Текст книги "История электротехники"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 31 (всего у книги 78 страниц) [доступный отрывок для чтения: 28 страниц]

^{Рис. 6.4. Испытательный стенд со сверхпроводниковым турбогенератором мощностью 20 MB∙А (в центре рисунка)} 

Первый генератор средней мощности (20 MB∙А) был создан во ВНИИэлектромаше в 1979 г. (рис. 6.4) [6.38]. Машина была подробно исследована и испытана на стенде института и при работе в Ленэнерго [6.39, 6.40]. Ротор имеет обмотку из ниобий-титанового сплава. Она охлаждается жидким гелием (4,2 К), который поступает внутрь ротора через неподвижную трубку в центральном отверстии вала. Возврат гелия в газообразном состоянии происходит также через вал. Для защиты сверхпроводящей обмотки от теплопритока из внешней среды ротор имеет три цилиндра, пространство между которыми вакуумировано.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы во Всесоюзном научно-исследовательском институте электромеханики (ВНИИЭМ) завершились созданием ряда сверхпроводниковых машин [6.35]. Первая машина имела мощность 600 Вт. Это был генератор со сверхпроводящей обмоткой возбуждения на статоре и трехфазной обмоткой на роторе. Следующей машиной был коллекторный электродвигатель мощностью 25 кВт, а далее генератор переменного тока мощностью 100 кВт со сверхпроводящим индуктором, криодвигатель переменного тока 200 кВт с неподвижным криостатом, модельные синхронные генераторы с вращающимся криостатом, уникальный синхронно-асинхронный двигатель с передачей вращающего момента без механических сочленений машин. Руководителем, организатором производства и соисполнителем исследований и разработок был Н.Н. Шереметьевский. Основным разработчиком сверхпроводящих индукторов являлся А.С. Веселовский, а якорей – A.M. Рубенраут.

Создателем синхронного сверхпроводникового неявнополюсного генератора мощностью 200 кВт на харьковском заводе «Электротяжмаш» был В.Г. Данько.

В Физико-техническом институте низких температур (ФТИНТ, г. Харьков) инициатором, организатором и научным руководителем всех работ в области использования явления сверхпроводимости был Б.И. Веркин [6.36]. Существенное значение для исследований, разработок и исполнения машин имели труды Ю.А. Кириченко, А.В. Погорелова и Г.В. Гаврилова.

Во ФТИНТ были созданы: криотурбогенератор мощностью 200 кВт с неподвижной обмоткой возбуждения и теплым вращающимся якорем, турбогенератор мощностью 2 и 3 МВт со сверхпроводниковыми роторами (совместно с объединением «Электросила»). Последние две машины создавались с участием специалистов объединения «Электросила» И.Ф. Филиппова и И.С. Житомирского. Большая работа проведена в области униполярных сверхпроводниковых машин: двигатель с якорем дискового типа мощностью 100 кВт, машина мощностью 150 кВт с цилиндрическим ротором, а затем двигатели мощностью 325 и 850 кВт.

Существенный вклад в теорию и методы расчета электрических машин с использованием явления сверхпроводимости внесли ученые Московского авиационного института А.И. Бертинов, Б.Л. Алиевский, Л.К. Ковалев и др. [6.37].

В генераторе 20 MB∙А внешний цилиндр ротора имеет комнатную температуру, внутренний – температуру жидкого гелия, а средний – 70 К. Обмотка образована рейстрековыми катушками разной ширины и находится при вращении в гелиевой ванне, образованной внутренним цилиндром и торцевыми частями. В связи с очень большой МДС отпадает необходимость в использовании для ротора стали. В этих условиях статор можно делать беспазовым, что увеличивает количество меди и мощность приблизительно в 2 раза. Для малой внешней магнитной индукции в статоре применяется ферромагнитный экран. Исследования, разработка методов расчета и технологических процессов, изготовление и испытания проводились под руководством и при непосредственном участии И.А. Глебова, Я.Б. Данилевича, А.А. Карымова, Л.И. Чубраевой и В.Н. Шахтарина.

