Электромеханическая система гидрогенератора большой мощности (Саяно-Шушенская ГЭС)

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО

Национальный Исследовательский Университет

Московский Энергетический Институт

Отчёт по практическим занятиям

по курсу «Электромеханические системы» по теме

«Электромеханическая система гидрогенератора большой мощности (Саяно-Шушенская ГЭС) »

Выполнил: Елисеев П.С.

Группа: ЭЛ-11-15

Преподаватель: Останин С.Ю.

Москва, 2018



Содержание

1. Введение

2. Функциональная схема гидрогенератора большой мощности

3. Принцип действия гидрогенератора в целом

4. Основные технические данные рассматриваемого гидрогенератора средней мощности

5. Описание элементов в составе гидрогенератора

6. Аналоги рассматриваемого гидрогенератора

7. Оценка устойчивости работы данного гидрогенератора

8. Достоинства и недостатки гидрогенератора средней мощности

9. Выбор частных показателей качества и их оценка

10. Определение весовых коэффициентов в частных показателях системы

11. Сравнение по обобщенному критерию рассматриваемого гидрогенератора с аналогичными

12. Заключение

Список литературы



1.Функциональные задачи, решаемые гидрогенераторами

Гидрогенератор - это электрогенератор, приводимый во вращение гидравлической турбиной.

Гидротурбина - турбина, преобразующая механическую (кинетическую и потенциальную) энергию воды, текущей под напором, в энергию вращающегося вала.

Гидроагрегат - совокупность гидрогенератора с гидротурбиной

Гидроэлектростанция (ГЭС) - электростанция, в качестве первичного источника энергии использующая энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.

Водохранилище необходимо для того, чтобы работа ГЭС не зависела от сезонных и погодных изменений речного стока .

Гидроагрегат

1 - гидротурбина, 2 - гидрогенератор

Гидротехнические сооружения обеспечивают необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

История.

Гидроэнергия использовалась с древних времён, для молки муки и других нужд. При этом приводом служил колёсный механизм, вращаемый потоком воды. В середине 1770-х годов французский инженер Бернар Форест де Bйlidor в опубликованной им работе Architecture Hydraulique, привёл описание гидромашин с вертикальной и горизонтальной осью вращения. К концу 19-го века появились электрические генераторы, которые могли работать в сочетании с гидроприводом. Растущий спрос на электроэнергию вследствие Промышленной революции дал толчок в их развитии. В 1878 году заработала «первая в мире ГЭС», разработанная английским изобретателем Уильямом Джорджем Армстронгом в Нортумберленде, Англия. Она представляла собой агрегат, предназначенный для питания одной единственной дуговой лампы в его картинной галерее. Старая электростанция № 1 Schoelkopf возле Ниагарского водопада в США начала производить электричество в 1881 году. Первая гидроэлектростанция Эдисона, Vulcan Street начала работать 30 сентября 1882 года, в г. Аплтон, штат Висконсин, США, и выдавала мощность около 12,5 киловатт. К 1886 году в США и Канаде было уже 45 гидроэлектростанций. К 1889 году только в США их было 200.

В начале 20-го века коммерческими компаниями строится много небольших ГЭС в горах недалеко от городских районов. К 1920 году до 40 % электроэнергии, производимой в Соединённых Штатах вырабатывалось на ГЭС. В 1925 году в Гренобле (Франция) состоялась Международная выставка гидроэнергетики и туризма, которую посетили более одного миллиона человек. Одной из вех в освоении гидроэнергетики как США, так и в мире в целом стало строительство в 1930-х Плотины Гувера.

Каждая крупная ГЭС содержит несколько гидроагрегатов, мощность которых суммируется при определении общей мощности электростанции.

Примеры:

- ГЭС "Три ущелья": 34 генератора;

- Волжская ГЭС: 23 генератора;

- ГЭС "Итайпу": 20 генераторов;

- Братская ГЭС: 18 генераторов;

- Саяно-Шушенская ГЭС: 10 гидрогенераторов.

Конструкция и параметры гидрогенераторов регламентируются ГОСТ 5616-89.

Область применения: гидравлические электростанции (ГЭС); гидроаккумулирующие станции (ГАЭС).

Назначение крупных ГЭС (и их гидрогенераторов): преобразование энергии потока воды в электрическую энергию и создание централизованной энергосистемы страны, т.е. обеспечение электроэнергией большой территории.

Наряду с ГЭС централизованная энергосистема создается также и другими типами электростанций.

Гидравлическая энергия относится к возобновляемым природным энергоресурсам.Под лучами солнца испаряется вода из озер, рек и морей. Образуются облака, идет дождь, и вода возвращается в водные бассейны. Географическая область умеренного климата, расположенная на высоте около 2500 м над уровнем моря, при количестве осадков порядка 1000 мм/год теоретически могла бы непрерывно давать более 750 кВт с каждого квадратного километра площади.

В мировом балансе энергетические ресурсы рек России составляют около 10% ресурсов мира (освоены на 32,8%) .

Помимо энергии рек можно использовать энергию приливов на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды.

Доля ГЭС в энергетике:

В мире:

- установленная суммарная мощность 1165 ГВт (2014г);

- вырабатывают 3861 ТВт*ч/год (2014г) ;

- производят 16,6% всей электроэнергии (2015г);

В странах:

- Китай: установленная мощность 314 ГВт (2014г) , вырабатывают 1041 ТВт•ч/год (2014г) (максимальные показатели в мире).

В России:

- установленная суммарная мощность ГЭС ЕЭС - 48,085 ГВт (1.01.2017);

- 20,3% от суммарной установленной мощности электростанций (1.01.2017) .

В Европе, Японии, США, Канаде экономический гидропотенциал уже задействован на 85-95%. В развивающихся странах его использование гораздо ниже: в Латинской Америке - 14%, в Юго-Восточной Азии - 12%, в Африке - 8%.

Тип электрической машины:

а) явнополюсный синхронный генератор;

(У турбогенераторанеявнополюсная конструкция).

Самый распространенный случай (применяется практически во всех гидрогенераторах крупных ГЭС) [1].

Это связано с тем, что гидрогенераторы работают при малых частотах вращения, не критичных по отношению к прочности ротора, и в этих условиях в силу своих качеств более предпочтительной является явнополюсная конструкция.

б) асинхронизированная машина (машина двойного питания).

