Гидрогенераторы

Гидрогенератор - это синхронная электрическая машина трёхфазного тока, приводимая во вращение гидротурбиной и преобразующая механическую энергию турбины в электрическую (поскольку здесь и далее речь идёт о гидрогенераторах, устанавливаемых на ГЭС, то далее воспользуемся лишь термином «генератор», за исключением случаев, когда требуется сопоставить их с турбогенераторами). Генератор состоит из неподвижной части - статора, включающего в себя корпус и сердечник с обмоткой, а также вращающегося ротора, в составе которого: остов, спицы, обод и полюса.

Сердечник статора (активное железо) имеет пазы, в которые уложена обмотка статора (витки проводников, соединенные по специальной схеме).

На внешней стороне обода ротора прикреплены полюсы ротора, состоящие из сердечника, полюсного наконечника и полюсной катушки. Катушки полюсов соединены между собой и образуют обмотку возбуждения. В эту обмотку подаётся постоянный ток - ток возбуждения генератора. При обтекании током на каждой паре катушек образуется постоянное электромагнитное поле с северным и южным полюсом, как у обычных магнитов.

Сердечник статора вместе с полюсами ротора образуют магнитную систему генератора, в которой основной магнитный поток, замыкаясь в магнитной цепи, проходит ряд участков: воздушный зазор, зубцовый слой статора, зубцовый слой ротора, полюс ротора, спинку статора и спинку ротора (обод).

Частота вращения гидрогенераторов существенно меньше, чем турбогенераторов, поэтому для получения переменного тока промышленной частоты 50 Гц в гидрогенераторе требуется большое количество полюсов. Роторы гидрогенераторов имеют явнополюсную конструкцию, поэтому гидрогенераторы называют явнополюсными синхронными машинами. Все полюсы ротора закреплены на его ободе, являющемся также и ярмом (неактивная часть магнитопровода) магнитной системы, в котором замыкаются потоки полюсов.

Вращение генераторов принято по часовой стрелке, если смотреть на вертикальный агрегат сверху.

Под воздействием вращающего момента турбины ротор генератора также вращается с той же частотой. При этом в обмотке статора в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводится ЭДС.
В процессе вращения ротора его магнитное поле вращаясь с указанной выше частотой пересекает каждый из проводников обмотки статора попеременно то северным магнитным полюсом, то южным магнитным полюсом. При этом каждая смена полюсов сопровождается изменением направления ЭДС в обмотке статора. Таким образом, в обмотке статора синхронного генератора наводится переменная ЭДС, а поэтому ток статора и ток в нагрузке также переменный. В трёхфазной обмотке переменные ЭДС одинаковы по значению, сдвинуты по фазе относительно друг друга на 73 периода (120 эл. град.) и образуют трёхфазную симметричную систему ЭДС.

С подключением нагрузки в фазах обмотки статора, обозначаемых А, В и С (фазы обозначаются и расцветкой - соответственно: жёлтая, зелёная, красная), появятся токи статора. При этом трёхфазная обмотка статора создаёт вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте синхронного генератора.

Таким образом, в синхронном генераторе поле статора и ротор вращаются синхронно (точно совпадают по времени), отсюда и название - синхронные машины.

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нём одновременно действует МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или искажая его форму.

Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакцией якоря.

Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронного генератора, так как изменение магнитного поля в машине сопровождается изменением ЭДС, наведённой в обмотке статора, а следовательно изменением и ряда других величин, связанных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу генератора зависит от значения и характера нагрузки. Генераторы, как правило, работают на смешанную нагрузку (активно-индуктивную или активно-ёмкостную).

Напряжение на выводах генератора, работающего с нагрузкой, отличается от напряжения этого генератора в режиме холостого хода (возбужденного генератора, отключенного от нагрузки). Это объясняется влиянием ряда причин: реакцией якоря, магнитным потоком рассеяния, падением напряжения в активном сопротивлении обмотки статора.

Генератор может работать в режиме синхронного компенсатора (СК) с целью регулирования реактивной мощности в энергосистеме (см. ниже). В этом режиме для компенсации сдвига фаз между током и напряжением и регулирования напряжения в ЛЭП генератор переводится в двигательный режим, вырабатывая (при перевозбуждении ротора) или потребляя (при недовозбуждении) реактивную мощность. По расположению вала генераторы подразделяются на вертикальные и горизонтальные.