И.А. Глебов был научным руководителем, Я.Б. Данилевич – главным конструктором, А.А. Карымов – автором новых методов механических расчетов, Л.И. Чубраева – специалистом, ответственным за изготовление статора и испытания сверхпроводникового турбогенератора в энергосистеме, В.Н. Шахтарин – специалистом, ответственным за разработку и изготовление ротора. Поскольку низкие температуры получаются с помощью криогенной техники, то творческое участие в разработках и испытаниях генератора мощностью 20 MB∙А специалистов НИИ «Гелиймаш» И.П. Вишнева, А.И. Краузе имело очень важное значение.

И.П. Вишнев осуществил разработку и руководство работами по созданию устройств криогенной техники, А.И. Краузе провел наладочные работы и испытания криогенных устройств. Особое значение имело их участие в работах по определению минимальной длительности захолаживания ротора, допустимой по условиям механической прочности его элементов.

Под руководством И.Ф. Филиппова как разработчика методов расчета теплофизических процессов и руководителя работ по созданию уникального криогенного стенда и Г.М. Хуторецкого как главного конструктора в объединении «Электросила» был создан сверхпроводниковый турбогенератор мощностью 300 МВт, и частотой вращения 3000 об/мин. Статор и ротор прошли успешные испытания при температуре жидкого азота. Однако недостаточная газоплотность наружного цилиндра не позволила иметь нужный вакуум и выйти на расчетный режим с жидким гелием.

Сверхпроводниковые турбогенераторы относятся к будущему поколению турбогенераторов. Работы в этом направлении ведутся в ряде стран.

США, государства Западной Европы и Япония имеют существенные успехи в области исследований и разработок сверхпроводниковых электрических машин. Наибольших успехов в области сверхпроводниковых турбогенераторов достигли Япония и США. В ФРГ были созданы основные элементы сверхпроводникового турбогенератора мощностью 800 MB∙А. В Японии имеется национальная программа с конечной задачей завоевания мирового рынка в области турбогенераторостроения на основе использования явления сверхпроводимости. В настоящее время в Японии в стадии изготовления находятся три сверхпроводниковых турбогенератора мощностью по 70 MB∙А каждый. К наибольшим достижениям в области униполярных сверхпроводниковых машин относятся результаты работы английской фирмы IRD (униполярный двигатель мощностью 2,42 МВт).

Проведенный выше обзор в области сверхпроводниковых машин, и в первую очередь турбогенераторов, показывает, что наша страна находится на передовых позициях в мире.

6.2.7. ГИДРОГЕНЕРАТОРЫ

Создателем первого трехфазного синхронного гидрогенератора мощностью 220 кВт и частотой вращения 150 об/мин в 1891 г. был М.О. Доливо-Добровольский. Генератор был изготовлен в Швейцарии и установлен на ГЭС в Лауфене; он имел горизонтальный вал и был сочленен с вертикальной гидротурбиной конической зубчатой передачей. В 1900 г. фирма ASEA (Швеция) изготовила шесть гидрогенераторов вертикального исполнения мощностью 200 кВ∙А каждый для ГЭС в г. Вестерос. В 1907 г. эта же фирма поставила в Норвегию самый крупный в мире в то время гидрогенератор мощностью 10 500 кВ∙А.

В СССР первая крупная работа по гидрогенераторам связана с Волховской ГЭС. Четыре гидрогенератора для этой станции под руководством А.Е. Алексеева, Р.А. Лютера и А.С. Шварца по собственным чертежам изготовлял завод «Электросила», параллельно шведская фирма ASEA выполняла четыре аналогичные машины. Мощность каждого генератора равнялась 8750 кВ∙А, наружный диаметр 10 м, масса 250 т. Это были первые машины такого класса в Европе. Наши машины оказались лучше шведских по КПД, нагреву и массе.

Следующим этапом в развитии гидрогенераторостроения явился выпуск гидрогенераторов для Нижнесвирской и Верхнесвирской ГЭС.