Редко используемый вариант. Единственный пример в России: Иовская ГЭС (Мурманская обл.).

Введена в эксплуатацию в 1962 году. Мощность генератора 40 МВт, частота вращения 136,4 об/мин. Предложена М.М.Ботвинником.

В ходе проведения работ были применены новые методы строительства и монтажа, что ускорило процесс возведения станции. Долгие годы ГЭС была экспериментальной - она стала одной из первых в мире, оборудованных асинхронизированными синхронными генераторами с поворотной осью намагничивания.

Частота вращения n и число пар полюсов р:

Гидрогенераторы подразделяются по частоте вращения -- на тихоходные (до 100 об/мин) и быстроходные (свыше 100 об/мин) .

Выбор частоты вращения гидрогенератора nзависит от трех факторов:

- оптимальной частоты вращения гидротурбины n_т;

- наличия мультипликатора между гидротурбиной и генератором;

- требуемой частоты выходного напряжения:

f=pn/60

где p- число пар полюсов генератора.

Оптимальная частота вращения гидротурбины

Вода, в отличие от пара, не может вращать турбину с большой частотой вращения. Оптимальная частота вращения гидротурбины зависит от типа и мощности турбины, а также от напора, и может быть выражена следующей эмпирической формулой :

,

где k_б - коэффициент быстроходности, зависящий от типа турбины; Н - напор [м]; Р - мощность турбины [МВт].

Наличие мультипликатора

В агрегатах для микроГЭС (т.е. при малых мощностях) в ряде случаев между турбиной и генератором устанавливают мультипликатор (чаще используют общее название - редуктор).

Мультипликатор - механическая передача, повышающая частоту вращения и понижающая вращающий момент.

В этом случае

n=n_т*i,



где i- передаточное число мультипликатора.

В соответствии с даже при невысокой частоте вращения гидротурбины n_т можно обеспечить относительно большую частоту вращения генератора n, что позволяет снизить его массу и размеры.

Однако добавление в систему редуктора приводит к усложнению системы, повышению стоимости и снижению надежности. В агрегатах для крупных ГЭС их использование практически неосуществимо.

Поэтому частота вращения мощных гидрогенераторов равна частоте вращения гидротурбины n=n_т и невысока.

Требуемая частота выходного напряжения

С учетом заданной частоты выходного напряжения (в России - 50Гц) и выражения у гидрогенератора выбирается такое число пар полюсов р, чтобы получаемая частота вращения n=60f/p, была близка к значению, соответствующей оптимальной частоте вращения турбины.

Классификация по частоте вращения

По частоте вращения n гидрогенераторы разделяются на:

- тихоходные - до 100 об/мин (устанавливаются на равнинных реках, где напоры невелики);

- быстроходные - свыше 100 об/мин (устанавливают на горных реках).

Примеры:

- гидрогенераторы Саяно-Шушенской ГЭС: n=142,8 об/мин (р = 21);

Мощность гидрогенераторов:

По мощности гидрогенераторы крупных ГЭС разделяются на следующие классы [48]:

- малой мощности -- до 50 МВт;

- средней -- от 50 до 150 МВт;

- большой мощности -- свыше 150 МВт.

Самые мощные гидрогенераторы в России: гидрогенераторы Саяно-Шушенской ГЭС, сооруженной на реке Енисей: 640 МВт (711 МВА [6]).

В России 102 гидростанции мощностью свыше 100 МВт (2013) [4].

Выходная мощность гидрогенератора Р_вых.г зависит от выходной мощности гидротурбины Р_вых.т, являющейся входной мощностью для гидрогенератора

Р_вых.г = з_г*Р_вых.т,

где з_г- КПД гидрогенератора.

Выходная мощность гидротурбины Р_вых.т зависит от мощности водотока N, являющейся входной мощностью для гидротурбины

Р_вых.г = з_г*N,

где з_т- КПД гидротурбины.

2.Функциональная схема гидрогенератора средней мощности

Гидрогенераторы - это самые большие генераторы из всех существующих по массе, габаритным размерам и крутящему моменту. Причина этого: небольшая частота вращения гидрогенераторов при большой номинальной мощности, что с учетом формулы может быть реализовано при значительных размерах генератора^[7]:

Отличия в размерах гидрогенераторов от турбогенераторов сопоставимой мощности. Турбогенераторы имеют относительно небольшие диаметры ротора (1,3м - 1,8 м) и сравнительно большую длину (до 6 м).Гидрогенераторы при их малых частотах вращения могут иметь (и имеют) очень большие диаметры ротора - до 16 м (корпуса - до 20 м), и относительно небольшую длину - до 3,5 м.

Примеры^[3]:

Ш диаметр ротора гидрогенераторов Красноярской ГЭС: 16 м.

Ш диаметр ротора гидрогенераторов Братской ГЭС: 10 м.

Масса крупных гидрогенераторов превышает тысячу тонн:

Примеры^[3]:

Ш масса гидрогенератора на Саяно-Шушенской ГЭС: 1790 тонн.

Ш масса гидрогенератора на Красноярской ГЭС: 1640 тонн.

Ш масса гидрогенератора на Братской ГЭС: 1450 тонн.

Для генераторов, имеющих большие радиальные размеры или вращающихся с большой частотой вращения n, большое внимание следует уделять вопросам механической прочности ротора. Важным параметром здесь является окружная скорость - т.е. линейная скорость точек поверхности ротора

,

где D - диаметр ротора гидрогенератора

Окружная рабочая скорость гидрогенераторов Саяно-Шушенской ГЭС составляет 88,5 м/с, угонная окружная скорость - 174 м/с.

По конструкции гидрогенераторы можно разделить на^[1]:

а) горизонтальные (с горизонтальным расположением вала);

Среди них отдельно выделим капсульные гидрогенераторы для малых ГЭС (рис.1) .Такие генераторы заключаются в водонепроницаемую оболочку, или капсулу, которая с внешней стороны обтекается потоком воды, проходящим через турбину. Такая конструкция применяется для низконапорных гидростанций и позволяет отказаться от машинного зала и достичь большей компактности станции, что приводит к ее удешевлению. Капсульные гидрогенераторы изготавливаются на мощности до нескольких десятков мегаватт



Рисунок 1 - Капсульный гидрогенератор

1 - капсула; 2 - статор генератора; 3 - ротор генератора; 4 - направляющий аппарат турбины; 5 - ротор гидравлической турбины; 6 и 8 - подшипники; 7 - вал

б) вертикальные (с вертикальным расположением вала).

