Электорогенераторы

         Введение

 

Электрогенераторы представляют собой основной вид генерирующего оборудования, обеспечивающего свыше 80% общего мирового объема выработки электроэнергии. Одновременно ЭГ являются и наиболее сложным типом электрических машин, в которых тесно сочетаются проблемы мощности, габаритов, электромагнитных характеристик, нагрева, охлаждения, статической и динамической прочности элементов конструкции. Обеспечение максимальной эксплуатационной надежности и экономичности ЭГ является центральной научно-технической проблемой.

 

Охлаждение электрогенераторов может быть:

 а) воздушным;

 б) водородным;

 в) водородно-водяным.

 Воздушное охлаждение  может выполняться по разомкнутой  (проточной) и замкнутой системам. Проточная воздушная вентиляция  согласно ГОСТ 533-51 допускается только  для генераторов мощностью 750 и 1 500 квт. Для генераторов большей  мощности делается замкнутая  система охлаждения.

 При проточной системе  охлаждения воздух до поступления  в генератор проходит фильтры  для отделения пыли и других  взвешенных частиц, а после генератора  выбрасывается наружу. При замкнутой  системе охлаждения нагретый  воздух из генератора направляется  под напором вентиляторов, насаженных  на вал ротора, в камеру воздухоохладителей. Воздухоохладители представляют  собой теплообменные аппараты  рекуперативного типа. По трубкам  воздухоохладителей протекает вода, поступающая из напорных водоводов  конденсатора. На аварийный случай  имеется резервный подвод воды  к воздухоохладителям от технического  водопровода. Для предохранения  трубок воздухоохладителей от  загрязнений охлаждающая вода  до поступления в охладители  проходит через водяной фильтр.

 Для каждого генератора  заводом-изготовителем устанавливаются  предельно допустимые значения  температуры активных частей (обмоток  статора, ротора и активной  стали). В соответствии с этим  в эксплуатационных инструкциях  указывается температура охлаждающего  газа (воздуха или водорода), которую необходимо поддерживать прт работе электрогенератора

 

 

        1.Состояние вопроса.

 

Во время работы в генераторе возникают потери энергии, превращающиеся в теплоту и нагревающие его элементы. Хотя к. п. д. современных генераторов очень высок и относительные потери составляют всего 1,5—2,5%, абсолютные потери достаточно велики (до 10 МВт в машине 800 МВт), что приводит к значительному повышению температуры активной стали, меди и изоляции.

 Предельный нагрев  генераторов лимитируется изоляцией  обмоток статора и ротора, так  как под воздействием теплоты  происходит ухудшение ее электроизоляционных  свойств и понижение механической  прочности и эластичности. Изоляция  высыхает, крошится и перестает  выполнять свои функции. Опытным  путем установлено, что процесс  этого, так называемого старения  изоляции протекает тем быстрее,  чем выше ее температура. Математически  это выражается формулой

 Т = TQ exp (—at),  (1-7)

 где Т — срок  службы изоляции при температуре  t\ Т0 — то же при t— 0°С [по разным источникам Т0 = (1,5ч- 5). I04 лет J; a — коэффициент, зависящий  от скорости старения изоляции.

 По так называемому  восьмиградусному правилу, установленному  экспериментально и положенному  в основу расчетов температурных  режимов электрооборудования у  нас в стране, при повышении  температуры изоляции на 8 °С срок  ее службы уменьшается в два  раза. Таким образом, если расчетный  срок службы изоляции при длительном  воздействии температуры ( = 105 сС  равен 20 годам, то при увеличении  рабочей температуры до 113 °С он  снизится до 10 лет, а при температуре  121 °С окажется равным всего  5 годам. Это правило может применяться  только в диапазоне температуры  80—150 °С. При температуре ниже 80 °С  старение изоляции сильно замедляется,  а при больших температурах  — резко убыстряется. Коэффициент  а в (1-7) при восьмиградусном  правиле равен 0,0865 *.

*В нормах Международной  электротехнической комиссии (МЭК)  принято шестиградусное правило,  при котором коэффициенте равен  0,112.

 Ясно, что изоляция  должна работать при такой  температуре, при длительном воздействии  которой она сохранит свои  изоляционные и механические  свойства в течение времени,  сравнимого со сроком службы  генератора (или другого электрооборудования). Эта температура и будет характеризовать  нагревостойкость изоляции.

 По нагревостойкости  изоляционные материалы делятся  па семь классов, однако материалы,  применяемые для изоляции обмоток  крупных турбо- и гидрогенераторов, относятся к трем из них:  к классу В — материалы на  основе слюды, асбеста и стекловолокна  с органическими пропиточными  и связующими составами; к классу F — те же материалы, но в  качестве связующего в них  служат термореактивные смолы  (например, эпоксидные), затвердевающие  при 150— 160 °С и не размягчающиеся  при повторных нагреваниях; наконец,  к классу Н — те же материалы,  но с кремнийорганическими компаундами,  обладающими наибольшей нагревостойкостью  (до 180 °С).