Особое значение для производства гидрогенераторов имел уникальный заказ для Днепровской ГЭС: пять машин выполнялись американской фирмой «Дженерал электрик», а четыре – заводом «Электросила». Мощность каждой машины 62 МВт, масса 825 т. Изготовление генераторов было завершено в 1933 г. Под руководством технического директора завода А.Е. Алексеева был произведен разгон первого сварного ротора гидрогенератора до двойной частоты вращения в специально построенном на заводе разгонном устройстве с бетонной ямой. При восстановлении Днепрогэса после войны три генератора были заказаны фирме «Дженерал электрик», а шесть – заводу «Электросила». Использование лучших материалов и технических решений позволило увеличить мощность генератора до 72 МВт.

В послевоенные годы интенсивное строительство ГЭС проводилось в европейской части страны. Особое значение для страны имел каскад Волжских ГЭС. Разработка гидрогенераторов на заводе «Электросила» велась под руководством А.С. Еремеева. В связи с интенсивным развитием гидроэнергетики началось производство машин на заводах «Уралэлектротяжмаш» (г. Свердловск, ныне Екатеринбург), «Сибэлектротяжмаш» (г. Новосибирск) и «Электротяжмаш» (г. Харьков). Здесь необходимо отметить большой творческий вклад главных конструкторов гидрогенераторов указанных заводов: К.Ф. Костина, В.П. Лошкарева («Уралэлектротяжмаш»), B.C. Кильдишева («Электротяжмаш»), А.С. Постникова и Е.Е. Фишкина («Сибэлектротяжмаш»).

Как известно, мощные гидрогенераторы имеют низкие номинальные частоты вращения, и поэтому они превосходят все другие машины по габаритам, массам вращающихся частей и вращающим моментам. Элементы и узлы машин выполняются на заводе, а сборка – на электростанции. Генераторы обычно имеют вертикальное исполнение. В зависимости от расположения подпятника они могут быть зонтичного и подвесного типов. Использование гидроресурсов сибирских рек привело к созданию наиболее мощных ГЭС в мире. К таким относятся Братская, Усть-Илимская, Красноярская и Саяно-Шушенская ГЭС, на которых работают гидрогенераторы мощностью соответственно 200, 500 и 640 МВт.

Обычно гидрогенераторы имеют воздушное охлаждение. Однако для машин большой мощности с целью уменьшения их размеров и масс применяется водяное охлаждение обмотки статора и форсированное воздушное охлаждение обмотки ротора. Впервые в мире (1965 г.) водяное охлаждение обмотки статора было применено на гидрогенераторах мощностью 500 МВт и частотой вращения 93,8 об/мин Красноярской ГЭС. В дальнейшем оно было использовано как в более мощных машинах (640 МВт, 142,8 об/мин, Саяно-Шушенская ГЭС), так и в менее мощных (300 МВт, 200 об/мин, Нурекская ГЭС).

Повышение плотности тока в обмотке статора в связи с водяным охлаждением приводит к необходимости увеличения плотности тока и в обмотке ротора. Для этого требуется интенсивное охлаждение последней, что достигается с помощью форсированного воздушного или водяного охлаждения. В системе форсированного воздушного охлаждения воздух омывает обе боковые поверхности и проходит поперек проводников обмотки. Для этого между сердечником и катушкой делается круговой зазор, куда воздух идет из обода. Из этого зазора воздух поступает через поперечные каналы в межполюсное пространство. Это дает возможность теплового расширения сердечника в процессе эксплуатации. Более совершенный сердечник и новое крепление лобовых частей позволили добиться уникального результата: максимальная вибрация (двойная амплитуда) лобовых частей при номинальном токе статора составила 40 мкм.

Экспериментальные исследования гидрогенераторов Саяно-Шушенской ГЭС, проведенные Г.В. Карповым, показали, что максимальная длительная мощность генератора равна не расчетной 711 MB∙А, а 820 MB∙А. Следует заметить, что крупнейшие в мире гидрогенераторы ГЭС Итайпу (Бразилия, Парагвай) имеют мощность 823,6 MB∙А. Эти машины созданы фирмами «Броун Бовери» и «Сименс». Таким образом, генераторы Саяно-Шушенской ГЭС относятся к самым мощным в мире гидрогенераторам (рис. 6.5).

