3. Основное оборудование гидростанций

1. Гидрогенераторы, их параметры

Гидрогенераторы - это синхронные электрические машины трехфазного тока, приводимые во вращение гидротурбиной и преобра­зующая механическую энергию турбины в электрическую. Генератор состоит из двух частей: из неподвижной - статора, который в свою очередь включает в себя сердечник с обмоткой, и вращающуюся часть - ротор, состоящий 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, 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 - над ротором. Опора - это мощ­ная конструкция, которая опирается на бетонный массив агрегатного блока и 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

где: частота вращения n = 60f/p;

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 ротора (i) возбуждения - 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. Активное сопротивление 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 влияющие на устойчивость их параллельной работы в сети.

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

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 сегодня на мощных генераторах 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: 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 схема - 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 называются 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 3600А до 7200А), а напряжение 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 вновь 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. Она 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. Действие контроля и защит в одних случаях действуют 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) либо выдача персоналу, обслуживающего агрегаты предупредительного сигнала (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 накладывала определенные технические трудности при эксплуатации подпятника и его обслуживании. Теперь появились новые материалы (фторопласт, металлопластик) которые значительно повысили эксплуатационную надежность работы этого узла генератора.