Крупные гидрогенераторы (тихоходные с большой мощностью) выполняются с вертикальным расположением вала (вертикальное исполнение).

Причины^[3]:

Ш при горизонтальном исполнении и больших размерах и массе сложно (практически невозможно) обеспечить необходимую жесткость статора, ротора и вала; решение этой задачи приводит к еще большему утяжелению гидрогенератора;

Ш при горизонтальном исполнении сложно обеспечить требуемую грузоподъёмность подшипников;

Ш вертикальные гидрогенераторы проще собирать, обслуживать и ремонтировать.

Для транспортировки по железной дороге статор и ротор крупных гидрогенераторов выполняются составными (состоящими из нескольких секторов). Это значительно усложняет конструкцию гидрогенератора. Полная сборка гидрогенератора производится непосредственно на гидроэлектростанции.

3.Принцип действия гидрогенератора в целом

Гидрогенератор обычно имеет общий вал с гидравлической турбиной. Гидрогенератор преобразует механическую энергию гидравлической турбины в электрическую энергию. На гидроэлектростанциях СССР, как правило, применяются трехфазные синхронные генераторы. Гидрогенератор состоит из ротора с полюсной системой и статора с равномерно распределенной стержневой обмоткой. При вращении ротора создаваемое полюсами магнитное поле пересекает стержни обмотки статора, в которой наводится электродвижущая сила. При включении гидрогенератора в электрическую сеть с потребителями энергии по обмотке статора будет протекать ток, создавая электрическую нагрузку генератора.

Гидрогенераторы с частотой вращения до 100 об/мин считаются обычно тихоходными, от 100 до 200 об/мин -- средней скорости, свыше 200 об/мин -- быстроходными.

Тихоходные и средней скорости генераторы выполняются почти всегда вертикальными, что определяется оптимальной компоновкой агрегата низконапорных и средненапорных ГЭС. Быстроходные генераторы высоконапорных установок выпускаются как вертикальными, так и горизонтальными.. Капсульные генераторы, размещаемые в капсуле, омываемой водой прямоосного проточного тракта гидротурбины,-- это машины с горизонтальным валом.

В СССР тип генератора характеризуется маркой, например: СВ "250" -- 48- Здесь СВ обозначает синхронный вертикальный; 1130 -- внешний диаметр активной стали статора в см; 250--(высота) длина активной стали статора в см; 48 = 2 р -- число полюсов.

При маркировке гидрогенераторов применяются также следующие обозначения^[1]:

В ГС -- вертикальный генератор, синхронный;

СВФ -- синхронный вертикальный с форсированной системой охлаждения;

СВО -- синхронный вертикальный обратимый;

СГК -- синхронный горизонтальный капсульный(рис 2.).

гидрогенератор мощность устойчивость показатель



Рисунок 2 - Горизонтальный гидрогенератор средней мощности.

Принцип работы гидрогенератора

Изменение напряжения. Обычно гидрогенераторы рассчитывают так, чтобы при изменении действующего значения напряжения на выводах обмотки статора в пределах + 5% номинального они развивали номинальную мощность при номинальном коэффициенте мощности. При 105% напряжения ток статора должен быть понижен до 95% номинального, а при 95% напряжения он может быть повышен до 105%. При снижении напряжения ниже 95% номинального увеличение тока свыше 105% обычно не допускается даже в том случае, когда температура обмотки статора остается в допустимых пределах. Это объясняется тем, что перепад температуры в изоляции от потерь в меди возрастает пропорционально квадрату тока, а чрезмерное увеличение перепада температуры приводит к значительным относительным перемещениям слоев изоляции, к необратимым деформациям в ней и в результате - к снижению срока службы изоляции. Гидрогенераторы допускают также продолжительную работу при повышении напряжения до 110%. Однако ввиду увеличения потерь в стали и вызываемых ими местных нагревов, а также роста тока и нагрева обмотки возбуждения сохранить при этом номинальную мощность не удается. Обычно при повышении напряжения свыше 105% номинального полная мощность снижается примерно на 2% с каждым процентом повышения напряжения. Работа при напряжении свыше 110% номинального не допускается.

Изменения температуры воды и воздуха. Работа гидрогенератора с температурой охлаждающего воздуха свыше 35 °С при замкнутом цикле вентиляции и свыше 40 °С при разомкнутом не предусматривается, за исключением режимов сушки. Воздухоохладители обеспечивают номинальную нагрузку гидрогенераторов и возбудителей при температуре поступающей в воздухоохладители и теплообменники воды не выше 28 °С. В отдельных случаях, при установке в районах с жарким тропическим климатом, гидрогенераторы рассчитывают для условий работы при более высокой температуре входящего охлаждающего воздуха, которая превышает температуру поступающей в воздухоохладители воды обычно на 7 - 10 °С. В зимнее время снижение температуры охлаждающей воды позволяет уменьшить температуру воздуха, что в свою очередь дает возможность в известных пределах повысить мощность гидрогенератора, сохранив температуру его обмотки статора неизменной.

Однако увеличение мощности ограничивается и в этом случае перепадом температуры в изоляции. Работа гидрогенератора при температуре охлаждающего воздуха ниже +15 °С не рекомендуется, а ниже + 10 °С не допускается, так как при этом возможно нарушение изоляции обмотки статора. В зимнее время не следует также переохлаждать воздухоохладители во избежание конденсации на них влаги (отпотевания). Обычно осуществляется сезонное регулирование расхода охлаждающей воды через воздухоохладители.

Изменения частоты. При изменении частоты в пределах + 2,5% номинальной (48,75 - 51,25 Гц) гидрогенератор сохраняет номинальную мощность. Однако при уменьшении частоты относительно номинальной повышение напряжения гидрогенератора сверх номинального не допускается. Это обусловлено тем, что при снижении частоты для поддержания постоянного напряжения приходится увеличивать магнитный поток, а также ток ротора. При одновременном повышении напряжения местные нагревы сердечника и обмотки статора, а также температура обмотки ротора могут превысить допустимые пределы. В отдельных случаях могут иметь место также ограничения при работе гидрогенератора с повышенной против номинальной частотой и с большим напряжением. При повышении частоты увеличиваются добавочные потери в меди обмотки статора и на поверхности полюсных наконечников, а потери в сердечнике статора изменяются незначительно. В результате нагрев обмотки статора не выходит из допустимых пределов. При повышении напряжения из-за роста потерь в стали статора в напряженных в тепловом отношении гидрогенераторах может иметь место возрастание температуры обмотки статора выше допустимой. По этой причине для отдельных типов гидрогенераторов не допускается работа при повышенной частоте и увеличенном напряжении по сравнению с номинальным^[6].