^{Рис. 6.5. Макет гидрогенератора Саяно-Шушенской ГЭС} 

Разработка и производство гидрогенераторов для сибирских рек потребовали очень больших творческих усилий специалистов объединения «Электросила», работавших под руководством главного конструктора Н.П. Иванова, главного инженера П.М. Ипатова, конструкторов А.А. Дукштау и Ю.А. Дегусарова, а также руководителя расчетов Г.Б. Пинского.

Для применения более интенсивного охлаждения ротора ПО «Уралэлектротяжмаш» на Нурекской ГЭС последний, девятый генератор сделан с полностью водяным охлаждением. Здесь решающее значение имели совместные разработки машин главного конструктора В.П. Лошкарева, главных инженеров А.И. Казанцева и Ю.П. Глазкова.

В гидрогенераторах большой мощности (500 МВт и более) возникают очень большие электромагнитные силы. При обычных способах крепления частей появляются недопустимо высокие вибрации и повреждения обмоток. Такая аварийная ситуация произошла в 1969 г. на Красноярской ГЭС, когда от нагрузок до 300 МВт перешли к нагрузкам 400–500 МВт. Тогда еще не были ясны причины этой ситуации. На электростанции были собраны крупнейшие специалисты страны под руководством министра электротехнической промышленности А.К. Антонова. Причины аварий были найдены и определены пути их устранения. Они заключались в разработке новой системы крепления лобовых частей, улучшении системы водяного охлаждения и отказе от однослойной обмотки. В объединении «Электросила» были проведены исследования генератора, который являлся фактически натуральной моделью. На этой основе удалось найти технические и технологические решения, реализация которых на заводе и ГЭС позволила поднять уровень надежности гидрогенераторов.

К числу новых решений для улучшения вибрационных характеристик относится сборка сердечника статора на месте установки. Обычная конструкция статора из секторов создавала определенные трудности, связанные с их стыками. Поэтому сборка в кольцо была использована на самых мощных машинах – генераторах Саяно-Шушенской ГЭС.

Подпятник в гидрогенераторе является наиболее ответственным узлом. На протяжении десятилетий совершенствовались теория и расчет подпятников. Тем не менее этот узел очень труден для наладки и эксплуатации. В нашей стране и за рубежом применяются сегменты подпятника, состоящие из стальной основы и баббитового покрытия. Казалось, трудно было предложить что-то новое, более совершенное в этой хорошо освоенной области. И все-таки это оказалось возможным.

Крупным достижением отечественного гидрогенераторостроения явилось применение сегментов подпятника, облицованных фторопластом вместо баббита, которые разработал и внедрил Ю.Н. Байбородов. Сегмент такого типа, получивший название эластичного металлопластмассового (ЭМП) сегмента, состоит из стального основания и антифрикционного элемента. Антифрикционный элемент, образованный из опрессованной бронзовой проволоки с нанесенным на нее покрытием из фторопласта Ф4 толщиной 1,5–2,5 мм, припаивается к стальному основанию оловянным припоем. ЭМП сегменты характеризуются высокими противозадирными свойствами, при этом обеспечивается пуск без подачи масла под давлением. Генератор с такими сегментами может работать при самых малых скоростях. Удельное давление в подпятнике по данным испытаний на Братской ГЭС может быть доведено до 10 МПа. В настоящее время все гидрогенераторы страны выпускаются с такими подпятниками.

Следует обратить внимание еще на один этап в развитии гидрогенераторостроения. Для обеспечения необходимого уровня устойчивости работы дальних электропередач (от Волги до Москвы) потребовалось уменьшение индуктивных сопротивлений. Так как активный объем машины обратно пропорционален корню квадратному из синхронного сопротивления обмотки якоря, то гидрогенераторы были сделаны с повышенными массами. В дальнейшем работы ВНИИэлектромаша (И.А. Глебов, В.Е. Каштелян, Н.С. Сирый) и других организаций показали, что проблема устойчивости решается с помощью быстродействующей системы возбуждения, имеющей повышенную кратность форсирования и автоматическое регулирование возбуждения (АРВ) сильного действия. Поэтому при сооружении ГЭС на сибирских реках гидрогенераторы выполнялись не с уменьшенными, а с нормальными параметрами, не требующими увеличения массогабаритных показателей.

