3. Основное оборудование гидростанций

1. Гидрогенераторы, их параметры

Гидрогенераторы - это синхронные электрические машины трехфазного тока, приводимые во вращение гидротурбиной и преобразующие механическую энергию турбины в электрическую. Генератор состоит из двух частей: неподвижной - статора, который в свою очередь включает в себя сердечник с обмоткой, и вращающейся - ротора, состоящего из остова, спиц, обода и полюсов с обмоткой. Сердечник статора имеет пазы, в которые уложена обмотка статора. Полюса ротора прикрепляются к внешней стороне обода ротора и состоят из сердечника, полюсного наконечника и полюсной катушки, которые соединены друг с другом последовательно и образуют обмотку возбуждения. В катушку возбуждения подается постоянный ток, при обтекании которым на каждой паре полюсов создается постоянное магнитное поле с магнитными полюсами. При вращении ротора с полюсами, по которым протекает постоянный ток, турбиной создается вращающееся постоянное магнитное поле, которое пересекает каждый проводник обмотки статора попеременно то северным магнитным полюсом, то южным, при этом меняется направление ЭДС в обмотке статора. В обмотке статора синхронного генератора (генератор, у которого ротор имеет явнополюсную конструкцию и вращается со скоростью, равной скорости вращения турбины, называется синхронным) наводится переменная ЭДС, которая в свою очередь создает вращающееся магнитное поле, взаимодействующее с постоянным магнитным полем ротора. Поля эти вращаются с одинаковой скоростью – синхронно, отсюда и название: синхронные машины. Воздействуя на магнитное поле ротора, система возбуждения ротора изменяет МДС, изменяя (усиливая или ослабляя) поле возбуждения, которое в свою очередь изменяет поле обмотки статора. Это воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки ротора называется реакцией якоря.

Генераторы по расположению вала подразделяются на вертикальные и горизонтальные.

В зависимости от конструкции опоры ротора генераторы подразделяются на подвесные и зонтичные. В подвесном генераторе опора находится над ротором, в зонтичном - под ротором. Опора - это мощная конструкция, которая опирается на бетонный массив агрегатного блока, где устанавливается оборудование агрегата и его узлы (подпятник, сервомоторы и т.п.).

4.1.1. Параметры генератора:

Коэффициент мощности - отношение активной мощности к полной.

Активная мощность:

,

где N - мощность турбины;

- КПД генератора.

Полная мощность:

,

где U - напряжение генератора;

I - ток статора;

- коэффициент мощности.

На Саяно-Шушенской ГЭС коэффициент мощности 0,9.

Реактивная мощность - мощность, которая требуется ряду потребителей

,

частота вращения n = 60f/p,

где f - частота тока, Гц;

p - число пар полюсов ротора.

При стандартной частоте тока f = 50 Гц, синхронная частота вращения равна n = 3000/p.

Напряжение генератора (U, кВ) - линейное напряжение на выводах обмотки статора.

Ток статора генератора (I) - переменный, зависит от мощности и напряжения.

Частота тока генератора (f) - число колебаний тока в секунду.

Коэффициент полезного действия генератора (КПД) определяет отношение полезно использованной энергии (превращенной в работу) к суммарному количеству энергии, переданной генератору. При номинальных параметрах мощности и коэффициенте мощности Cos, КПД мощных генераторов достигает (98 - 98,5)%.

Ток возбуждения ротора (i) - постоянный по величине ток, протекающий по обмотке возбуждения и создающий магнитное поле. Изменением величины тока возбуждения регулируется напряжение в электрической сети. Ток ротора имеет большое значение для обеспечения статической и динамической устойчивости работы генераторов в сети, для чего применяют быстродействующие регуляторы возбуждения.

Реактивные сопротивления генератора - параметры генератора, определяемые сопротивлениями обмотки статора генератора - активным и реактивным. Активные сопротивления вызывают потери мощности, которые превращаются в тепловую энергию; реактивные же сопротивления сами по себе не вызывают потерь энергии, но являются параметрами, определяющими режимы работы генератора в сети и влияющими на устойчивость их параллельной работы в сети.

Обмотка статора состоит из медных проводников круглого или прямоугольного сечения, которые укладываются в виде стержней в пазах сердечника статора. Группа стержней собирается определенным образом в витки, а витки - в группы.