Горизонтальные генераторы применяются в основном в компоновке с ковшовыми турбинами, с крупными обратимыми турбинонасосами на ГАЭС и в капсульных агрегатах с поворотно-лопастными турбинами низконапорных ГЭС.

На современных крупных ГЭС устанавливаются, как правило, вертикальные генераторы, так как при этом упрощается их конструкция, повышается надёжность и улучшаются условия эксплуатации, а также уменьшаются габариты машинного зала и здания ГЭС в целом. Генератор относится к основному гидросиловому оборудованию ГЭС, он объединяется, как мы уже отмечали, в единый технологический цикл (совокупность единого технологического процесса) с турбиной - это объединение носит название гидроагрегат (агрегат).

Электроэнергия, вырабатываемая генератором, снимается с главных выводов обмотки статора.

В зависимости от конструкции опирания ротора генераторы подразделяются на подвесные и зонтичные.

В подвесном генераторе опора находится над ротором, а в зонтичном - под ротором. Обычно опора представляет собой мощную крестообразную или лучевую конструкцию (крестовину), опирающуюся в свою очередь на бетонный массив агрегатного блока. На крестовине располагается опорный подшипник (подпятник), на который и опирается ротор генератора. В последних конструкциях мощных вертикальных генераторов для сокращения высоты агрегата применяется способ опирания ротора на крышку турбины через специальную опору, на которую и устанавливается подпятник.

В некоторых крупных генераторах нет собственного вала и его ротор закрепляется на валу турбины, образуя единый вал агрегата, например, на генераторе Саяно-Шушенской ГЭС.

Установить точные границы целесообразного применения подвесного или зонтичного типа генератора достаточно трудно. В генераторах подвесного типа значительно выше механическая устойчивость, обеспечивается более свободный доступ к подпятнику и другим частям машины. Такие генераторы обычно выполняют со средней и высокой частотами вращения.

В мощных тихоходных генераторах при больших давлениях на подпятник и большом диаметре статора верхняя грузонесущая крестовина в подвесном типе получается достаточно громоздкой. Однако на генераторе Братской ГЭС достаточно большой мощности (225 МВт) при частоте вращения 125 об/мин и диаметре статора (по расточке) 10,5 м применена подвесная конструкция. Крестовина (лучевая) получилась мощной, состоящей из 12 отъёмных лап большого двутаврого сечения, стыкующихся с массивной центральной частью.

Особого внимания генераторы ГЭС заслуживают в связи с ролью гидростанций по регулированию параметров энергосистемы с целью обеспечения статической и динамической устойчивости её электрической сети.

Ток ротора (возбуждения) - постоянный, протекающий по обмотке возбуждения, создаёт необходимое магнитное поле. Это магнитное поле благодаря вращению ротора пересекает обмотку статора, в результате чего, как мы видели, возникает ЭДС генератора. Напряжение генератора, если пренебречь внутренним его сопротивлением, равно ЭДС. Увеличивая или уменьшая ток ротора относительно номинального значения задают соответственно режим перевозбуждения или недовозоуждения генератора (соответственно происходит выдача или потребление реактивной мощности). Этим режимом регулируется напряжение в электрической сети.

Для обеспечения статической и динамической устойчивости генераторов применяются быстродействующие регуляторы возбуждения, для повышения динамической устойчивости увеличивают скорость нарастания и «потолок» возбуждения, а также уменьшают время отключений короткого замыкания.

Реактивные сопротивления генератора. Обмотки генератора обладают активным и реактивным сопротивлениями. Активное сопротивление вызывает потери мощности, пропорциональные квадрату силы тока, которые превращаются в тепловую энергию. Реактивные сопротивления (реактивности) не вызывают потерь мощности, но являются параметрами, определяющими режимы работы генератора в энергосистеме, влияющими на устойчивость их параллельной работы в электрической сети. Значения реактивностей выражают обычно в относительных единицах, в долях, от так называемого, номинального сопротивления генератора.

Обмотка статора выполняется так, чтобы форма ЭДС генератора была синусоидальной. В противном случае при несинусоидальной форме ЭДС генератора в электрической сети появляются высшие гармоники тока, оказывающие вредное влияние на работу всей энергосистемы: возрастают потери энергии, возникают опасные перенапряжения, усиливается вредное влияние НЭП на цепи связи.

