20.4. Синхронные компенсаторы

Синхронный компенсатор представ­ляет собой ненагруженный синхронный двигатель, который в зависимости от значения тока возбуждения и его направ­ления либо вырабатывает (в режиме перевозбуждения), либо потребляет (в ре-

жиме недовозбуждения) реактивную мощность. Особенностью синхронных компенсаторов является возможность работы как с положительным, так и с отрицательным возбуждением.

Синхронные компенсаторы обычно выполняют с явнополюсным ротором (рис. 20.9, 20.10); конструктивно они ана­логичны гидрогенераторам, только у всех синхронных компенсаторов вал рас­положен горизонтально. При таком исполнении уменьшаются масса, разме­ры и стоимость компенсатора; упро­щаются его монтаж и ремонт (для монтажа и ремонта синхронной машины с вертикальным валом требуется кран большой грузоподъемности); фундамент оказывается проще и дешевле.

С целью повышения устойчивости параллельной работы синхронных ком­пенсаторов их выполняют со значитель­ным моментом инерции. Поэтому валы синхронных компенсаторов, несмотря на малый вращающий момент (нагрузка

на валу отсутствует), имеют значитель­ные размеры. Для повышения механи­ческой прочности валы выполняют ко­ваными.

В настоящее время отечественная промышленность изготовляет синхрон­ные компенсаторы на 750 и 1000 об/мин с номинальными мощностями (при опе­режающем токе): 10, 16, 25, 32, 50, 100, 160, 320 MBּА. При указанных частотах вращения синхронные компенсаторы в явнополюсном исполнении имеют мень­шую стоимость и меньшие потери энергии, чем в неявнополюсном исполне­нии, поэтому последние не нашли широ­кого применения. Для облегчения пуска явнополюсного синхронного компенса­тора его выполняют с пусковой обмот­кой. Последняя состоит из стержней, изготовленных из сплавов с повышен­ным активным сопротивлением — лату­ни, алюминиевой бронзы и других, позволяющих получить достаточно большой пусковой момент (см. гл. 21). Стержни уложены в полузакрытые пазы на полюсах ротора (рис. 20.10,б). На торцах полюсов стержни замыкают на­коротко медными или латунными сег­ментами, а сегменты соседних полюсов объединяют электрически в общие ко-роткозамыкающие кольца. Сечение стержней и сегментов выбирают, исходя из значений пусковых токов и длитель­ности пуска.

При работе синхронного компенса­тора в режиме потребления реактивной мощности имеет место более глубокое проникновение потоков рассеяния лобо-

вых частей обмотки статора в торцевую зону сердечника статора. Это увеличи­вает потери мощности и соответственно нагрев не только торцевой зоны сердеч­ника статора, но и нажимных плит, кронштейнов, бандажных колец и др. Поэтому у синхронных компенсаторов, которые рассчитаны на потребление реактивной мощности более 50 % номи­нальной, нажимные плиты, кронштейны, бандажные кольца и другие конструктив­ные элементы выполняют из немагнит­ных материалов.

20.5. Системы охлаждения

Полная номинальная мощность гене­ратора, кВּА, определяется следующим выражением:

где — линейная плотность тока ста­тора в номинальном режиме, А/м; — магнитная индукция в воздушном зазоре, Тл; — диаметр статора, м; — длина активной части генератора, определя­емая длиной магнитопровода статора, м; и — номинальная частота вращения, об/мин; — коэффициент пропорцио­нальности.