Допустимые перегрузки по току статора и ротора. Условия нагрева обмоток при кратковременных перегрузках близки к условиям адиабатического процесса, так как количество тепла, успевающего за короткий промежуток времени рассеяться во внешнюю среду, незначительно. Во избежание нарушений изоляции, вызванных тепловыми деформациями при удлинении обмотки из-за ее нагрева, обычно ограничивают кратковременное повышение температуры обмотки 15 °С. Обмотки с непосредственным водяным охлаждением обладают большей перегрузочной способностью по сравнению с обмотками с косвенным воздушным охлаждением при малых кратностях перегрузок, но из-за высокой номинальной плотности тока допускают меньшую длительность перегрузок большой кратности.

Принцип действия ГЭС. Основные сооружения и оборудование гидроэлектростанций^[1]

Гидроэлектростанции являются составной частью гидроузла - комплекса гидротехнических сооружений, предназначенных для использования водных ресурсов в интересах народного хозяйства: получения электрической энергии, ирригации, водоснабжения, улучшения условий судоходства, защиты от наводнений, рыбоводства и др.

Мощность гидравлического потока зависит от расхода и напора. Скорость потока воды в реке изменяется по ее длине с изменением сечения русла и гидравлического уклона. Для концентрации мощности и сосредоточения напора реки в каком-либо одном месте возводят гидротехнические сооружения: плотину, деривационный канал.

Плотина, перегородив реку, образует водохранилище, достигающее иногда таких больших размеров, что его называют морем. Таковы, например, Волгоградское, Цимлянское море, простирающиеся более чем на 100 км. Поверхность воды перед плотиной называется верхним бьефом, а за плотиной - нижним бьефом.

Водосбросные сооружения перепускают воду из верхнего бьефа в нижний во избежание превышения максимального расчетного уровня воды в период паводка, сбрасывает лед, шугу и т.п.

Если река судоходна, то к плотине примыкают шлюзы (судоподъемники) с подходными каналами для пропуска судов и плотов через гидроузел, перевалки грузов и пересадки пассажиров с водного на сухопутный транспорт и пр.

Для обеспечения отбора и подачи воды неэнергетическим потребителям в состав гидроузла входят водоприемные сооружения и насосные станции.

Рыбохозяйственные сооружения - это рыбоходы и рыбоподъемники для пропуска через гидроузел ценных пород рыб к местам постоянных нерестилищ, рыбозащитные сооружения и сооружения для искусственного рыборазведения. Иногда рыбу пропускают через шлюзы в процессе шлюзования судов.

Для связи объектов гидроузла между собой, соединения их с сетью государственных автомобильных и железных дорог, а также для пропуска этих дорог через сооружения гидроузла строят транспортные сооружения: мосты, дороги и др.

Для выработки электроэнергии и ее распределения потребителям в состав гидроузла входят различные энергетические сооружения. К ним относятся: водоприемные устройства и водоводы, подводящие воду из верхнего бьефа к турбинам и отводящие воду в нижний бьеф; здание гидроэлектростанций с гидротурбинами, гидрогенераторами и трансформаторами; вспомогательное механическое и подъемно - транспортное оборудование; пульт управления; открытые распределительные устройства, предназначенные для приема и распределения энергии.

Принцип действия ГЭС заключается в следующем: плотина образует водохранилище, обеспечивая постоянный напор воды. Вода входит в водоприемник и, пройдя по напорному водоводу, вращает гидротурбину, которая приводит в действие гидрогенератор. Выходное напряжение гидрогенераторов повышается трансформаторами для передачи на распределительные подстанции и затем потребителям.

Напор создаётся концентрацией падения реки на используемом участке плотиной, либо деривацией, либо плотиной и деривацией совместно. Деривацией в гидротехнике называют совокупность сооружений, осуществляющих отвод воды из реки, водохранилища или другого водоёма, транспортировку её к станционному узлу ГЭС, насосной станции, а также отвод воды от них. Различают деривацию безнапорную и напорную. Напорная деривация - трубопровод, напорный туннель, применяется, когда колебания уровня воды в месте её забора или отвода значительны. При малых колебаниях уровня может применяться как напорная, так и безнапорная деривация. Тип деривации выбирается с учётом природных условий района на основании технико-экономического расчёта. Протяжённость современных деривационных водоводов достигает нескольких десятков километров, пропускная способность более 2000 м³/сек. Основное энергетическое оборудование размещается в здании ГЭС: в машинном зале электростанции - гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля; в центральном посту управления пульт оператора-диспетчера или автооператор гидроэлектростанции. Повышающая трансформаторная подстанция размещается как внутри здания ГЭС, так и в отдельных зданиях или на открытых площадках. Распределительные устройства зачастую располагаются на открытой площадке. Здание может быть разделено на секции с одним или несколькими агрегатами и вспомогательным оборудованием, отделённые от смежных частей здания. При здании ГЭС или внутри него создаётся монтажная площадка для сборки и ремонта различного оборудования и для вспомогательных операций по обслуживанию.

4. Основные технические данные гидрогенератора большой мощности

Основные электрические параметры гидрогенераторов^[1]:

Ш S -- полная мощность, кВ A, MB-A;

Ш Nrs активная мощность, кВт, МВт;

Ш Q -- реактивная мощность, квар, Мвар

(здесь вар -- единица измерения реактивной мощности);

Ш cos ср -- коэффициент мощности;

Ш U -- напряжение, В, кВ.

В СССР напряжения генераторов стандартизированы, они на 5 % выше номинальных напряжений электрических сетей. По шкале ГОСТ они равны 3,15; 6,3; 10,5 и 21 кВ. Для генераторов мощностью 50 МВт и выше для блочных схем дополнительно допускаются напряжения 13,8; 15,75; 18 и 20 кВ. Для сверхмощных машин могут быть и более высокие напряжения; ц -- КПД, равный 95--98,5 %; п -- частота вращения, об/мин.