Элементом обмотки является катушка, состоящая из нескольких витков. Обмотка выполняется из медных обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения в виде стержней, которые укладываются в пазы сердечника статора и соединяются способом пайки. Элементы стержней, располагающиеся в пазах, называются пазовой частью, а элементы, расположенные вне сердечника вверху и внизу вертикального генератора. соответственно называются верхними лобовыми частями и нижними лобовыми частями.

Система возбуждения генератора (электромагнитное возбуждение) создаёт, как указывалось выше, МДС, которая наводит в магнитной системе машины магнитное поле, обеспечивающее процесс образования электроэнергии. На генераторах первого поколения для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока (возбудители), обмотка возбуждения которых получала питание постоянным током от другого генератора (подвозбудителя). Ротор главного генератора и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на одном валу и вращаются синхронно. Ток-возбуждения подаётся в обмотку возбуждения главного генератора через графитовые щётки и контактные кольца ротора.

Для регулирования тока возбуждения в прежних конструкциях применялись регулировочные реостаты, которые включаются в цепи возбуждения возбудителя и подвозбудителя.

В последних конструкциях генераторов, в особенности на мощных и сверхмощных, применялись системы независимого возбуждения с достаточно мощными вспомогательными генераторами переменного тока и выпрямителями, а также системы самовозбуждения.

В качестве выпрямителей использовались ртутные выпрямители (ионная система возбуждения), а в последнее время получили всеобщее распространение тиристорные системы возбуждения - безинерционные системы, которые экономичнее и надёжнее, а по сравнению с ионными имеют и бесспорное экологическое преимущество.

Автоматическое регулирование возбуждения заключается в автоматическом изменении силы тока возбуждения генератора с целью обеспечения требующегося ему значения ЭДС при нормальном и аварийном режимах в электрической сети.

Регулятор АРВ характеризуется быстродействием, т.е. способностью резко и существенно увеличивать ток и напряжение возбуждения; этот процесс называется форсировкой возбуждения. Например, у АРВ генераторов Саяно-Шушенской ГЭС время нарастания напряжения возбуждения от номинального до максимального значения составляет не более 0,04 с. Кратность форсировки возбуждения составляет: по напряжению 3, по току 2.

Кратностью форсировки называется отношение наибольшего установившегося значения напряжения (тока) возбуждения к номинальному напряжению (току) возбуждения.

Система охлаждения генератора служит для отвода тепла, выделяемого железом сердечника статора и его обмоткой, а также сердечниками полюсов и обмоткой возбуждения.

Различают системы воздушного охлаждения, непосредственного водяного охлаждения и смешанного охлаждения. Воздушный поток образуется за счёт вращения ротора, спицы которого выполняют роль мощного вентилятора.

При воздушном охлаждении воздух продувается через элементы генератора, отбирает тепло, затем, охлаждаясь в воздухоохладителях, возвращается в генератор. Циркуляция воздуха может быть симметричной (двухсторонней) или односторонней. Хладоносителем является вода из системы технического водоснабжения.

При непосредственном водяном охлаждении обмотки статора в её токоведущих частях циркулирует дистиллированная вода, отобрав тепло она охлаждается в трубках собственных теплообменников, где между трубками течёт вода из системы техводоснабжения. В этой системе воздушный поток не является главным охладителем обмотки.

Существуют смешанные системы, сочетающие непосредственное водяное охлаждение обмотки статора и форсированное воздушное охлаждение обмотки ротора. Примером такой системы является генератор Саяно-Шушенской ГЭС. Форсированное охлаждение обмотки ротора достигается путём устройства каналов между витками катушки полюса благодаря специальному прокату медной шины и придания ей формы периодического профиля. Есть случаи выполнения полного водяного охлаждения: обмоток статора, ротора и сердечника статора.

Тормозная система. Для нормальной остановки агрегата его разгружают до холостого хода, отключают от сети, после чего закрывают направляющий аппарат турбины. Вследствие большой маховой массы ротора и в случае возможных протечек воды через закрытый НА, воздействующих на рабочее колесо турбины, ротор может продолжать вращаться непрерывно с небольшой частотой вращения, поэтому требуется его торможение. Тормозная система включается при снижении частоты вращения примерно до 30% от номинальной и агрегат останавливается. Для этого включаются тормоза, фрикционные колодки которых прижимаются к тормозному кольцу.