При заданной частоте вращения и индукции в воздушном зазоре

Тл, ограниченной насыщением в зубцовом слое, основными факторами, влияющими на увеличение мощности генератора, являются как геометриче­ские размеры и так и линейные

плотности тока статора и ротора. Пер­воначально мощности и размеры генера­торов были относительно невелики и повышение единичной мощности дости­галось главным образом путем увели­чения геометрических размеров машин. Электромагнитные нагрузки при этом изменялись незначительно. Однако при заданной частоте вращения машины увеличение диаметра статора и соот­ветственно диаметра ротора приводит к росту механических напряжений в теле ротора турбогенератора и в ободе ро­тора гидрогенератора. Поэтому пре­дельно возможные диаметры ротора синхронных машин определяются меха­нической прочностью материала, ис­пользуемого для изготовления тела ро­тора или o6oflaj Вследствие разницы номинальных частот вращения турбо-и гидрогенераторов предельные диа­метры ротора первых существенно мень­ше, чем вторых. Повышение качества литья стальных поковок и использова­ние титановых сплавов для бандажных колец позволило довести предельный диаметр двухполюсного ротора турбо­генератора до 1350 мм, а четырехпо-люсного — до 2300 мм. Длина бочки ротора турбогенератора также ограниче­на; она определяется статическим про­гибом ротора и его вибрационными характеристиками. Для устранения опас­ных вибраций турбогенератора необхо­димо, чтобы отношение длины активной части машины к диаметру ротора не превышало 5,5 — 6,5. Поэтому длина активной части двухполюсного турбо­генератора пока не может превышать 7-8 м.

Из сказанного ясно, что увеличение мощности турбогенератора за счет даль­нейшего увеличения диаметра и длины ротора в ближайшее время мало ве­роятно; оно возможно лишь за счет увеличения линейной плотности тока ротора и статора. Линейная плотность тока ротора прямо пропорциональна линейной плотности тока статора:

где К₂ — коэффициент пропорциональ-

ности, обычно несколько превышающий единицу.

Линейная плотность тока ротора определяется выражением

где — сумма поперечных сеченийпроводников обмотки возбуждения во всех пазах ротора, мм²; J₂ — плотность тока в обмотке ротора, А/мм²; D₂ — диаметр ротора, м.

У турбогенераторов поперечное сече­ние пазов ротора и, следовательно, суммарное сечение проводников обмот­ки возбуждения при ограниченном диа­метре ротора не могут быть увеличены. Ограниченные размеры статора также не позволяют увеличить суммарное се­чение его проводников. Следовательно, увеличение линейной плотности тока как ротора, так и статора возможно лишь за счет повышения плотности тока в обмотках. Увеличение мощности гидро­генераторов также возможно лишь путем увеличения линейной плотности тока статора и ротора. Это приводит к повышенному нагреву обмоток и необ­ходимости применения более интенсив­ных систем охлаждения, но позволяет (см. ниже) создать современные крупные турбо- и гидрогенераторы. Путем даль­нейшего совершенствования систем охлаждения мощность машин может быть значительно увеличена (до 2000 — 3000 МВт). Однако увеличение мощности генераторов лишь за счет совершенст­вования систем охлаждения вряд ли возможно. Поэтому в будущем увеличе­ние единичной мощности генераторов предполагается осуществить за счет отказа от традиционных конструкций генераторов и перехода к генераторам со сверхпроводящими обмотками (крио­генные генераторы), к магнитогидроди-намическим (МГД) генераторам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и др.

Система охлаждения предназначена для отвода выделяемого в машине тепла с целью поддержания температуры меди обмоток, а также стали статора и ротора в допустимых пределах. При

использовании изоляции класса В пре­дельные допустимые температуры зави- сят от системы охлаждения (косвенная или непосредственная), давления водо­рода и других причин и составляют для обмотки ротора 100—130 °С (при измерении методом сопротивления), для обмотки статора 120—140 °С (при изме­рении методом термопреобразователей сопротивления) и для активной стали 120°С (при измерении методом термо­преобразователей сопротивления).

Все системы охлаждения можно под­разделить на косвенные (или поверх­ностные) и непосредственные (или внут-рипроводниковые). Некоторые машины выполняют со смешанной системой охлаждения. В качестве охлаждающих сред используют воздух, водород, воду и масло.

