Системы охлаждения генераторов
Допустимые температуры нагрева обмоток статора и ротора в первую очередь зависят от применяемых изоляционных материалов и температуры окружающей среды. Для изоляции класса В (на асфальтобитумных лаках) допустимая температура нагрева обмотки статора должна находиться в пределах 1050С, а ротора 1300С. При более теплостойкой изоляции обмоток статора и ротора, например, классов F и Н, пределы допустимой температуры нагрева увеличиваются. Главной причиной старения изоляции является ее нагрев. Чем выше температура нагрева изоляции, тем быстрее она изнашивается, тем меньше срок ее службы. Срок службы изоляции класса В при температуре нагрева ее до 1200С составляет 15 лет, а при нагреве до 1400С – сокращается почти до 2 лет. Та же изоляция при температуре нагрева 1050С (т.е. в пределах ГОСТ) стареет значительно медленнее и службы ее увеличивается до 30 лет.
Для того, чтобы температура нагрева обмоток не превышала допустимых значений, все генераторы электрических станций выполняют с искусственным охлаждением.
По способу отвода тепла от нагретых обмоток статора и ротора различают косвенное и непосредственное охлаждение.
При косвенном охлаждении охлаждающий газ (воздух или водород) с помощью вентиляторов, встроенных в торцы ротора, подается внутрь генератора и прогоняется через немагнитный зазор и вентиляционные каналы. При этом охлаждающий газ не соприкасается с проводниками обмоток статора и ротора и тепло, выделяемое ими, передается газу через значительный "тепловой барьер" – изоляцию обмоток.
При непосредственном охлаждении охлаждающее вещество (газ или жидкость) соприкасается с проводниками обмоток генератора, минуя изоляцию и сталь зубцов, т.е. непосредственно.
Отечественные заводы изготовляют турбогенераторы с воздушным, водородным и жидкостным охлаждением, а также гидрогенераторы с воздушным и жидкостным охлаждением.
Воздушное охлаждение
Существует две системы воздушного охлаждения – проточная и замкнутая.
Проточную систему применяют редко и лишь в турбогенераторах до 2 МВА, а также в гидрогенераторах до 4 МВА. При этом через генератор прогоняется воздух из машинного зала, который быстро загрязняет изоляцию обмоток ротора и статора, что в конечном итоге сокращает срок службы генератора.
При замкнутой системе охлаждения один и тот же объем воздуха циркулирует по замкнутому контуру. Отечественные заводы изготовляют ТГ с замкнутой системой воздушного охлаждения мощностью до 12 МВт включительно.
Замкнутая система косвенного воздушного охлаждения у ГГ применяется значительно шире. Наиболее крупный генератор с косвенным воздушным охлаждением серии СВ мощностью 264,7 МВА выпущен заводом "Электросила" для Братской ГЭС.
Охлаждение гладкого ротора ТГ менее эффективно, так как в рассматриваемом случае он охлаждается только со стороны воздушного зазора. Последнее обстоятельство в значительной степени определяет ограниченные возможности воздушного охлаждения для ТГ. У генераторов с воздушным охлаждением предусматривается устройство для тушения пожаров водой.
Косвенное водородное охлаждение турбогенераторов. Турбогенераторы с косвенным водородным охлаждением имеют в принципе такую же схему вентиляции, как и при воздушном охлаждении. Отличие состоит в том, что объем охлаждающего водорода ограничивается только корпусом генератора, в связи с чем охладители встраиваются непосредственно в корпус.
Водородное охлаждение эффективнее воздушного, так как охлаждающий газ по сравнению с воздухом имеет ряд существенных преимуществ. Он имеет в 1,51 раза больший коэффициент теплопередачи, в 7 раз более высокую теплопроводность. Последнее обстоятельство предопределяет малое тепловое сопротивление прослоек водорода в изоляции и зазорах пазов.
Значительно меньшая плотность водорода по сравнению с воздухом позволяет уменьшить вентиляционные потери в 8-10 раз, в результате чего коэффициент полезного действия генератора увеличивается на 0,8-1%.
Отсутствие окисления изоляции в среде водорода по сравнению с воздушной средой повышает надежность работы генератора и увеличивает срок службы изоляции обмоток. К достоинствам водорода относится и то, что он не поддерживает горения, поэтому в генераторах с водородным охлаждением можно отказаться от устройств пожаротушения.
Однако водород, заполняющий генератор в смеси с воздухом (от 4,1 до 74%, а в присутствии паров масла – от 3,3 до 81,5%), образует взрывоопасную смесь, поэтому у машин с водородным охлаждением должна быть обеспечена высокая газоплотность корпуса статора масляными уплотнениями вала, уплотнением токопроводов к обмоткам статора и ротора, уплотнением крышек газоохладителей, лючков и съемных торцевых щитов.
Генераторы с косвенным водородным охлаждением могут при необходимости работать и с воздушным охлаждением, но при этом их мощность соответственно уменьшается.
Источником водорода на современных ТЭС являются электролизерные установки, в которых водород получают путем электролиза воды.
Электромашиностроительные заводы России выпустили серию генераторов ТВ (ТВ2) мощностью до 150 МВт включительно с использованием косвенного водородного охлаждения, которые эксплуатируются на многих ТЭС.