Полная мощность в кВ А определяется по мощности гидротурбины N_т в кВт: и связана с силой тока и напряжением формулой мощности трехфазной цепи:

И связанна с силой тока и напряжением формулой мощности трехфазной цепи:

Полная, активная и реактивная мощности связанны между собой соотношениями:

Обычно значение cos равно 0,8. С целью уменьшения габаритов и массы для крупных машин cos принимается равным 0,85 и даже 0,9--0,95. У зарубежных гидрогенераторов cos доходит до 0,97. Для капсульных машин cos ср = 0,98--1. Активная мощность Мен при расчетном cos считается номинальной мощностью гидроагрегата Na = NrsH = = А/тгген- При числе агрегатов, r установленная мощность ГЭС Nr = zN

Механические параметры^[1].

Маховый момент, характеризующий инерцию вращающихся масс -- mDl, где т -- масса вращающихся частей агрегата, диаметр инерции массы ротора относительно оси вращения, м. Маховыми моментами вала и рабочего колеса турбины, ввиду их малости, часто пренебрегают.

,

,

Где S - в кВ*А; n - в об/мин; Т - постоянная инерции генератора, с; D_i - диаметр расточки статора, м; l_i - высота активной стали статора, м; коэффициент при , когда обод ротора насажен на вал, , при , когда ротор обода насажен на остов ( р - число пар полюсов).

Маховый момент гидрогенератора может быть определен по электрическим параметрам генератора по формуле:

Приближенно принимают диаметр инерции Dm равным диаметру расточки статора.

Постоянная инерции генератора^[1]:

,

Здесь в T*м²; n в об/мин; S в кВ*А; постоянная инерции должна иметь следующие значения: при S от 1 до 10 МВ*А - не менее 3-5 с; при S более 10 МВ*А - не менее 5-8 с.

Постоянная инерции генератора равна времени, в течение которого ротор разворачивается от состояния покоя до номинальной частоты вращения, в результате воздействия приложенного со стороны сети электрического момента вращения, соответствующего активной мощности, численно равной полной мощности генератора S в кВ-А.

,

Где - сверхпереходное индуктивное сопротивление генератора (в начальный момент короткого замыкания), в относительных единицах, обычно равное 0,15 - 0,27.

Постоянную инерции также можно представить как время, остановки агрегата после мгновенного прекращения подачи воды на рабочее колесо турбины, при подключенной электрической мощности потребителя, равной номинальной мощности генератора А_ген в кВт при cos = 1. При этом NreH = S.

Гидрогенераторы выполняются преимущественно с вертикальным валом. Вертикальные гидрогенераторы бывают подвесного типа -- с подпятником (пятой) над генератором -- или зонтичного типа -- с пятой под генератором. У зонтичных гидрогенераторов подпятник опирается или на крестовину под генератором, или на крышку турбины (рис.3).

Подпятник -- очень ответственный элемент гидрогенератора, через подпятник передается усилие от веса вращающихся частей агрегата (ротора генератора, вала, рабочего колеса гидротурбины) и реакции воды проточной части на строительные конструкции агрегатного блока здания ГЭС.

Нагрузка на подпятник генератора Братской ГЭС 16 МН (16Штс)~; Красноярской ГЭС 26 МН (2600 тс); Саяно-Шушенской ГЭС 32 МН (3200 тс).



Рисунок 3 - Схемы вертикальных синхронных генераторов.

Гидротурбина, гидрогенератор Саяно-Шушенской ГЭС

Гидротурбина типа РО 230/833-677, созданная ПО "ЛМЗ", является крупнейшей в мире для напора выше 200 м. При расчетном напоре 194 м мощность турбины равна 650 МВт. При более высоких напорах (212-220 м) ее мощность достигает 735 МВт. Частота вращения агрегата (номинальная) - 142,8 об/мин. Общая масса комплекта гидротурбинного оборудования равна 1 440 т, удельная - 1,9 кг/кВт, КПД турбины в оптимальной зоне составляет около 96%.

Рабочее колесо выполнено из нержавеющей стали неразъемным, что повышает надежность эксплуатации турбины. Первые две гидротурбины были снабжены сменными рабочими колесами типа РО 140/820а-605, которые устанавливались в проточную часть постоянных турбин и работали со штатными гидрогенераторами при пониженном напоре 60 м в условиях частичной готовности турбины.

Гидрогенератор изготовлен ПЭО "Электросила". Гидрогенератор типа СВФ 1285/275-42У4 мощностью 711/640 МВА/МВт рассчитан на максимальную эпизодическую мощность 736 МВА.

Статор имеет бесстыковую конструкцию средечника, и его сборка производилась непосредственно на своем фундаменте, что обеспечивает существенное повышение надежности и длительности эксплуатации гидрогенератора.

Гидрогенераторы в схеме объединены, по два, в укрупненные блоки и присоединены к группам однофазных трансформаторов на напряжение 15,75/500 кВ мощностью 533 МВ А в фазе. Гидрогенераторы подключены к трансформаторам посредством выключателей нагрузки, встроенных в единый аппаратный генераторный комплекс - КАГ-15,75.

Укрупненные блоки двумя воздушными переходами присоединены к сборным шинам ОРУ-500 кВ. Один переход для первых трех блоков (ГА1-ГА6) осуществлен трехцепными трубчатыми опорами высотой от 60 до 96 м. Мощность от блоков 4 и 5 выдается через правый берег с последующим двухцепным переходом на ОРУ через Енисей.



5.Описание элементов в составе гидрогенератора^[3]

В- вода; РК-рабочее колесо; ГТ- гидротурбина; ГН-генератор

Генераторы с вертикальным валом подразделяются на два основных типа - подвесные и зонтичные, отличающиеся друг от друга расположением подпятника относительно ротора. При частотах вращения до 200 об/мин гидрогенераторы выполняются преимущественно в зонтичном исполнении, свыше 200 об/мин - в подвесном. При частотах вращения свыше 250 об/мин вертикальные гидрогенераторы выполняются исключительно в подвесном исполнении. Отмеченные границы различных исполнении гидрогенераторов не являются строгими.