 Термореактивняя изоляция  обладает значительно лучшими  электрическими и механическими  характеристиками по сравнению  с изоляцией класса В, битумные  компаунды которой начинают размягчаться  и вытекать из обмоток при  110— 120 °С; поэтому, несмотря на  дороговизну, она применяется  теперь для изоляции обмоток  крупных блочных генераторов.

Превышения температуры  доп нормируются, потому что сама температура изоляции t зависит от двух факторов: от температуры охлаждающей  среды (иХЛ и от нагрузки машины, определяющей это превышение:

Температура охлаждающей  среды установлена стандартами  равной 40 ЭС, и при изменении по каким-либо причинам этой температуры  допускаются соответствующие изменения  вдоп, а следовательно, и нагрузки генератора. Методы измерения превышений температуры обмоток несовершенны и не гарантируют получения их точных максимальных значений. Поэтому  допустимые превышения Вдоп, несколько меньше t-t охл.

 Для того чтобы температура  генераторов во время их работы  оставалась в допустимых пределах, необходим непрерывный интенсивный  отвод теплоты от них, который  и выполняется при помощи системы  охлаждения.

 

 

В качестве охлаждающей среды  в современных генераторам применяют  газы (воздух, водород) и жидкости (вода, масло).

 Турбогенераторы выполняются  с воздушным, водородным, водородно-жидкостным  или чисто жидкостным охлаждением.  Гидрогенераторы имеют воздушное  или воздушно-жидкостное охлаждение.

 По способу отвода  теплоты от меди обмоток системы  охлаждения подразделяются на  косвенные (поверхностные) и непосредственные. При косвенном охлаждении (оно  применяется только при газах)  охлаждающий газ не соприкасается  с проводником обмоток, а теплота,  выделяемая в них, передается  газу через изоляцию, которая  таким образом оказывается перегруженной  в тепловом отношении и значительно  ухудшает теплопередачу.

 При непосредственном  охлаждении водород, вода или  масло (для воздуха непосредственная  система применяется лишь в  гидрогенераторах) циркулируют по  внутрипроводниковым каналам и,  соприкасаясь непосредственно с  нагретой медью, отводят от  нее теплоту при максимальной  эффективности теплопередачи, так  как между источником тепла  и охлаждающей средой кет никаких  барьеров. Большим преимуществом  такой системы является также  небольшая тепловая нагрузка  изоляции.

 

 

 

 

 

 

 

         2.Патентный поиск

 

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ  К ПАТЕНТУ  2379813  C1

Статус: по данным на 17.09.2010 - действует

 

 

 

(21), (22) Заявка: 2008147119/09, 24.11.2008

 

(24) Дата начала отсчета  срока действия патента:

24.11.2008

 

(46) Опубликовано: 20.01.2010

 

(56) Список документов, цитированных  в отчете о

поиске: RU 2303324 С1, 20.07.2007. RU 2284626 С1, 27.09.2006. RU 745327 А, 23.12.1981. RU 2084069 С1, 10.07.1997. RU 2101836 С1, 10.01.1998. RU 2179778 С2, 20.02.2002. RU 2101835 С1, 10.01.1998. SU 1457070 А1, 07.02.1989. SU 1387102 А1, 20.03.1985. ЕР 0899856 А2, 03.03.1999. DE 3707683 A1, 22.09.1988. GB 1503404 A, 08.03.1978. US 3439202 A, 15.04.1969. GB1333234 А, 10.10.1973. ТИТОВ В.В., ХУТОРЕЦКИЙ Г.М. и др. Турбогенераторы. Расчет и конструкция. - Л.: Энергия, 1967, с.55-57.

 

  Автор(ы):

Антипов Виктор Николаевич (RU),

Грозов Андрей Дмитриевич (RU),

Данилевич Януш Брониславович (RU),

Иванова Анна Владимировна (RU)

 

 Патентообладатель(и):

Учреждение Российской академии наук Ордена Трудового Красного Знамени  Институт химии силикатов имени  И.В. Гребенщикова РАН (RU)

 

 

 ТУРБОГЕНЕРАТОР С СИСТЕМОЙ  ГАЗОВОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

 

Реферат:

 