Непосредственное водородное охлаждение турбогенераторов. Еще больший эффект по сравнению с косвенным водородным охлаждением дает непосредственное (внутреннее) охлаждение, когда водород подается внутрь полых проводников обмотки.
В генераторах серии ТВФ применяется косвенное охлаждение обмоток статора водородом и непосредственное (форсированное) охлаждение обмотки ротора. Проводники обмотки ротора выполняются сплошными прямоугольного сечения, а на боковых поверхностях их фрезеруются косые вентиляционные каналы, по которым циркулирует водород.
Генераторы серии ТГВ мощностью 200 и 300 МВт имеют несколько иную систему охлаждения ротора. Водород циркулирует в аксиальных прямоугольных каналах, которые образуются корытообразными проводниками обмотки возбуждения.
В генераторах этого типа выполнено также непосредственное охлаждение обмоток статора. Водород подается в тонкостенные трубки из немагнитной стали, заложенные внутри стержней обмотки и открытые в лобовых частях.
В обоих типах генераторов (ТГВ и ТВФ) давление водорода в корпусе поддерживается 0,2 – 0,4 МПа.
Генераторы с непосредственным водородным охлаждением не могут работать на воздушном охлаждении, так как обмотка, рассчитанная на форсированное охлаждение водородом, при работе на воздушном охлаждении перегреется и выйдет из строя. Поэтому при появлении больших утечек водорода из генератора, сопровождающихся глубоким и быстрым снижением давления водорода, генератор с непосредственным охлаждением должен быть аварийно разгружен и отключен от сети.
Непосредственное жидкостное охлаждение генераторов. При выполнении непосредственного жидкостного охлаждения генераторов в качестве охлаждающей жидкости применяют дистиллированную воду или масло, которые обладают более высокой теплоотводящей способностью по сравнению с водородом и, следовательно, позволяют еще больше увеличить единичные мощности генераторов при сохранении их размеров.
Дистиллированная вода как охлаждающее вещество по сравнению с маслом имеет значительно больше достоинств: более высокие теплоотводящие свойства, пожаробезопасность. Поэтому в большинстве случаев мощные отечественные генераторы выполняют с водяным охлаждением.
Обмотка статора выполняется из сплошных и полых медных элементарных проводников прямоугольного сечения, по которым циркулирует вода.
Питание обмотки водой осуществляется путем подвода ее к каждой параллельной ветви с помощью шлангов из пластмассы, обладающей высокой электрической прочностью и необходимой эластичностью (например, фторопласт-4).
Охлаждение обмотки статора водой в сочетании с непосредственным охлаждением обмотки ротора и активной стали водородом применяется в турбогенераторах типа ТВВ мощностью 165 – 800 МВт.
Выполнение непосредственного охлаждения ротора генератора связано с большими трудностями, особенно в отношении подвода воды к вращающемуся ротору.
Например, турбогенератор ТГВ-500 мощностью 500 МВт, имеет систему охлаждения: обмотки статора и ротора охлаждаются водой, а сталь магнитопровода – водородом. В результате эффективной системы охлаждения ТГ ТГВ-500 имеет размеры и массу даже несколько меньшие, чем ТГВ-300.
На новосибирском заводе "Сибэлектротяжмаш" изготовляются турбогенераторы новой серии – ТВМ. Эти генераторы имеют комбинированную систему охлаждения: ротор охлаждается водой, а статор (обмотка, активная сталь и конструктивные элементы) охлаждается трансформаторным маслом. В генераторе ТВМ применена для изоляции обмоток статора сравнительно дешевая и надежная бумажно-масляная изоляция кабельного типа. Это позволило сократить расходы на изоляцию генератора, например, ТВМ-300 в 4 раза по сравнению с расходами на изоляцию в генераторах ТВВ и ТГВ такой же мощности.
Бумажно-масляная изоляция позволяет применять более высокие номинальные напряжения для генераторов без значительного увеличения затрат. Так, например, генератор ТВМ-500 спроектирован на напряжение 36,75 кВ, в то время как обычно для генераторов такой мощности применяется напряжение 20 кВ. Увеличение номинального напряжения позволило уменьшить ток статора почти в 2 раза и облегчить токоведущие части.
Применение масляного охлаждения статоров гидрогенераторов дало возможность увеличить напряжение обмотки до 110 кВ (генератор 15 МВА Сходненской ГЭС), что позволяет включать генератор в сеть без промежуточной трансформации.
Сравнительная эффективность различных способов охлаждения генераторов может быть показана путем сопоставления мощностей при одних и тех же габаритах генератора (табл. 6.1).
Таблица 6.1. Эффективность различных систем охлаждения
| Охлаждение турбогенераторов | Увеличение мощности, о.е. |
| Воздушное | 1,0 |
| Косвенное водородное при избыточном давлении, 0,005 МПа | 1,25 |
| Косвенное водородное при избыточном давлении, 0,2 МПа | 1,7 |
| Непосредственное (внутреннее) охлаждение статора и ротора водородом | 2,7 |
| Непосредственное охлаждение обмотки статора маслом и обмотки ротора водой | 3,6 |
| Непосредственное охлаждение обмоток статора и ротора водой | 4,0 |