3. СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ АЭС

3.1. Общие определения

Одним из основных элементов электрической станции является электрический генератор – электрическая машина, в которой осуществляется преобразование энергии механического вращения турбины в электрическую энергию. На современных АЭС применяются трехфазные синхронные турбогенераторы, которые непосредственно соединяются с паровыми турбинами.

На АЭС турбогенераторы работают с номинальной частотой вращения 3000 (2-х полюсные) и 1500 (4-х полюсные) об/мин. Меньшая частота вращения применяется для турбогенераторов мощностью 1000 МВт и выше. Это обстоятельство объясняется тем, что меньшая частота вращения вала турбины позволяет применить в цилиндре низкого давления лопатки большей длины и тем самым пропускать значительно больше пара, а значит, увеличивать предельную мощность турбины, которая ограничивается механической прочностью лопаток последних ступеней турбины. Но в настоящее время проблема прочности лопаток последних ступеней турбины решена, и энергоблоки мощностью 1000 МВт и выше также выполняются с двухполюсными турбогенераторами.

Синхронные генераторы характеризуются номинальной активной Рном и полной мощностью Sном. Под номинальной мощностью понимают мощность, на которую рассчитан синхронный генератор и с которой он может длительно работать при номинальных параметрах охлаждающей системы.

Все другие параметры, характеризующие работу машины при номинальной мощности, также называются номинальными. К таковым относятся:

–реактивная мощность генератора Qном;

–коэффициент мощности cos ном;

–напряжение статора Uном (номинальным напряжением называется номинальное междуфазное напряжение статорных обмоток);

–ток статора Iном;

–напряжение возбуждения Uвозб. ном;

–ток возбуждения Iвозб.ном.

Номинальная полная мощность генератора выражается формулой

Sном 3Uном Iном ,

а номинальная активная мощность

Pном 3Uном Iном cos ном .

Номинальная реактивная мощность определяется следующими выражениями:

Qном Sном sin ном ; Qном Pном tg ном .

У турбогенераторов мощностью 220 и 500 МВт номинальный коэффициент мощности равен 0,85, а у турбогенераторов мощностью 1000 и 1200 МВт – 0,9.

Полная мощность турбогенератора связана с его основными размерами и электромагнитными нагрузками следующей зависимостью:

Sном kD12l AS B n ,

где k – коэффициент пропорциональности, приблизительно равный 1,1; D1 – диаметр расточки статора; l – длина активной части; АS – линейная токовая нагрузка обмотки статора; B – индукция в воздушном зазоре; n – частота вращения.

В свою очередь линейная токовая нагрузка обмотки статора определяется из выражения:

AS Iном Nn , tn

где Iном – номинальный ток обмотки статора; Nn – число проводников в пазу; tn – пазовое деление по окружности статора.

Согласно Правилам технической эксплуатации (ПТЭ) синхронных генераторов должно быть обеспечено надежное действие систем возбуждения, охлаждения, маслоснабжения, устройств контроля, защиты и автоматики. Следовательно, работа синхронного генератора обеспечивается рядом систем, которые сами по себе оказываются сложными комплексами.

3.2. Система охлаждения турбогенераторов

При работе генератора в нем возникают потери энергии, которые выделяются в виде тепла, нагревающего его элементы. Предельный нагрев генератора определяется состоянием изоляции обмоток статора и ротора, поскольку при нагреве происходит ухудшение её физических свойств. Она начинает высыхать, растрескиваться и терять изоляционные свойства, что в свою очередь приводит к пробою обмотки на землю и аварийному останову генератора. Чтобы этого не происходило, турбогенераторы снабжаются системой охлаждения.

Турбогенераторы АЭС снабжены системой непосредственного охлаждения. Данная система охлаждения обеспечивает непосредственное соприкосновение охлаждающей среды с элементами, в которых происходит выделение тепла: с проводниками, сердечником магнитопровода, нажимными плитами торцевых частей машины. Для этого в указанных элементах предусматриваются специальные каналы для циркуляции охлаждающего агента, который нагнетается в эти каналы вентиляторами или насосами.

В качестве охлаждающих сред используется газы или жидкости. К первым относятся воздух, водород, смесь водорода (97%) и воздуха (3%), ко вторым – дистиллированная вода (дистиллят) и масло.