Косвенные системы охлаждения

При косвенной системе охлаждения газ (воздух или водород) циркулирует в зазоре между ротором и статором, а также в вентиляционных каналах сер­дечника статора. Поэтому тепло, выде­ляемое в проводниках обмоток ротора и статора, поглощается охлаждающим газом лишь после того, как оно пройдет через пазовую изоляцию и сталь ротора или статора. При этом в изоляции, активной стали и на поверхности кана­лов имеют место перепады температур, сумма которых θ равна превышению температуры меди обмотки над темпера­турой охлаждающей среды: . Наи­большие допустимые потери мощности в машине и соответственно ее номи­нальная мощность пропорциональны допустимому превышению температур. При косвенной системе охлаждения основная доля превышения температур приходится на изоляцию, поэтому номи­нальная мощность генератора заданных размеров в значительной мере ограни­чена тепловыми характеристиками изо­ляции.

Косвенная воздушная система охлаж­дения может быть проточной и замк­нутой. При проточной системе воздух, пройдя очистительные фильтры, посту-

пает в закрытую машину, охлаждает ее и затем выбрасывается наружу. Такая вентиляция применяется только для генераторов небольшой мощности, так как с воздухом, несмотря на наличие фильтров, в машину попадает и пыль. Для более крупных генераторов, требую­щих большого количества воздуха, во избежание их загрязнения применяют замкнутую вентиляцию, при которой в машине циркулирует одно и то же ко­личество воздуха; нагретый воздух охлаждается в воздухоохладителях и снова поступает к активным частям машины. Отсутствие притока воздуха извне облегчает ликвидацию пожара в машине. Косвенная воздушная система применяется для охлаждения большин­ства гидрогенераторов, турбогенерато­ров мощностью до 12 МВт включитель­но и синхронных компенсаторов мощ­ностью до 16 MB∙А включительно.

Косвенная водородная система ох­лаждения может быть только замкнутой. Увеличение мощности генераторов в единице требует такого повышения электромагнитных нагрузок, при кото­рых воздух не обеспечивает необходи­мый отвод тепла. Поэтому в системах охлаждения крупных турбогенераторов и синхронных компенсаторов воздух был заменен водородом. Большие размеры гидрогенераторов усложняют создание надежных уплотнений, поэтому для охлаждения гидрогенераторов водород не применяется.

По сравнению с воздухом водород обладает рядом преимуществ: он имеет в 7 раз большую теплопроводность, в 14 раз меньшую плотность и в 1,44 раза больший коэффициент теплоотдачи с поверхности. Более эффективное охлаждение нагретых поверхностей во­дородом позволяет при тех же размерах увеличить мощность турбогенераторов на 15 — 20% и синхронных компенсато­ров на 30%, а при одной и той же мощности машины в единице сберечь 15 — 30% активных материалов. При повышении давления водорода его теп­лопроводность остается неизменной, а теплоотдача с поверхности растет, благо­даря чему уменьшается превышение тем-

пературы на поверхности. Это позволяет увеличить превышение температур в изо­ляции и стали, а следовательно, и мощность генератора в единице. За счет меньшей плотности водорода по срав­нению с воздухом в машине с водо­родным охлаждением снижены потери на трение ротора о водород и потери на вентиляцию, в результате чего КПД машины на 0,7 — 1 % выше. Изоляция машин с водородным охлаждением ока­зывается' более долговечной, так как исключается образование озона, оказы­вающего разрушающее воздействие на изоляцию. Водород не поддерживает горения, поэтому уменьшается опасность развития пожара в генераторах.

Водородное охлаждение создает так­же и ряд трудностей, обусловленных возможностью образования взрывоопас­ной смеси при определенном содержа­нии водорода и кислорода и наличии высокой температуры. Для устранения опасности взрыва содержание водорода должно быть более 70%; обычно оно равно 97-99%. Кроме того, во избе­жание проникновения воздуха внутрь машины давление водорода должно быть выше атмосферного — не менее 0,103-0,107 МПа. Корпус машины должен быть механически более проч­ным, чем при воздушном охлаждении, а также газонепроницаемым; это по­вышает требования к качеству сварки.

При косвенной системе охлаждения, даже в случае использования среды с высокими охлаждающими свойствами, такой как водород, повышение мощ­ности генераторов ограничено превыше­ниями температуры в изоляции и стали. Поэтому в настоящее время косвенное водородное охлаждение имеют турбо­генераторы мощностью лишь от 32 до 110 МВт и синхронные компенса­торы мощностью 32 MB∙А и более.

