Гидрогенераторы

Создателем первого трехфазного синхронно­го гидрогенератора мощностью 220 кВт и часто­той вращения 150 об/мин в 1891 г. был М.О. Доливо-Добровольский. Генератор был изготовлен в Швейцарии и установлен на ГЭС в Лауфене; он имел горизонтальный вал и был сочленен с вер­тикальной гидротурбиной конической зубчатой передачей. В 1900г. фирма А5ЕА (Швеция) изготовила шесть гидрогенераторов вертикального исполнения мощностью 200 кВ • А каждый для ГЭС в г. Вестерос. В 1907 г. эта же фирма поста­вила в Норвегию самый крупный в мире в то вре­мя гидрогенератор мощностью 10 500 кВ • А.

В СССР первая крупная работа по гидрогенераторам связана с Волховской ГЭС. Четыре гидрогенератора для этой станции под руководством А.Б. Алексеева, Р.А. Лютера и А.С. Шварца по собственным чертежам изго­товлял завод «Электросила», параллельно шведская фирма АSЕА выполняла четыре аналогичные машины. Мощность каждого гене­ратора равнялась 8750 кВ • А, наружный диаметр 10 м, масса 250 т. Это были первые машины та­кого класса в Европе. Наши машины оказались лучше шведских по КПД, нагреву и массе.

Следующим этапом в развитии гидрогенераторостроения явился выпуск гидрогенераторов для Нижнесвирской и Верхнесвирской ГЭС.

Особое значение для производства гидроге­нераторов имел уникальный заказ для Днепров­ской ГЭС: пять машин выполнялись американ­ской фирмой «Дженерал электрик», а четыре — заводом «Электросила». Мощность каждой ма­шины 62 МВт. масса 825 т. Изготовление генера­торов было завершено в 1933 г. Под руко­водством технического директора завода А.Е. Алексеева был произведен разгон первого сварного ротора гидрогенератора до двойной частоты вращения в специально построенном на заводе разгонном устройстве с бетонной ямой. При восстановлении Днепрогэса после войны три генератора были заказаны фирме «Дженерал электрик», а шесть заводу «Электросила». Ис­пользование лучших материалов и технических решений позволило увеличить мощность генератора до 72 МВт.

В послевоенные годы интенсивное строи­тельство ГЭС проводилось в европейской части страны. Особое значение для страны имел каскад Волжских ГЭС. Разработка гидрогенераторов на заводе «Электросила» велась под руковод­ством А.С. Еремеева. В связи с интенсивным раз­витием гидроэнергетики началось производство машин на заводах «Уралэлектротяжмаш» (г. Свердловск, ныне Екатеринбург), «Сибэлектротяжмаш» (г. Новосибирск) и «Электротяжмаш» (г. Харьков). Здесь необходимо отметить большой творческий вклад главных конструкто­ров гидрогенераторов указанных заводов: К.Ф. Костина, В.П. Лошкарева («Уралэлектротяж­маш»), В.С. Кильдишева («Электротяжмаш»), А.С, Постникова и Е.Е. Фишкина («Сибэлектротяжмаш»).

Как известно, мощные гидрогенераторы име­ют низкие номинальные частоты вращения, и поэтому они превосходят вес другие машины по габаритам, массам вращающихся частей и вращающим моментам. Элементы и узлы машин выполняются на заводе, а сборка— на элек­тростанции. Генераторы обычно имеют верти­кальное исполнение. В зависимости от располо­жения подпятника они могут быть зонтичного и подвесного типов. Использование гидроресур­сов сибирских рек привело к созданию наиболее мощных ГЭС в мире. К таким относятся Брат­ская, Усть-Ишимская, Красноярская и Саяно-Шушенская ГЭС, на которых работают гидроге­нераторы мощностью соответственно 200, 500 и 640 МВт.

Обычно гидрогенераторы имеют воздушное охлаждение. Однако для машин большой мощно­сти с целью уменьшения их размеров и масс при­меняется водяное охлаждение обмотки статора и форсированное воздушное охлаждение обмот­ки ротора. Впервые в мире (1965 г.) водяное ох­лаждение обмотки статора было применено на гидрогенераторах мощностью 500 МВт и часто­той вращения 93,8 об/мин Красноярской ГЭС. В дальнейшем оно было использовано как в бо­лее мощных машинах (640 МВт, 142,8 об/мин, Саяно-Шушенская ГЭС), так и в менее мощных (300 МВт, 200 об/мин, Нурекская ГЭС).

Повышение плотности тока в обмотке стато­ра в связи с водяным охлаждением приводит к необходимости увеличения плотности тока и в обмотке ротора. Для этого требуется интен­сивное охлаждение последней, что достигается с помощью форсированного воздушного или во­дяного охлаждения. В системе форсированного воздушного охлаждения воздух омывает обе бо­ковые поверхности и проходит поперек провод­ников обмотки. Для этого между сердечником и катушкой делается круговой зазор, куда воз­дух идет из обода. Из этого зазора воздух посту­пает через поперечные каналы в межполюсное пространство. Это дает возможность теплового расширения сердечника а процессе эксплуата­ции. Более совершенный сердечник и новое крепление лобовых частей позволили добиться уникального результата: максимальная вибра­ция (двойная амплитуда) лобовых частей при но­минальном токе статора составила 40 мкм.