Водород эффективнее воздуха при охлаждении, поскольку у него выше теплоотводящая способность (при давлении 0,4 МПа в четыре раза), но его использование опасно в связи с тем, что в смеси с воздухом в определенной пропорции (гремучий газ, когда содержание воздуха в смеси значительно превышает 3%) он взрывоопасен. Поэтому при применении для охлаждения водорода корпус генератора должен иметь высокую степень герметичности и давление водорода в корпусе генератора должно превышать атмосферное со значитель-

ным запасом. Вал ротора такого генератора должен иметь уплотнения, в которых масло должно находиться под давлением, превышающим давление водорода. Таким образом, система маслоснабжения уплотнений вала ротора является одной из важнейшей, обеспечивающей безопасность эксплуатации станции.

Вода в сравнении с маслом обладает более высокими теплоотводящими свойствами, но при наличии в ней растворенных металлов она превращается в проводящую среду, через которую возможно замыкание токоведущих частей на корпус. Кроме того, утечки воды из системы охлаждения и проникновение её в изоляционные конструкции приводит к увлажнению изоляции, образованию проводящих путей и в конечном итоге также к замыканиям токоведущих частей на корпус с аварийным отключением генератора.

На большинстве АЭС установлены турбогенераторы с водородноводяным охлаждением серии ТВВ, выпускаемые ОАО "ЭЛЕКТРОСИЛА".

В генераторах данной серии обмотки статора выполняются в виде соединения конструктивных частей двух типов: стержней, укладываемых в пазы статора, и дуг, соединяющих между собой стержни в торцевых частях статора

– лобовых частей обмоток. Стержни выполняются из элементарных проводников прямоугольного сечения, часть которых полые. Именно через полые проводники прокачивается дистиллят, охлаждающий обмотки статора. Сам дистиллят охлаждается в теплообменниках, расположенных вне генератора.

Сердечник магнитопровода и обмотка ротора охлаждаются водородом, который циркулирует по каналам охлаждения в магнитопроводе и в пазах ротора. Водород охлаждается в газоохладителях, расположенных внутри корпуса турбогенератора. Циркуляция воды в газоохладителях осуществляется насосом, расположенным вне корпуса генератора.

Системы охлаждения турбогенераторов сери ТВВ обладает высокой эффективностью, что позволяет изготовить генераторы мощностью 1200 МВт в габаритах, близких к габаритам генераторов мощностью 500 МВт.

Параметры системы охлаждения для ТВВ-1200-2У3 достаточно показательны: газовый объем генератора равен 160 м3; давление водорода в корпусе

0,5 МПа, номинальная температура холодного газа +40 С, расход дистиллята

180 м3/ч.

Перспективной является система охлаждения крупных турбогенераторов, называемая кратко "три воды". При этой системе охлаждение всех активных элементов генератора (обмоток статора и ротора, сердечник магнитопровода) охлаждается дистиллятом.

Водяное охлаждение по сравнению с водородно-водяным дает возможность снизить превышение температуры обмоток дополнительно на 30 С и более, что позволяет уменьшить поперечное сечение каналов в полых проводниках и тем самым снизить потери в них на 15 – 20%. Кроме того, значительное снижение рабочих температур обмоток и магнитопровода не только снимает проблемы с нагревом изоляции, но и существенно снижает температурные напряжения в конструктивных элементах генератора, которые ответственны за повышенный износ изоляции вследствие трения при скольжении стержней относительно пазов и за возникновение микротрещин в полых проводниках.

Внастоящее время турбогенераторы с охлаждением "три воды" установлены только на нескольких станциях. Тем не менее, в специальных автономных системах электроснабжения такие генераторы с такой системой охлаждения весьма распространены.

ВРоссии и за рубежом ведутся успешные работы по созданию мощных криогенных турбогенераторов, по-видимому, за ними большое будущее.

3.3. Система возбуждения турбогенераторов

Система возбуждения синхронных генераторов относится к наиболее ответственным системам, поскольку выполняет ряд важнейших функций, таких как:

–обеспечение регулирования напряжения на зажимах генератора при широком изменении нагрузки последнего;

–обеспечение сохранения динамической устойчивости синхронных генераторов при коротких замыканиях в сети;

–обеспечение устойчивой работы релейной защиты при повреждениях в сети и в самих генераторах.