В генераторах подвесного типа подпятник расположен выше ротора, на верхней крестовине, через которую вертикальная нагрузка от вращающихся частей агрегата и осевой составляющей реакции воды передается на корпус статора и затем на фундамент.

Обычно в генераторе устанавливаются два направляющих подшипника, из которых нижний встроен в нижнюю крестовину, а верхний - в верхнюю грузонесущую крестовину. Если расстояние между верхним подшипником генератора и подшипником турбины относительно невелико и жесткость вала достаточна, нижний генераторный подшипник может не устанавливаться.

В генераторах зонтичного типа подпятник расположен под ротором. При этом различаются две основные модификации : с опорой подпятника на крышку турбины или с нижней опорной крестовиной. В настоящее время в мощных агрегатах, как правило, применяется первая из этих модификаций.

В генераторах с опорой подпятника на крышку турбины устанавливается один направляющий подшипник выше ротора в верхней крестовине. Известен тип генератора с опорой подпятника на крышку турбины и одним направляющим подшипником ниже ротора, но эта компоновка генератора в отечественной практике не используется.

Широкое распространение получила безвальная конструкция гидрогенераторов в зонтичном исполнении. В зонтичных генераторах с опорными крестовинами основной генераторный подшипник расположен в опорной крестовине. Необходимость установки второго направляющего подшипника в верхней крестовине возникает в тех случаях, когда выше ротора размещены значительно удаленные от подшипника возбудитель, подвозбудитель, вспомогательный генератор или разгонный двигатель (в обратимых гидрогенераторах).

Число направляющих подшипников определяется допустимыми прогибами вала при появлении магнитного небаланса и критической частотой вращения, которая должна быть не менее чем на 10-20% выше угонной частоты вращения.

Современное направление в области проектирования гидрогенераторов характеризуется стремлением расширить области применения зонтичного исполнения гидрогенераторов. Зонтичное исполнение имеет ряд важных преимуществ: возможность выполнения подпятников на максимальные, практически требуемые нагрузки, превышающие 3500 т при наиболее простых и экономических конструктивных формах опорных элементов; наиболее простую по конструкции и наименее металлоемкую верхнюю крестовину; возможность применения конструкции ротора без основного генераторного вала, что обусловливает снижение высоты подъема станционного крана и, таким образом, дает возможность снизить высоту машинного вала; меньшие высоту и массу генератора, а следовательно, меньшую его стоимость; меньшие капитальные вложения на строительство станции.

При малом диаметре турбины зонтичное исполнение может оказаться невозможным из-за того, что в шахте турбины не удается разместить подпятник. К тому же подпятник зонтичного агрегата, как правило, больше, чем подвесного, так как его внутренний диаметр должен быть больше фланца вала, проносимого через него при сборке и разборке агрегата. При размещении подпятника в шахте турбины или над ней его большие размеры затрудняют циркуляцию воздуха через генератор и обслуживание агрегата.

Подвесной тип генератора применяется тогда, когда зонтичный невыполним, невыгоден или обладает значительно худшими эксплуатационными характеристиками. Подвесной тип выполним практически всегда, но при очень больших диаметрах генератора размещение подпятника выше ротора на верхней опорной крестовине ведет к значительному утяжелению и удорожанию генератора.

К важным эксплуатационным преимуществам генераторов подвесного исполнения следует отнести меньшие потери на трение в подпятнике благодаря более низкой окружающей скорости на нем, возможность обслуживания подпятника с помощью крана машинного зала и более надежную, чем в зонтичных машинах, защиту обмоток от масляных паров, поступающих из ванны подпятника.

Корпус статора гидрогенератора представляет собой кольцевую или многогранную сварную конструкцию, состоящую из внешней обшивки, горизонтальных палок и ребер жесткости. С внутренней стороны к полкам корпуса приварены полосы с «ласточкиными хвостами», на которых собирают сегменты активной стали сердечника статора. В осевом направлении сердечник стягивают с помощью нажимных гребенок шпильками. Гребенки состоят из толстых плит и приваренных к ним нажимных пальцев. Последние в мощных генераторах для снижения нагрева выполняются из немагнитной стали.

Для транспортировке по железной дороге статор, если внешний диаметр его корпуса превышает 4 м, выполняется из разъемных секторов, соединенных между собой с помощью стяжных шпилек и стыковых плит. Известна конструкция статора при которой секторы соединяются между собой накладками, привариваемыми к горизонтальным полкам корпуса. Разъемы выполняют преимущественно по пазам сердечника. При ширине зубца 50 мм и более разъемы могут быть выполнены по зубцам сердечника. В последние годы сердечники статоров гидрогенераторов большого диаметра шихтуются в кольцо непосредственно на месте установки, чем исключают стыки секторов - наиболее уязвимые при эксплуатации зоны. Кроме того, в ряде случаев применяется конструкция статоров с созданием предварительного напряжения сердечника, чем исключается возможность появления в нем при работе опасных сжимающих напряжений от тепловых деформаций и магнитных тяжений - главной причины нарушения формы пакетов сердечника и его распрессовки.

Корпус опирается на фундамент через опорные плиты с фундаментными болтами.

Сердечник статора соединяется из сегментов с пазами для обмотки и для «ласточкиных хвостов». Сегменты штампуются из листов высоколегированной электротехнической стали толщиной 0,5 или 0,35 мм, лакируются и набираются вперекрой пакетам с промежутками шириной 7 - 10 мм. Расстояние между пакетами обеспечивается дистанционными распорками в виде двутавровых балочек, приваренных к крайнему листу одного из соседних пакетов. Крайние пакеты сердечников крупных генераторов для придания им большей монолитности выполняются запеченными.

Обмотка статора применяется двух основных типов: многовитковая катушечная и стержневая. Катушечная, как правило, бывает двухслойной, стержневая может быть так же однослойной или в отдельных случаях может иметь дробное число слоев. Катушечную обмотку выполняют в виде одинаковых катушек, намотанных из прямоугольных медных изолированных проводников. Для уменьшения добавочных потерь выводные концы катушек транспортируют на 180⁰ скручиванием их в одном месте. Аналогично транспонируют соединения между катушечными группами одной фазы, расположенными под разными полюсами. Стержневая обмотка состоит из стержней, полностью транспонированных на длине пазовой части. В отличие от катушечных стержневые обмотки выполняют, как правило, волновыми. В отдельных случаях, особенно при числе полюсов 2р, могут с успехом применяться и стержневые петлевые обмотки.