Изобретение относится к  области электротехники и электромашиностроения  и может быть использовано при  производстве турбогенераторов и других, нуждающихся в охлаждении электрических  машин. Технический результат, достигаемый  от использования изобретения, состоит  в обеспечении снижения температур обмотки и сердечника статора, а  также более равномерного распределения  указанных температур по длине сердечника статора турбогенераторов и генераторов  с газовым охлаждением, и повышении  надежности их работы. Сущность изобретения  состоит в том, что в турбогенераторе  с аксиальной разомкнутой системой газового охлаждения, состоящем из корпуса статора, ротора и статора, согласно изобретению, сердечник статора  выполнен с аксиальными каналами и установлен в корпусе статора, образуя каналы для прохода газа между внешней поверхностью сердечника статора и внутренней поверхностью корпуса, внутри корпуса статора  установлена параллельно оси  вала турбогенератора непроницаемая  для газа перегородка и как  минимум два коллектора для подвода  газа и два коллектора для отвода газа, причем коллекторы для подвода  газа расположены на корпусе статора, один со стороны переднего торцевого  щита, другой со стороны заднего  торцевого щита, один коллектор для  отвода газа расположен в заднем торцевом щите, другой коллектор для отвода газа расположен в переднем торцевом щите. 1 ил.

 

 

 

 

 

          Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и предназначено для расширения сферы применения синхронных генераторов, например, для децентрализованной энергетики.

 

Известно, что синхронные турбогенераторы мощностью 2,5-63 МВт  имеют воздушное охлаждение по разомкнутому или замкнутому циклу. Как правило, расход воздуха обеспечивается центробежным или осевым вентилятором, расположенным  на валу турбогенератора, а охлаждение обмотки и сердечника статора  обеспечивается при прохождении  воздуха через радиальные каналы сердечника статора. Схема циркуляции охлаждающего газа в современных  турбогенераторах осуществляется чаще всего по одному из двух вариантов: радиальная многоструйная, либо радиальная вытяжная одноструйная. [Турбогенераторы. Расчет и конструкция. Титов В.В., Хуторецкий Г.М. и др. - Л.: Энергия, 1967. - С.55   В турбогенераторах охлаждение обмотки ротора очень часто осуществляется газом из воздушного зазора с помощью системы «заборник-дефлектор» [Патент РФ  2284626. «Электрическая машина с газовым охлаждением»].

 

Для высокоскоростных турбогенераторов применение самовентиляции ограничено возможностью реализации необходимых  параметров вентилятора. При высокой частоте вращения ротора центробежный вентилятор будет иметь высокое значение гидравлического напора и, следовательно, высокие потери на вентиляцию. Таким образом, для быстроходных турбогенераторов необходима принудительная вентиляция.

 

Высокоскоростные турбогенераторы  с возбуждением от постоянных магнитов, как правило, имеют небольшую  величину воздушного зазора, поэтому  встречно-радиальную вентиляцию в принятой конструкции применить проблематично  из-за большого гидравлического сопротивления  зазора между ротором и статором. Таким образом, для быстроходных турбогенераторов логично выбрать  аксиальную принудительную систему  вентиляции.

 

Основной недостаток аксиальной системы вентиляции заключается  в том, что температура по оси  машины возрастает по пути прохождения  охлаждающего газа и, следовательно, аксиальная длина сердечника статора ограничивается неким предельным значением.

 

Известен генератор [Патент РФ 2303324 «Генератор электрического тока с разомкнутой системой газового охлаждения»] (прототип), состоящий  из корпуса статора, ротора и статора, внутри корпуса статора на концах пакета стали статора установлены  непроницаемые для газа перегородки, между которыми размещены перегородки  с отверстиями, на внешней поверхности  корпуса статора установлен коллектор  отвода газа, а на его концах установлены  коллекторы подачи газа.

 

Данное изобретение относится  к генераторам с радиальной системой вентиляции, эффективность которой  повышена с разделением потока газа перегородками, для аксиальной вентиляции данная конструкция не может быть использована.

 

Задачей изобретения является расширение сферы применения высокоскоростных синхронных генераторов, например, для  децентрализованной энергетики.

 

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в снижении температуры обмотки и сердечника статора и более равномерном  распределении температуры по длине  сердечника.

 

Указанный технический результат  достигается тем, что турбогенератор с системой газового охлаждения, содержащий корпус статора, передний и задний торцевые щиты, статор, ротор, непроницаемую  для газа перегородку, коллектор  для отвода газа и коллекторы для  подвода газа, дополнительно содержит, по крайней мере, один коллектор  для отвода газа, сердечник статора  выполнен с аксиальными каналами и установлен в корпусе статора, образуя каналы для прохода газа между внешней поверхностью сердечника статора и внутренней поверхностью корпуса, а непроницаемая для  газа перегородка установлена параллельно  оси вала турбогенератора, коллекторы для отвода газа установлены один на переднем торцевом щите, другой на заднем торцевом щите, а коллекторы для  подвода газа установлены на корпусе  статора, один со стороны заднего, а  другой со стороны переднего торцевого  щита. Предлагаемая конструкция позволяет  разделить объем охлаждающего газа на две части и направить образованные потоки в противоположных направлениях, чем достигается уменьшение вдвое  подогрева охлаждающего газа по длине  сердечника статора, а следовательно, и уменьшение максимальной температуры  обмотки статора.