Непосредственные системы охлаждения

При таких системах охлаждающая среда непосредственно соприкасается с медью обмоток (рис. 20.3,6 и г), бла­годаря чему основная часть тепла, выде­ляемого в меди, отводится непосред-

ственно к охлаждающей среде, минуя изоляцию и сталь. При этом имеют место только две составляющие превы­шения температуры: превышение между поверхностью проводников и охлаждаю­щей средой и превышение в охлаждаю­щей среде. Следовательно, при непосред­ственном охлаждении тешгоотводящие свойства среды могут быть использо­ваны более эффективно, чем при кос­венном охлаждении. Лишь небольшая часть тепла отводится через изоляцию и сталь. Поэтому при непосредствен­ной системе охлаждения номинальная мощность генератора определяется в основном перепадом тепла с поверх­ности проводника, а не в изоляции.

В непосредственных системах охлаж­дения в качестве охлаждающей среды используют водород, воду и масло. Большая эффективность непосредствен­ного охлаждения обмоток позволила при тех же размерах генератора лучше использовать активные материалы: уве­личить плотность тока в обмотках и соответственно мощность генератора более чем в 3 раза. Отечественная промышленность изготовляет несколько серий турбогенераторов с непосредствен­ным охлаждением обмоток — ТВФ, ТГВ, ТЗВ, ТВМ. У турбогенераторов серии ТВФ статор имеет косвенное, а ротор непосредственное водородное охлажде­ние (смешанная система); у генераторов серии ТГВ для статора и ротора при­меняется непосредственное водородное охлаждение; турбогенераторы серии ТЗВ имеют непосредственное водяное охлаж­дение обмоток ротора и статора и сердечника статора; у турбогенераторов серии ТВМ сердечник и обмотка ста­тора имеют непосредственное охлажде­ние маслом, а обмотка ротора — не­посредственное охлаждение водой. Раз­работана и изготовляется единая уни­фицированная серия турбогенераторов ТВВ с непосредственным водяным ох­лаждением обмоток статора и непосред­ственным водородным охлаждением ротора и сердечника статора. В крупных гидрогенераторах применяют непосред­ственное охлаждение обмоток статора и ротора воздухом и водой.

При непосредственном водородном охлаждении с целью повышения эффек­тивности охлаждения давление водорода доведено до 0,3 — 0,5 МПа. Для охлаж­дения ротора турбогенераторов в отече­ственной практике применяют аксиаль­ную и многоструйную радиальную си­стемы охлаждения (последняя выполне­на по принципу самовентиляции), а для охлаждения обмотки статора применяют только аксиальную систему. Охлаждение активной стали статора производят либо с использованием одноструйной (ра­диальной вытяжной), либо одновременно и аксиальной, и одноструйной систем охлаждения. Недостатком аксиальной системы вентиляции, при которой водо­род проходит или вдоль всей обмотки, или вдоль ее половины, является резкая неравномерность нагрева обмотки по длине, а также необходимость в высоко­напорном компрессоре, использование которого приводит к усложнению кон­струкции машины и увеличению расхода энергии на охлаждение, т. е. к снижению общего КПД машины.

На рис. 20.11 показана принципиаль­ная схема вентиляции турбогенератора серии ТВВ, имеющего многоструйное радиальное непосредственное охлажде­ние сердечника статора и обмотки ротора водородом и аксиальное непо-