Для выполнения первой и второй функций система возбуждения должна быть оснащена автоматическими регуляторами с достаточно высоким быстродействием, которое обеспечивается путем снижения постоянных времени всех элементов, составляющих тракт обратной связи регулирования напряжения. Для решения третьей задачи необходимо наличие быстродействующей форсировки возбуждения при резком снижении напряжения на генераторе, которая характеризуется кратностью форсировки (отношением максимального напряжения возбуждения к его номинальному значению):

kф Uвозб.макс Uвозб. ном

и скоростью нарастания напряжения возбуждения возбудителя

ф 0,632 Uвозб.макс Uвозб.ном Uвозб.номТн ,

где Тн – время нарастания напряжения возбуждения от Uвозб. ном до значения

Uвозб. ном + 0,632(Uвозб. макс Uвозб. ном).

К возбудителям предъявляются требования: kф 2, vф 2Uвозб. ном в секунду.

Впрактике электрических станций применяется большое разнообразие систем возбуждения. На АЭС нашли применение две из них:

– тиристорная система возбуждения для генераторов мощностью до 500 МВт включительно;

– диодная безщеточная система возбуждения для генераторов мощно-

стью 1000 и 1200 МВт.

Тиристорные системы возбуждения

Всистемах возбуждения этого типа напряжение на обмотку возбуждения синхронного генератора подается от двух параллельно включенных выпрямительных мостов, собранных на управляемых тиристорах. Питание выпрямительных мостов осуществляется от выпрямительного трехфазного трансформа-

тора (ВТ). Когда ВТ подключается к выводам генератора (рис. 3.1), такая система называется тиристорной системой самовозбуждения – СТС, если ВТ питается от трехфазного независимого источника напряжения, такая система называется тиристорной независимой системой возбуждения – СТН.

Рис. 3.1. Принципиальная схема СТС:

АГП – автомат гашения поля (специальный выключатель, контакты которого шунтируются мощной дугогасящей решеткой, см. ниже); ПТ – последовательный трансформатор; ВТ – выпрямительный трансформатор; ТСНР – трансформатор собственных нужд рабочей группы вентилей; ТСНФ – трансформатор собственных нужд форсировочной группы вентилей; СУРГ –система управления рабочей группы вентилей; СУФГ – система управления форсировочной группы вентилей; РГ – рабочая группа вентилей; ФГ – форсировочная группа вентилей; Рр – разрядник для защиты ротора от перенапряжений; Рп – разрядник для защиты преобразователя от перенапряжений; АНВ – агрегат начального возбуждения; К1, К2 – контакторы, шунтирующие разрядники при самосинхронизации

Всистеме тиристорного самовозбуждения имеется последовательный трансформатор (ПТ), который необходим для обеспечения форсировки возбуждения при коротком замыкании вблизи шин генератора. Действительно, при таких коротких замыканиях напряжение на шинах генератора резко снижается, что в свою очередь ведет к снижению напряжения на выходе ВТ, а следовательно и к снижению уровня форсировки. Чтобы устранить это неблагоприятное явления последовательно в цепь вторичных обмоток ВТ включаются вторичные обмотки ПТ, которые при коротком замыкании вблизи шин генератора дают добавки в сторону повышения напряжения в фазах вторичных обмоток ВТ. Так как ток короткого замыкания в таких случаях оказывается большим, эти добавки будут существенными, снимающими указанные выше неблагоприятные явления.

Вкачестве независимого источника трехфазного напряжения для питания ВТ СТН используются либо трехфазный трансформатор, подключенный к ка-

кой-либо системе шин собственных нужд станции, либо специальный трехфазный синхронный генератор-возбудитель переменного тока.

Автомат гашения поля (АГП) в системе возбуждения необходим по следующим причинам. Обмотка возбуждения обладает большой индуктивностью (порядка 1 Гн) и при большом токе возбуждения (несколько килоампер для генераторов 300 МВт и выше) в ней накапливается большая энергия магнитного поля, пропорциональная произведению индуктивности на квадрат тока. При отключении цепи обмотки возбуждения накопленная энергия должна быть погашена. При разрыве контура обладающего большой накопленной энергией на контактах АГП возникает высокое напряжение и электрическая дуга. Для её гашения АГП снабжен решеткой с массивными медными пластинами, в которую электрическая дуга затягивается вследствие возникающих электромагнитных сил, разбивается на ряд последовательных частичных дуг, интенсивно охлаждается в каждом частичном объеме и гаснет. Однако и после погасания дуги появление повышенных напряжений на обмотке возбуждения не исключено,

поэтому она шунтируется разрядником Рр, который при возникновении перенапряжения пробивается и шунтирует обмотку возбуждения сопротивлением Rр.

