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