Обмотки генераторов с непосредственным охлаждением водой изготавливаются с применением полых проводников. На концах стержней устанавливают наконечники для подвода воды внутрь стержней и для создания электрического контакта между ними. Соединение групп стержней с напорным и сливным коллекторами осуществляют с помощью изоляционных шлангов.

Обмотка в пазовой части крепится клиньями, в лобовой части, с помощью вязки стержней шнуром между собой к бандажным кольцам, выполненным из немагнитной стали.

Ротор генератора выполняет так же функции вентилятора, создающего необходимый напор для вентиляции, и маховика, обеспечивающего устойчивость работы агрегата. Различия основных конструктивных типов роторов определяется условиями прочности и транспортировки. При небольших диаметрах ротора применяются конструкции, в которых обод и остов составляют одно целое и состоят из дисков, насаженных непосредственно на вал.

При диаметре ротора около 6 м остов выполняется в виде сварного неразъемного барабана, насаженного на вал, а обод, шихтованным из штампованных сегментов, собранных на шпильках в кольцо. При диаметре ротора около 7 м остов представляет собой сварной барабан, состоящий по условиям транспортировки из двух частей, собираемых в центральной втулке. Для роторов с диаметром более 8 метров применяется остов, состоящий из отдельных спиц, соединяемых центральной втулкой. Модификация такой конструкции находит использование и при меньших диаметров роторов, при этом некоторые спицы делаются отъемными, обычно две или четыре, расположенные диаметрально, что при диаметре ротора меньше 8 м дает возможность транспортировать остов по железной дороге. Соединение спиц с центральной частью ротора производится с помощью либо стыковых плит и стяжных шпилек, либо двух дисков и призонных конических шпилек.

Обод ротора в крупных генераторах, как правило, шихтованный, он собирается вперекрой из отдельных сегментов, отштампованных из стали толщиной 3 - 4 мм. Сегменты охватывают обычно четыре полюсных деления, в них выштамповываются отверстия для стяжных шпилек, пазы для хвостов полюсов и пазы для клиновых шпонок, которые забиваются между ободом ротора и торцевыми брусьями спиц. В торцевых брусьях посадка обода на роторную звезду и его расклиновка производится с подогревом, создающим необходимый натяг.

По высоте обод ротора подразделяется на отдельные пакеты, между которыми имеются каналы для прохода охлаждающего воздуха.

На торцах обода устанавливают вентиляторы - центробежные или ковшовые, а в быстроходных машинах осевые. Во многих современных гидрогенераторах вентиляторы отсутствуют, их роль выполняют торцевые части полюсов.

Полюсы ротора изготавливают обычно шихтованными, из стали толщиной 1-2 мм. Сердечники стягивают с помощью стальных кованых или литых щек и стяжных шпилек. К ободу ротора полюсы крепят одним или несколькими Т-образными хвостами, которые отштамповывают вместе с сердечниками полюсов. В отдельных случаях применяют массивные полюсы.

Сердечник полюса изолируют твердо-прессованной гильзой из стеклотакни и асбестовой бумаги. Башмак, полюсы и козырьки щек, а так же обод ротора изолируют от катушек полюсов изоляционными шайбами изготовляемыми из стекло-текстолита.

Витки катушки возбуждения выполняют из неизолированной меди прямоугольного профиля. Для изготовления витков обмотки возбуждения служат прокладки из асбестовой бумаги, наклеиваемые с обеих сторон на поверхности меди. Для того чтобы катушка возбуждения плотно прижималась к башмаку полюса, в специальных пазах обода ротора размещены пружины, сжимающие катушку.

Катушки отдельных полюсов соединяют друг с другом последовательно гибкими перемычками из пакетов тонколистовой фосфористой бронзы толщиной около 0,2 мм, что обеспечивает прочность и эластичность соединений. В последнее время широко применяется соединение катушек полюсов с помощью массивных медных шин, располагаемых и закрепляемых на ободе ротора.

Демпферная обмотка размещается в башмаках полюсов и состоит обычно из круглых медных стержней, концы которых впаяны в медные шины-сегменты. Сегменты разных полюсов соединяют между собой с помощью компенсаторов из медной фольги. В генераторах с повышенными центробежными силами межполюсные соединения прикрепляют специальными оттяжками к ободу ротора.

Вал генератора выполняют стальным, кованым или сварно-кованым с внутренним отверстием, которое используется для впуска воздуха под рабочее колесо радиально-осевой турбины. Нижний конец вала генератора жестко соединен с валом турбины с помощью фланцевого соединения. Вал генератора опирается при помощи опорной втулки на диск подпятника. Иногда вместе с валом отковывают колоколообразные шайки для направляющих подшипников.

В зонтичных генераторах верхнюю часть вала, на который установлены контактные кольца и регуляторный генератор, часто изготавливают надставной. Часто встречаются безвальные конструкции генераторов, в которых вал турбины присоединяют непосредственно к центральной части ротора, а сверху к ней крепят надставку вала.

Токопровод к обмотке возбуждения от контактных колец осуществляют изолированными зажимами. Если верхний направляющий подшипник расположен ниже контактных колец, токопровод проходит под втулкой подшипника в пазу вала и закрепляется в нем клиньями.

Верхняя и нижняя крестовины предназначены для восприятия и передачи на фундамент усилий, действующих в аксиальном и радиальном направлении. Крестовины, поддерживающие вращающиеся части агрегата называются опорами. Опорные крестовины бывают двух типов: лучевого и мостового исполнения. При относительно небольших нагрузках и пролетах до 6,5 м применяют крестовины мостового типа с четырьмя лапами. При больших нагрузках требуются увеличение числа лап, что приводит к лучевому типу опорной крестовины.

Мостовая крестовина по исполнению проще лучевой, так как по условиям транспортировки ее не приходится делать разъемной. Однако при больших пролетах мостовые крестовины не применяют из-за их недостаточной жесткости в поперечном направлении.

Лучевая крестовина состоит из центральной части, представляющей собой цельносварной барабан, и отъемных лап в виде балок двутаврового сечения, присоединяемых к центральной части обычно с помощью стыковых плит и проходных шпилек. Если подпятник расположен на крестовине, то под ним в центральной части помещается массивное поддерживающее кольцо, обеспечивающее равномерную жесткость под всеми опорами сегментов подпятника. В тех случаях, когда высотный габарит агрегата ограничен, подпятник встраивается в центральную часть, конструкция которой подобна конструкции центральной части мостовой крестовины.