Гидрогенераторы вертикального исполнения для гидроаккумулирующих электростанций работают как в генераторном, так и в двигательном режимах. В последнем случае возникает проблема их пуска. Существует несколько способов. Один из них – использование преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Частота изменяется от нулевой до промышленной. Такой преобразователь мощностью 10 МВт был выполнен во ВНИИэлектромаше (В.Н. Левин) и поставлен на Загорскую ГАЭС для пуска агрегатов 200 МВт.

Гидрогенераторы с горизонтальным валом применяются в быстроходных агрегатах с ковшовыми турбинами на горных реках с большими напорами, в капсульных агрегатах и для малых ГЭС (МГЭС).

Я.Б. Данилевич (ВНИИэлектромаш) разработал, а тираспольский завод «Электромашина» изготовил два образца гидрогенераторов горизонтального типа для Эшкаконской МГЭС и вертикального типа для Курской МГЭС. Первый генератор имел мощность 750 кВ∙А, напряжение 6,3 кВ и коэффициент мощности 0,8, номинальную частоту вращения 1000 об/мин и угонную 2000 об/мин. Ротор неявнополюсного исполнения, его сердечник собран из листовой электротехнической стали. На валу машины с одной стороны консольно насажено рабочее колесо радиально-осевой турбины, с другой – маховик для обеспечения устойчивой параллельной работы машины и для устранения гидроудара в трубопроводе в связи с быстрым закрытием направляющего аппарата турбины. Демпферная обмотка образована медными полосами под клиньями пазов, замкнутыми в зоне лобовых частей. Клинья обмотки статора – магнитные. Второй генератор характеризовался следующими показателями: мощность 625 кВ∙А, напряжение 6,3 кВ, коэффициент мощности 0,8, номинальная частота вращения 428,6 об/мин, угонная 1070 об/мин. Генератор соединен с поворотно-лопастной турбиной. В полюсных наконечниках уложена замкнутая продольно-поперечная демпферная система.

К самым крупным зарубежным достижениям в области гидрогенераторостроения относится создание фирмой ABB машин для гидроэлектростанции Итайпу мощностью в единице 824 MB∙А, частотой вращения 90,9 об/мин, 60 Гц.

К отдельному виду гидрогенераторов относятся асинхронизированные машины. В сущности, это машины двойного питания. Частота вращения ротора может быть меньше или больше синхронной в зависимости от направления вращения его собственного магнитного поля. Первый гидрогенератор такого типа мощностью 40 МВт и частотой вращения 136,4 об/мин был предложен в нашей стране М.М. Ботвинником и введен в эксплуатацию на Иовской ГЭС в 1962 г. Он отличается от обычного тем, что имеет неявнополюсный ротор с двумя симметричными распределенными обмотками волнового типа, смещенными на 90°. В отличие от обычного генератора асинхронизированный может иметь несинхронную частоту вращения, определяемую частотой двухфазного преобразователя и задаваемую автоматическим регулятором. При коротких замыканиях машина переходит на работу с другим скольжением относительно синхронного магнитного поля. Наряду с преимуществами режимного плана есть и недостатки: несколько большие размеры, стоимость, а также необходимость выемки ротора при ремонте.

Асинхронизированные машины другого типа – турбогенераторы мощностью 200 МВт были созданы на заводе «Электротяжмаш» (г. Харьков).

В последние годы выявилась возможность повышения КПД гидроагрегата за счет работы в зоне максимального КПД по универсальной характеристике при различных частотах вращения в зависимости от напора. Такая возможность особенно важна для низконапорных ГЭС при суточном регулировании, а также для гидроаккумулирующих электростанций.

К числу оригинальных решений гидрогенераторов относятся высоковольтные машины. Под руководством А.В. Иванова-Смоленского был разработан гидрогенератор мощностью 14,5 МВт, напряжением 121 кВ, изготовленный заводом «Уралэлектротяжмаш» и установленный на Сходненской ГЭС, где он прошел испытания. Накопленный опыт позволил внести ряд конструктивных усовершенствований и разработать проект гидрогенератора мощностью 103,5 МВт, напряжением 165 кВ для Днепровской ГЭС-2. К сожалению, этот интересный проект не получил реализации из-за неподготовленности производства, особенно высоковольтных обмоток.