Аналогичная цепочка Рп, и Rп предусмотрена и для защиты тиристорного преобразователя.

Для обеспечения возбуждения генератора при его пуске, когда напряжение на генераторе отсутствует, в СТС необходимо предусмотреть установку агрегата начального возбуждения (АНВ).

Тиристорная система возбуждения позволяет обеспечить выполнение всех требований, предъявляемых к системам возбуждения мощных генераторов: и требуемую кратность возбуждения и требуемую скорость нарастания напряжения возбуждения при форсировке.

Наиболее ценным свойством систем возбуждения СТС и СТН является их высокое быстродействие, которое ограничено лишь инерционностью системы управления тиристорами. Инерционность же систем управления вентилями значительно меньше, чем инерционность электромашинных систем возбуждения. Это имеет большое значение для эффективности регулирования напряжения на выводах генератора: можно обеспечить постоянную времени тиристорного возбудителя порядка 0,02 0,04 с. При таком быстродействии оказываются эффективными методы регулирования возбуждения, направленные на обеспечение высоких пределов мощности и высоких запасов динамической устойчивости.

Это направление совершенствования эксплуатационных свойств турбогенераторов и электрических станций оказалось весьма продуктивным и имеет перспективы дальнейшего развития в части создания адаптивных систем регулирования сильного действия с самонастраивающимися кибернетическими регуляторами.

Бесщеточные системы возбуждения

По мере роста единичной мощности синхронных турбогенераторов размеры щеточного аппарата ротора стали неприемлемо большими. Число токо-

подводящих щеток при допустимой плотности тока под щетками 8-10 А/мм2 выросло до 270 и более. Это потребовало увеличения размеров поверхности токосъемных колец и осложнило конструктивное выполнение самих щеток (их охлаждение и пр.). Диаметр и ширина токосъемных колец на роторе превысили предельно допустимые размеры. Для обеспечения необходимой площади контакта необходимо увеличение числа и ширины щеток это влечет за собой удлинение консольного конца вала (со стороны возбудителя), повышению биения колец, возрастает количество накапливаемой под щетками медной и угольной пыли, что существенно затрудняет эксплуатацию (чистку) и необходимость остановки генератора для чистки аппарата.

Поэтому еще 50 лет назад были предприняты меры по созданию бесщеточных систем возбуждения. Для этого возбудитель выполняется как обращенный синхронный генератор: обмотки возбуждения генератора располагаются на статоре (неподвижны), а обмотки якоря (фазы переменного тока) на роторе. Фазные обмотки подключаются к вращающимся выпрямителям, выпрямленный ток подается в обмотку возбуждения турбогенератора непосредственно соединительные токопроводы располагаются внутри полого ротора.

Подвозбудители обычно представляют собой трехфазные синхронные генераторы. Вал подвозбудителя сочленяется с валом возбудителя торсионной связью, допускающей некоторое взаимное аксиальное смещение.

Силовые вращающиеся твердые выпрямители могут быть неуправляемыми и управляемыми (тиристорными).

Бесщеточное возбуждение с неуправляемыми, диодными выпрямителями особо просты, но имеют пониженное быстродействие из-за большой постоянной времени обмотки возбуждения возбудителя (до 2 с).

Бесщеточные возбудители с управляемыми тиристорами обеспечивают высокое быстродействие и могут решать большое число задач, связанных с устойчивостью работы генераторов в системе. Однако вращающиеся тиристоры требуют системы передачи управляющих сигналов на вращающийся блок, что значительно усложняет систему возбуждения. Поэтому системы бесщеточного возбуждения в прошлом веке почти поголовно выполняли как диодные. На рис. 3.2 показана упрощенная структурная схема бесщеточной системы возбуждения.

Рис. 3.2. Принципиальная схема диодной бесщеточной системы возбуждения:

ГГ – главный генератор; ТН – трансформатор напряжения; ВН – выпрямитель неуправляемый; В – возбудитель переменного токаобращенная синхронная машины; ПВ – подвозбудитель – синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов; ТВ – тиристорный преобразователь; АРВ – автоматический регулятор возбуждения; ПВ – подвозбудитель; СУТ – система управления тиристорами; АРН – автоматический регулятор напряжения; ТВП – тиристорный преобразователь подвозбудителя

В табл.3.1 даны параметры возбудителей переменного тока, которые нашли применение на генераторах, установленные во второй половине прошлого века.

Таблица 3.1 Возбудители переменного тока для бесщеточных систем возбуждения