К негрузонесущим крестовинам относятся нижние в генераторах подвесного исполнения и верхние в зонтичных генераторах. Первые из них служат опорой для нижнего направляющего подшипника, а также во многих случаях для тормозов. Нижняя крестовина с направляющим подшипником должна иметь достаточную радиальную жесткость для передачи нагрузки от подшипника на фундамент. Поэтому нижние крестовины генераторов подвесного типа, как правило, выполняются лучевыми. При необходимости лапы крестовины делаются отъемными, при этом учитываются условия ее транспортировки и возможность выема крестовины через статор.

Конструкция верхней крестовины зонтичного генератора подобна конструкции опорной крестовины генератора подвесного типа с вынесенным подпятником. Если верхний направляющий подшипник отсутствует, центральная часть крестовины лучевого типа выполняется в виде двух дисков, связывающих лапы.

Торможение осуществляется установленными на нижней крестовине или фундаменте пневматическими тормозами поршневого типа с резиновыми манжетами и с колодками из фрикционного и нагрево-стойкого материала, например типа ретинакс. При торможении колодки упираются в тормозные сегменты, укрепленные на ободе или остове ротора. Для торможения применяется сжатый воздух при давлении 0,7-0,8 МПа.

Тормоза служат также домкратами для подъема ротора на высоту до 20 мм. Поскольку в этом случае требуются большие усилия, при подъеме в тормоза подается масло под давлением от специального переносного насоса. Давление на поверхности поршней тормозов-домкратов при этом не должно быть более 12 МПа.

Подпятник является одной из наиболее ответственных частей генератора, требующих особого внимания при эксплуатации. Подпятник воспринимает вес вращающихся частей агрегата и осевую составляющую реакции воды и передает их на фундамент. В современных генераторах применяют подпятники, состоящие из вращающегося диска-пяты и неподвижных сегментов - собственно подпятника.

Диск представляет собой кольцо, связанное с валом посредством втулки. В подвесных генераторах это отдельная втулка, в зонтичных - втулка ротора. Поверхность трения кольца, так называемое зеркало, полируется для получения чистоты, соответствующей восьмому классу, а отклонение от плоскостности и параллельности поверхностей диска не превышают 0,03 мм. Материалом для диска служат поковки из стали 45. Для защиты от подшипниковых токов диск подпятника, а также штифты и болты, с помощью которых он крепится к втулке, изолируют.

Поверхность стальных сегментов покрыта слоем баббита марки Б-83. В отдельных случаях баббит наносят на предварительно омедненную поверхность сегмента, что обеспечивает лучшее сцепление баббита с телом сегмента и более интенсивную передачу тепла с поверхности трения. Наряду с баббитом для облицовки сегментов подпятника в отечественной практике нашла широкое распространение облицовка сегментов подпятника фторопластом. Сегменты такого типа, получившие название ЭМП сегмента состоят из стального основания и антифрикционного элемента. Антифрикционный элемент образуется из спрессованной бронзовой проволоки с нанесенным на нее покрытием из фторопласта Ф-4 толщиной 1,5-2,5 мм. Антифрикционный элемент припаивают к стальному основанию оловянистым припоем.

Для уменьшения тепловых деформаций применяются сегменты, разделенные по толщине на два слоя с большим термическим сопротивлением стыка. Относительно тонкий верхний рабочий сегмент покоится на нижнем массивном, температура которого сравнительно мало отличается от температуры окружающей среды и достаточно равномерна по всей толщине.

При большом удельном выделении тепла на поверхности трения, т.е. при больших нагрузках и окружных скоростях, используются непосредственное охлаждение водой, циркулирующей по медному змеевику в теле сегмента. Сегмент в этом случае выполняется литым из латуни, имеющей температуру плавления ниже, чем медь.

Положение сегментов ограничено упорами на корпусе подпятника. Сегмент лежит на тарелкообразной эластичной опоре, компенсирующей в известной мере возможную неравномерность нагрузки между отдельными сегментами и биение диска при вращении, и опирается на сферическую поверхность опорного болта, ввернутого в приваренную к основанию подпятника гайку. Тем самым достигается принцип самоустанавливания сегментов в положение, наивыгоднейшее для образования масляной пленки между поверхностями трения. Верхнюю часть болта изготавливают в виде отдельного вкладыша из высокопрочной стали. Регулировкой опорных болтов достигается равномерное распределение нагрузки между сегментами. Для облегчения образования масляной пленки центр сегмента сдвинут против вращения относительно опорного болта примерно на 1/10 - 1/20 ширины сегмента.

Наряду с описанной выше конструкцией подпятника на регулируемых винтовых опорах находят применение подпятники на гидравлических опорах, в которых тарелки сегментов установлены на сильфонах, заполненных маслом. Внутренние полости сильфонов соединены между собой, и давление масла в них одинаково, благодаря чему нагрузки на сегменты при неподвижном подпятнике практически одинаковы. При вращении выравнивание нагрузки между сегментами полностью не достигается, так как перетекание масла в системе не успевает за быстрыми колебаниями нагрузки на сегменты.

При нагрузке 30 МН и более применяется двухрядный подпятник в котором сегменты расположены в двух концентрических рядах, что позволяет уменьшить нагрузку на один опорный болт и размеры сегментов. Опоры двух смежных сегментов внешнего и внутреннего рядов установлены на балансире в виде призматического бруса, опирающегося на цилиндрическую опору, закрепленную в корпусе. Распределение нагрузки между рядами сегментов производится регулировкой опорных болтов внешнего ряда.

Среднее давление на поверхности трения сегмента составляет обычно около 4 МПа и достигает в высоконагруженных подпятниках 6 МПа. Нагрузка на один опорный болт не превышает 1,5 МН. В подпятниках с тяжелыми условиями пуска и давлением от веса вращающихся частей агрегата более 2,2 МПа предусматривают при пусках и остановках принудительную подачу на плоскость трения масла под давлением. Для подачи масла в сегментах подпятника предусматривают отверстия, выходящие на поверхность трения. Подачу масла производят через обратный клапан так, чтобы после отключения насоса давление в масляном клине не падало.