Экспериментальные исследования гидроге­нераторов Саяно-Шушенской ГЭС, проведен­ные Г.В. Карповым, показали, что максимальная длительная мощность генератора равна не рас­четной 711 МВ • А, а 820 МВ • А. Следует заме­тить, что крупнейшие в мире гидрогенераторы

Рис. 6.5, Макет гидрогенератора Санно-Шушенской ГЭС

ГЭС Итайпу (Бразилия, Парагвай) имеют мощ­ность 823,6 МВ • А. Эти машины созданы фирма­ми «Броун Бовери» и «Сименс». Таким образом, генераторы Саяно-Шушенской ГЭС относятся к самым мощным в мире гидрогенераторам (рис. 6.5).

Разработка и производство гидрогенерато­ров для сибирских рек потребовали очень боль­ших творческих усилий специалистов объедине­ния «Электросила», работавших под руковод­ством главного конструктора П.П. Иванова, главного инженера П.М. Ипатова, конструкто­ров А.А. Дукштау и Ю.А. Дегусарова, а также руководителя расчетов Г.Б. Пинского.

Для применения более интенсивного охлаж­дения ротора ПО «Уралэлектротяжмаш» на Нурекской ГЭС последний, девятый генератор сде­лан с полностью водяным охлаждением. Здесь решающее значение имели совместные разра­ботки машин главного конструктора В.II. Лошкарева, главных инженеров А.И. Казанцева и Ю.П. Глазкова.

В гидрогенераторах большой мощности (500 МВт и более) возникают очень большие электромагнитные силы. При обычных способах крепления частей появляются недопустимо вы­сокие вибрации и повреждения обмоток. Такая аварийная ситуация произошла в 1969 г. на Крас­ноярской ГЭС, когда от нагрузок до 300 МВт пе­решли к нагрузкам 400—500 МВт. Тогда еще не были ясны причины этой ситуации. На элек­тростанции были собраны крупнейшие специа­листы страны пол руководством министра элек­тротехнической промышленности А.К. Антоно­ва. Причины аварий были найдены и определены пути их устранения. Они заключались в разра­ботке новой системы крепления лобовых частей, улучшении системы водяного охлаждения и от­казе от однослойной обмотки. В объединении «Электросила» были проведены исследования генератора, который являлся фактически нату­ральной моделью, Па этой основе удалось найти технические и технологические решения, реали­зация которых на заводе и ГЭС позволила под­нять уровень надежности гидрогенераторов.

К числу новых решений для улучшения виб­рационных характеристик относится сборка сер­дечника статора на месте установки. Обычная конструкция статора из секторов создавала опре­деленные трудности, связанные с их стыками. Поэтому сборка в кольцо была использована на самых мощных машинах — генераторах Саяно-Шушенской ГЭС.

Подпятник в гидрогенераторе является наи­более ответственным узлом. На протяжении де­сятилетий совершенствовались теория и расчет подпятников. Тем не менее, этот узел очень тру­ден для наладки и эксплуатации. В нашей стране и за рубежом применяются сегменты подпятни­ка, состоящие из стальной основы и баббитового покрытия. Казалось, трудно было предложить что-то новое, более совершенное в этой хорошо освоенной области. И все-таки это оказалось воз­можным.

Крупным достижением отечественного гидрогенерагоростроения явилось применение сег­ментов подпятника, облицованных фторопла­стом вместо баббита, которые разработал и вне­дрил Ю.П. Байбородов. Сегмент такого типа, по­лучивший название эластичного металлопластмассового (ЭМП) сегмента, состоит из стального основания и антифрикционного элемента. Анти­фрикционный элемент, образованный из спрес­сованной бронзовой проволоки с нанесенным на нее покрытием из фторопласта Ф4 толщиной 1,5—2,5 мм, припаивается к стальному основа­нию оловянным припоем. ЭМП сегменты харак­теризуются высокими противозадирными свой­ствами, при этом обеспечивается пуск без по­дачи масла под давлением. Генератор с такими сегментами может работать при самых малых скоростях. Удельное давление в подпятнике по данным испытаний на Братской ГЭС может быть доведено до 10 МПа. В настоящее время все гид­рогенераторы страны выпускаются с такими подпятниками.

Следует обратить внимание еще на один этап в развитии гидрогенераторостроения. Для обес­печения необходимого уровня устойчивости ра­боты дальних электропередач (от Волги до Мо­сквы) потребовалось уменьшение индуктивных сопротивлений, Так как активный объем маши­ны обратно пропорционален корню квадратному из синхронного сопротивления обмотки якоря, то гидрогенераторы были сделаны с повышенными массами. В дальнейшем работы ВНИИэлектромаша (И.А. Глебов, В.Е. Каштелян, Н.С. Сирый) и других организаций показали, что проблема устойчивости решается с помощью быстродействующей системы возбуждения, имеющей повышенную кратность форсирования и автоматическое регулирование возбуждения (АРВ) сильного действия. Поэтому при сооруже­нии ГЭС на сибирских реках гидрогенераторы выполнялись не с уменьшенными, а с нормаль­ными параметрами, не требующими увеличения массогабаритных показателей.