Система пожаротушения генератора предназначена для подачи воды в генератор в случае загорания обмоток в результате КЗ. Во избежание быстрого распространения пламени по обмоткам из-за действия вентиляционного потока воздуха подача воды осуществляется, как правило, автоматически по специальным кольцевым трубопроводам, распыляющим воду через множество отверстий. Кольцевые трубопроводы - распылители располагаются в непосредственной близости от верхних и нижних лобовых частей обмотки статора.

Система контроля и защит генератора обеспечивает автоматический контроль за параметрами во избежания их опасного превышения. Контроль по некоторым параметрам действует на отключение генератора от сети, его развозбуждение и остановку (повреждение обмотки ротора при КЗ на землю в одной и двух точках и повреждение обмотки статора при междуфазных КЗ и витковых КЗ). По другим параметрам при их превышении генератор отключается от сети (повышение напряжения, перегрузка ротора, асинхронный ход), в остальных случаях выдаётся предупредительный сигнал (снижение охлаждения, превышение температуры и др.).

Подпятник и подшипники обеспечивают восприятие осевой и горизонтальной нагрузки. Главным из этих устройств, по условиям работы, является подпятник как по величине нагрузки, габаритам, так и сложности конструкции.

Магнитопровод является магнитной цепью, по которой замыкается основной магнитный поток и, кроме того, он предназначен для установки и крепления обмоток, отводов от обмоток, переключателей и др. Магнитопровод имеет шихтованную (слоеную) конструкцию (он состоит из тонких стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующим лаком с целью ослабления вихревых токов, наводимых переменным магнитным потоком и, течивает снижение потерь энергии в трансформаторе).

Отношение числа витков обмоток равно отношению напряжений при холостом ходе трансформатора.

Обмотка с большим числом витков, подключенная к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а обмотка с меньшим числом витков, подключенная к источнику или сети с меньшим напряжением — обмоткой низшего напряжения (НН). В трехобмоточном трансформаторе имеются три обмотки: ВН, НН и СН - обмотка среднего напряжения.

Конструктивно трансформаторы делят на масляные и сухие. В масляных трансформаторах активная часть (обмотки и магнитопроводы) помещается в бак, заполненный трансформаторным (изоляционным) маслом, которое у мощных трансформаторов охлаждается специальной принудительной системой охлаждения. Наличие трансформаторного масла обеспечивает более надёжную работу высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочность масла намного выше, чем воздуха. Активная часть сухих трансформаторов охлаждается непосредственно окружающим воздухом. Масляное охлаждение интенсивнее воздушного, поэтому габариты и вес масляных трансформаторов меньше, чем у сухих трансформаторов такой же мощности.

С ростом мощности трансформаторов требование к изоляционным маслам ужесточается. Так, впервые на Красноярской ГЭС были введены требования по определению количественного влагосодержания и газосодержания, что вызвало необходимость в создании специальных дегазационных установок, разработки новой технологии подготовки масла и новых методов контроля его качества. Так, для трансформаторов Саяно-Шушенской ГЭС готовность масла для заливки определяется по влагосодержанию не более 0,992% при температуре масла +20°С, по газосодержанию не более 1% по объёму.

Для компенсации увеличивающегося объёма масла при изменении температуры, а также для защиты масла от окисления и увлажнения при контакте с воздухом в трансформаторах применяют расширители, представляющие собой цилиндрическую ёмкость, которая устанавливается на крышке бака и сообщается с ним. Благодаря расширителю бак всегда заполнен маслом, а изменения его уровня происходят в пределах расширителя. В крупных трансформаторах на поверхность масла в расширителе укладывается гибкая плёнка, плотно примыкающая к стенкам, обеспечивая герметичность объёма масла относительно объёма расширителя, заполненного воздухом; эластичность плёнки не препятствует изменению уровня масла в расширителе. В некоторых конструкциях с той же целью вытеснения воздуха и существенного повышения защиты масла от окисления и увлажнения объём расширителя над маслом заполняется азотом. В трансформаторах, где не применяется азотная защита, объём воздуха в расширителе сообщается с атмосферным воздухом через специальный силикагелевый фильтр (фильтр с адсорбентом SiO2 поглощающим влагу).

