­ богенераторов, и поэтому по тепловому режиму эти машины допускают большие несимметрии по сравнению с турбогенера­ торами (20% по току статора). В большинстве случаев допу­ стимая несимметрия у гидрогенераторов ограничивается не тепловым режимом ротора, а повышенной вибрацией, возни­ кающей при появлении поля обратной последовательности, создающего пульсирующий вращающий момент двойной ча­ стоты.

§38. Несинусоидальная нагрузка

Внекоторых случаях в составе нагрузки имеются мощные выпрямительные установки (электрическая тяга, электропере­ дачи постоянного тока, электролизные установки), генерирую­ щие высшие гармоники, которые приводят к искажению фор­ мы кривой тока статора и вызывают добавочные потери в ста­ торе и роторе.

149