Гидрогенераторы вертикального исполнения для гидроаккумулирующих электростанций ра­ботают как в генераторном, так и в двигательном режимах. В последнем случае возникает пробле­ма их пуска. Существует несколько способов. Один из них — использование преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Частота из­меняется от нулевой до промышленной. Такой преобразователь мощностью 10 МВт был выпол­нен во ВПИИэлектромаше (В.Н. Левин) и по­ставлен на Загорскую ГАЭС для пуска агрегатов 200 МВт.

Гидрогенераторы с горизонтальным валом применяются в быстроходных агрегатах с ков­шовыми турбинами на горных реках с больши­ми напорами, в капсульных агрегатах и для ма­лых ГЭС (МГЭС).

Я.Б. Данилевич (ВНИИэлектромаш) разрабо­тал, а тираспольский завод «Электромашина» изготовил два образца гидрогенераторов гори­зонтального типа для Эшкаконской МГЭС и вер­тикального типа для Курской МГЭС. Первый ге­нератор имел мощность 750 кВ • А, напряжение 6,3 кВ и коэффициент мощности 0,8, номиналь­ную частоту вращения 1000 об/мин и угонную 2000 об/мин. Ротор неявнополюсного исполне­ния, его сердечник собран из листовой электро­технической стали. На валу машины с одной стороны консольно насажено рабочее колесо радиальноосевой турбины, с другой — маховик для обеспечения устойчивой параллельной работы машины и для устранения гидроудара в трубо­проводе в связи с быстрым закрытием направ­ляющего аппарата турбины. Демпферная обмот­ка образована медными полосами под клиньями пазов, замкнутыми в зоне лобовых частей. Клинья обмотки статора — магнитные. Второй генератор характеризовался следующими пока­зателями: мощность 625 кВ • А, напряжение 6,3 кВ, коэффициент мощности 0,8, номиналь­ная частота вращения 428,6 об/мин, угонная 1070 об/мин. Генератор соединен с поворотно-лопастной турбиной. В полюсных наконечниках уложена замкнутая продольно-поперечная демп­ферная система.

К самым крупным зарубежным достижениям в области гидрогенераторостроения относится создание фирмой АВВ машин для гидроэлектро­станции Итайпу мощностью в единице 824 МВ • А, частотой вращения 90,9 об/мин, 60Гц.

К отдельному виду гидрогенераторов отно­сятся асинхронизированные машины. В сущно­сти, это машины двойного питания. Частота вра­щения ротора может быть меньше или больше синхронной в зависимости от направления вра­щения его собственного магнитного ноля. Пер­вый гидрогенератор такого типа мощностью 40 МВт и частотой вращения 136,4 об/мин был предложен в нашей стране М.М. Ботвинником и введен в эксплуатацию на Иовской ГЭС в 1962 г. Он отличается от обычного тем, что имеет неявнополюсный ротор с двумя симметричными рас­пределенными обмотками волнового типа, сме­щенными на 90°. В отличие от обычного генера­тора асинхронизированный может иметь несин­хронную частоту вращения, определяемую час­тотой двухфазного преобразователя и задавае­мую автоматическим регулятором. При корот­ких замыканиях машина переходит на работу с другим скольжением относительно синхронного магнитного поля. Наряду с преимуществами ре­жимного плана есть и недостатки: несколько большие размеры, стоимость, а также необходи­мость выемки ротора при ремонте.

Асинхронизированные машины другого типа — турбогенераторы мощностью 200 МВт были созданы на заводе «Электротяжмаш» (г. Харьков).

В последние годы выявилась возможность повышения КПД гидроагрегата за счет работы в зоне максимального КПД по универсальной характеристике при различных частотах враще­ния в зависимости от напора. Такая возможность особенно важна для низконапорных ГЭС при су­точном регулировании, а также для гидроаккумулирующих электростанций.

К числу оригинальных решений гидрогене­раторов относятся высоковольтные машины. Под руководством А.В. Иванова-Смоленского был разработан гидрогенератор мощностью 14,5 МВт, напряжением 121 кВ, изготовленный заводом «Уралэлектротяжмаш» и установлен­ный на Сходненской ГЭС, где он прошел испы­тания. Накопленный опыт позволил внести ряд конструктивных усовершенствований и разрабо­тать проект гидрогенератора мощностью 103,5 МВт, напряжением 165 кВ для

Днепровской ГЭС-2. К сожалению, этот интересный проект не получил реализации из-за неподготов­ленности производства, особенно высоко­вольтных обмоток.

Дата добавления: 2014-12-25