средственное охлаждение обмотки ста­тора водой. Для осуществления много­струйного непосредственного охлажде­ния обмотки ротора в их пазовой части имеются выфрезерованные косые встречно направленные вентиляционные каналы (рис. 20.12). Холодный газ после газоохладителей поступает в радиальные каналы сердечника статора, охлаждая активную сталь статора, а затем, пройдя через зазор машины, по косым венти­ляционным каналам попадает в обмотку ротора и выходит обратно в зазор с противоположной стороны катушки. Захват водорода из зазора машины и выброс его в зазор осуществляется системой специальных отверстий (за-борников), просверленных в пазовых клиньях. Циркуляция газов в каналах ротора осуществляется за счет напора, создаваемого вращением ротора. Забор и выброс газа секционирован по длине. Зона впуска газа в ротор совпадает с зоной выхода газа из радиальных вентиляционных каналов статора, а зона выпуска газа в зазор — с зоной входа газа в каналы статора. В лобовых частях проводники обмотки ротора по­лые. Благодаря этому -внутри витков образуются аксиальные вентиляционные каналы, куда вентиляторами через про­странство под бандажом подается водо-

род. По торцам ротора расположены вентиляторы осевого типа с направляю­щими аппаратами, которые нагнетают нагретый газ в газоохладители, располо­женные либо горизонтально между сер­дечником и корпусом статора, либо вер­тикально по торцам машины.

По сравнению с аксиальной системой многоструйная система охлаждения создает большую равномерность нагрева и позволяет иметь короткие участки охлаждения, которые не зависят от общей длины ротора.

При непосредственном масляном ох­лаждении благодаря высоким изолирую­щим свойствам трансформаторного мас­ла возможно использование для обмотки статора более дешевой бумажной изоля­ции. Кроме того, хорошие изоляцион­ные свойства масла облегчают подвод и отвод его из обмотки. Однако мас­ляное охлаждение имеет и недостатки: движение масла вследствие его вязкости носит ламинарный характер, что снижает эффективность теплоотдачи с поверх­ности; для создания требуемой скорости движения масла необходимо большое давление, что сопряжено с дополни­тельными затратами энергии; масло

является горючей средой; по сравнению с водой оно обладает меньшей тепло-отводящей способностью.

Применение масла для охлаждения обмоток генератора наиболее целесооб­разно при номинальных напряжениях 35 кВ и выше.

При таких напряжениях можно отка­заться от повышающих трансформа­торов и подключать генераторы не­посредственно к шинам РУ повышенно­го напряжения, а также уменьшить токи и соответственно сечение обмотки статора.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает турбогене­раторы типа ТВМ, в которых сердечник статора вместе с обмоткой помещен в заполненный маслом стеклотекстолито-вый цилиндр, а ротор находится под небольшим вакуумом. Холодное масло из внешней системы поступает в камеру лобовых соединений, а затем попадает в аксиальные каналы сердечника и обмотки статора и охлаждает их. На­гретое масло выходит с противопо­ложного конца машины через камеру лобовых соединений и поступает в маслоохладители, откуда вновь насоса-

ми нагнетается в машину. Обмотка ротора имеет непосредственное охлаж­дение водой.

Непосредственное водяное охлажде­ние благодаря высокой теплоемкости и небольшой вязкости воды наиболее эф­фективно. Кроме того, вода негорюча. На электрических станциях для охлажде­ния генераторов обычно используют отработанный конденсат турбин либо дистиллированную воду, которые обла­дают достаточно высокими изолирую­щими свойствами.

В турбогенераторах с непосредст­венным охлаждением обмоток статора и ротора водой подвод охлаждающего конденсата к обмотке статора и его отвод осуществляют со стороны турби­ны в зоне головок лобовых частей с помощью фторопластовых шлангов, обладающих хорошей механической и электрической прочностью и необходи­мой эластичностью. Для непосредствен­ного охлаждения обмотки ротора кон­денсат поступает через центральное отверстие вала машины (со стороны контактных колец), а оттуда по ра­диальным трубкам направляется в лобо­вые части обмотки. Сердечник статора также охлаждается конденсатом.

Непосредственное охлаждение водой обмоток статора и ротора гидрогене­раторов также весьма целесообразно. С одной стороны, это позволяет умень­шить расход активных материалов, так как за счет больших габаритов гидро­генераторов удельный расход материа­лов на 1 кВ∙А их мощности в сред­нем в 5 раз выше, чем у турбогенера­торов. С другой стороны, это позволяет уменьшить диаметр и повысить предель­ную мощность гидроагрегата.