6.2.8. СИНХРОННЫЕ КОМПЕНСАТОРЫ

Повышение коэффициента мощности в системах электропотребления достигается установкой конденсаторных батарей и применением синхронных двигателей в режиме генерации реактивной мощности. По мере развития энергетических систем наряду с синхронными двигателями стали применяться синхронные машины без активной нагрузки на валу, т.е. лишь для выработки реактивной мощности. Такие машины получили название синхронных компенсаторов. За счет выдачи и потребления реактивной мощности синхронные компенсаторы способствуют поддержанию напряжения в местах их подключения. Сначала синхронные компенсаторы выполнялись с воздушным охлаждением, а затем для более мощных машин был сделан переход на водородное охлаждение.

Применение синхронных компенсаторов позволяет снизить потери электроэнергии в линиях электропередачи. Для этого необходимо уменьшать передаваемую через линию реактивную мощность за счет источников такой мощности на приемном конце. Такими источниками в нашей стране и за рубежом стали синхронные компенсаторы. Наибольших успехов в создании таких машин добился завод «Уралэлектротяжмаш» и его главный конструктор по синхронным компенсаторам В.З. Пекне. Установленная мощность синхронных компенсаторов достигала 20–30% мощности линий. Наиболее мощные синхронные компенсаторы в нашей стране были: 1940 г. – 30 MB∙А, 1956 г. – 75 MB∙А, 1963 г. – 100 MB∙А и 1969 г. – 160 MB∙А.

Применение водородного охлаждения привело к снижению вентиляционных потерь на 25–35% с одновременным увеличением мощности в тех же габаритах. С точки зрения стоимости строительства решающее значение имел переход на наружную установку компенсаторов. Расчетно-теоретические исследования показали целесообразность использования частоты вращения 750 об/мин и применения явно-полюсной конструкции. Пуск компенсаторов осуществляется от сети через реактор.

Возбуждение компенсаторов осуществлялось от генераторов постоянного тока, сочлененных с асинхронными короткозамкнутыми двигателями и маховиками. Агрегат размещался в здании подстанции и был связан с компенсатором кабелями.

В 60-х годах для повышения эффективности действия синхронных компенсаторов вместо электромашинных возбудителей впервые в мире у нас в стране стали применять системы возбуждения с ртутными выпрямителями, получившие название ионных систем возбуждения. Однако радикальное упрощение системы возбуждения было достигнуто после освоения мощных кремниевых диодов и создания на их основе бесщеточных возбудителей. Такие возбудители, состоящие из обращенной синхронной машины и вращающегося выпрямителя, удалось разместить в объеме щеточно-контактно го аппарата. Разработка бесщеточных систем возбуждения была выполнена В.З. Пекне, В.Ф. Федоровым и В.К. Воробьем.

В 90-е годы получили развитие статические тиристорные компенсаторы. Их преимущество состоит в меньших потерях по сравнению с электромашинными компенсаторами, а недостаток – в несинусоидальности напряжения. Пока количество статических компенсаторов мало, поэтому в эксплуатации по-прежнему остаются синхронные компенсаторы.

Использование явления сверхпроводимости в электротехнике привело к разработке сверхпроводникового синхронного компенсатора. Его преимуществами являются: малые потери, синусоидальная кривая напряжения, низкое индуктивное сопротивление и возможность создания машин большой мощности. Испытание сверхпроводниковой машины в режиме синхронного компенсатора было проведено при мощности 20 MB∙А на стенде ВНИИэлектромаша. Особенно перспективны такие компенсаторы в случае использования высокотемпературных сверхпроводников (на уровне температуры жидкого азота). Разработка таких компенсаторов выполнена под руководством Л.И. Чубраевой. Следует заметить, что в связи с беспазовой конструкцией статора имеется возможность выполнения обмотки статора на напряжение 110 – 220 кВ. Наши работы вызвали большой интерес в зарубежных странах, в частности в Японии и США. В Японии проблема разработки сверхпроводниковых синхронных компенсаторов входит в государственную программу создания сверхпроводниковых электрических машин, а в США в последнее время образована фирма по производству компенсаторов, основанных на применении высокотемпературных сверхпроводников.