Система возбуждения создает МДС, которая наводит в магнитной системе генератора магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем ротора, и обеспечивает процесс образования электрической энергии. Ток возбуждения подается в обмотку ротора генератора от систем возбуждения через графитовые щетки и контактные кольца генератора. Для регулирования тока возбуждения на мощных генераторах сегодня получили широкое применение тиристорные системы возбуждения, которые экономичнее и надежнее в сравнении с применяемыми ранее ионными системами. В настоящее время нашли применение две системы самовозбуждения синхронных генераторов. Первая – это схема самовозбуждения, в которой энергия для возбуждения отбирается от обмотки статора генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный тиристорный преобразователь преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первичное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма полюсов ротора генератора. Вторая - это автоматическая система самовозбуждения с выпрямительным трансформатором и тиристорным преобразователем, через которые ток статора генератора после преобразования в постоянный ток подается в обмотку ротора. Регулирование тока ротора происходит с помощью автоматического регулятора напряжения (АРВ), на вход которого поступают сигналы напряжения и тока нагрузки генератора. Схема содержит устройства защиты обмотки возбуждения и тиристорного преобразователя от перенапряжения и перегрузок по току. Регулятор АРВ характеризуется быстродействием, т.е. способностью быстро и резко увеличить величину тока и напряжения возбуждения. Это увеличение тока и напряжения в цепи ротора называется форсировкой возбуждения. Так, у АРВ генераторов СШГЭС время этого увеличения составляет не более 0,04 сек; при этом происходит увеличение тока ротора в 2 раза (с величины 3600 А до 7200 А), а напряжения в 3 раза (с величины 500 В до 1500 В).

Система охлаждения генератора служит для отвода тепла, которое выделяется железом статора генератора и его обмоткой, а также сердечниками полюсов ротора и его обмотки возбуждения. Существуют несколько систем охлаждения. Наиболее широкое распространение получили системы воздушного, смешанного и непосредственного водяного охлаждения.

Воздушное охлаждение генератора осуществляется воздухом, который продувается через элементы конструкции генератора, при этом отбирая тепло, выделяемое при работе генератора, а затем охлаждается в воздухоохладителях и возвращается охлажденным в генератор.

Непосредственное водяное охлаждение обмотки статора осуществляется дистиллированной водой, которая циркулирует в токоведущих частях генератора, а охлаждается в собственных теплообменниках, в которых тепло отбирается водой из системы техводоснабжения генератора.

Смешанные системы охлаждения сочетают в себе водяное охлаждение обмотки статора и форсированное воздушное охлаждение обмотки ротора. Эта система применена на генераторах СШГЭС. Форсированность воздушного охлаждения обмотки ротора обеспечивается специальной конструкцией обмотки ротора.

Система торможения, которой оснащается каждый генератор, служит для снижения скорости вращения генератора до нуля и полной остановки агрегата. Из-за высокой маховой массы вращающихся частей агрегата и возможных протечек воды через направляющий аппарат турбины, ротор может вращаться достаточно длительное время, поэтому система торможения включается при скорости вращения агрегата до 30% от номинальной, при этом колодки торможения прижимаются сжатым воздухом к тормозному кольцу, который крепится в ободу ротора, и агрегат останавливается.

Система пожаротушения - важный элемент конструкции генератора. Она предназначена для подачи воды в случае повреждения обмотки статора генератора при коротких замыканиях, при которых возможно возгорание электроизоляционных материалов обмотки и распространение пожара по внутренним поверхностям генератора. Поэтому на каждом генераторе предусмотрена подача воды по специальным кольцевым трубопроводам, которая по специальной конструкции отверстиям подается к очагу возгорания. Вода подается, как правило, автоматически. Система контроля и защит предназначена для автоматического контроля за параметрами работы генератора во избежание их опасного превышения относительно номинальных и разрешенных.

Система контроля и защит в одних случаях действует на отключение генератора от сети, его развозбуждение и остановку (повреждение обмотки статора при коротких замыканиях) или отключение от сети без остановки (повышение напряжения, перегрузки ротора, действие противоаварийной автоматики), в других выдает персоналу, обслуживающему агрегаты, предупредительный сигнал (изменение параметров охлаждения, давления, которые могут быть изменены воздействием на органы управления соответствующих устройств).

Подпятник и подшипники - важные элементы конструкции генератора, они воспринимают осевые и горизонтальные нагрузки, воздействующие на них при работе агрегата. Наиболее ответственным элементом является подпятник, который воспринимает 100% вертикальных нагрузок и представляет собой плоский подшипник скольжения, охлаждаемый маслом. До недавнего времени в качестве материала поверхностей скольжения применялся баббит, который имел низкую температуру плавления, что накладывало определенные технические трудности при эксплуатации подпятника и его обслуживании. Теперь появились новые материалы (фторопласт, металлопластик), которые значительно повысили эксплуатационную надежность работы этого узла генератора.