Во избежание повреждения баков трансформаторов мощностью 1000 кВ-А и более на них устраивается выхлопная труба, нижний конец которой сообщается с баком, а на верхнем конце к фланцу трубы прикрепляется стеклянный диск. При аварии с трансформатором, когда могут бурно выделяться газы, в результате чего резко увеличится давление в баке, превышающее допустимое, стеклянный диск лопнет и предотвратит разрушение бака.

В трубопровод, соединяющий бак масляного трансформатора с расширителем встраивается газовое реле, которое контролирует вьщеление газов и выдает импульс при их появлении на отключение всех обмоток трансформатора от электрической сети и источников энергии.

На крышке бака трансформатора устанавливаются вводы для соединения его обмоток с внешней электрической сетью, а на ГЭС и с источниками электроэнергии - генераторами.

Высоковольтный ввод - это многоэлементная конструкция проходного изолятора, содержащая в себе самостоятельные элементы внутренней и внешней изоляции.

В качестве внешней изоляции служат верхняя и нижняя фарфоровые покрышки. Между покрышками расположена соединительная металлическая втулка, с помощью которой ввод крепится к крышке бака трансформатора.

На соединительной втулке имеется изолированный от неё измерительный вывод или специальный вывод у вводов с измерительным конденсатором с целью подключения приспособления для измерения напряжения (ПИН), а также для контроля качества изоляции.

Герметичность вводов обеспечивается применением в местах механического контакта различных его деталей прокладок из маслостойкой резины.

Связующим элементом, соединяющим детали ввода в единое целое, является токоведущая медная или латунная труба, на которой в верхней её части помещаются специальные стягивающие все элементы пружины. Одновременно пружины компенсируют разницу в значениях температурных коэффициентов линейного расширения, соединяемых в единое целое элементов конструкции ввода.

На токоведущую трубу наматывается внутренняя изоляция конденсаторного типа, в которой тонкие диэлектрические слои последовательно чередуются с проводящими или полупроводящими обкладками. В качестве диэлектрических слоев используется маслопропитанная бумажная, склеенная смолой (твердая) изоляция. Свободное пространство внутри ввода заполняется изоляционным маслом.

Для температурной компенсации увеличивающегося объёма масла применяются либо внутренние компенсаторы сильфонного типа, располагающиеся внутри верхнего экрана ввода, либо выносные, внешние бачки давления, имеющие внутри объёмные сильфонные диски.

При проектировании ГЭС и ГАЭС прежде всего решается вопрос о первой ступени трансформации, исходя из требований энергосистемы. Выбор числа и типа трансформаторов является одной из важнейших задач.

В определенных условиях возможно присоединение нескольких генераторов к одному повышающему трансформатору. Такое присоединение называется укрупнённым блоком.

Автотрансформаторы, как правило, используются на подстанциях в электрических сетях (электрические установки - принимающие, распределяющие и выдающие электроэнергию потребителям, преобразуя её с одного напряжения на другое). Их основное назначение в том, что они обычно призваны обеспечивать связь двух повышенных напряжений на подстанциях.

Автотрансформаторы отличаются от трансформаторов тем, что у них помимо магнитной связи между обмотками имеется ещё и электрическая (гальваническая) связь. На преобразование напряжения при помощи автотрансформатора затрачивается меньше активных материалов (электротехническая сталь, медь), чем на такое же преобразование, осуществляемое при помощи трансформатора. По расходу активных материалов и снижению потерь энергии применение автотрансформатора тем выгоднее, чем меньше напряжение ВН отличается от напряжения НН. Наиболее целесообразно применение автотрансформаторов с коэффициентом трансформации Ктр < 2.

При напряжениях 150-750 кВ взамен трёхобмоточных трансформаторов на подстанциях могут применяться силовые автотрансформаторы, у которых обмотка СН берётся ответвлением от части обмотки ВН.
Подстанции проектируются в составе электрической сети и территориально распределяются в энергосистеме так, чтобы наиболее эффективно обеспечить электроснабжение потребителей, учитывая их разный характер, на одном или нескольких напряжениях. Существуют подстанции повысительные и понизительные.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.