Эксплуатация генераторов - Сверхпроводниковые турбогенераторы

Предельные диаметры ротора по условиям механической прочности стальной поковки и его длины по допустимым уровням вибраций привели к необходимости использовать все более интенсивные способы охлаждения. В качестве хладоагентов использовались воздух, водород и вода. Стремление к дальнейшему увеличению КПД и уменьшению удельных весовых показателей генераторов приводит к наиболее эффективному хладоагенту - криогенным жидкостям (жидкие гелий и азот).
Общее количество выполненных и проектируемых сверхпроводниковых ТГ и синхронных компенсаторов в мире составляет около 40 единиц в диапазоне мощностей от 0,01 до 1000 MBA.
Многие конструктивные элементы и узлы обычных генераторов сохраняются и для сверхпроводниковых машин. К ним, в частности, относятся: корпус, торцевые щиты, подшипники и система циркуляции масла, щеточно-контактный аппарат, высоковольтные вводы, автоматические регуляторы возбуждения, аппаратура защиты и управления и др. Кроме того, используются многие технологические процессы, успешно применяемые при производстве ТГ традиционного исполнения.
Однако активная зона сверхпроводниковых ТГ имеет большие отличия от генераторов традиционного исполнения. Это обусловлено:
высокой плотностью тока в сверхпроводящей обмотке ротора, при которой отпадает необходимость в использовании ферромагнитных материалов для уменьшения магнитного сопротивления;
вакуумной тепловой защитой криогенной зоны с расположенной в ней сверхпроводящей обмоткой и системой подвода криоагента;
возможностью иметь бес пазовую конструкцию обмотки статора, что приводит к радикальному повышению мощности;
наличием внешнего экрана для сведения к минимуму магнитных полей в пространстве, окружающем генератор.
Конструкция ротора сверхпроводникового ТГ должна отвечать противоречивым требованиям: осуществлять передачу вращающего момента через элементы низкотемпературной зоны; компенсировать тепловые деформации, возникающие при захолаживании и отеплении в процессе работы машины; обеспечивать минимальные теплопритоки к криогенной зоне и поддерживать вакуум.
Криогенная зона со сверхпроводящей обмоткой возбуждения со всех сторон окружена вакуумной изоляцией, В отечественных машинах вакуумные полости не заварены полностью, поэтому окончательно герметизируются с помощью специальных кольцевых уплотнений, что облегчает разборку ротора при необходимости ремонтных работ.
В генераторе немецкой фирмы центральная часть с обмоткой и гелиевой ванной отделена от остальной части ротора вакуумноплотными сварными швами. Вакуумирование достигается за счет постоянной откачки вакуума с помощью насоса. Данная система рассчитана на непрерывную работу ТГ в течение нескольких лет без внеплановых отключений от сети.
Потери в роторе сверхпроводникового ТГ существенно меньше, чем в машине традиционной конструкции, за счет уменьшения механических потерь и отсутствия потерь в обмотке возбуждения на постоянном токе. Потери в статоре несколько ниже, в основном за счет пониженных потерь в наружном экране из ферромагнитного материала.
Обмотка статора может быть традиционной и нетрадиционной геометрии. Особенностью традиционной петлевой обмотки является увеличенная длина лобовых частей, что обусловлено повышенным заполнением активной зоны медью. Такие обмотки применены в созданных сверхпроводниковых ТГ.
Обмотки нетрадиционной геометрии (спиральные, седлообразные и др.) уменьшают время изготовления обмотки и статора в целом, потому что можно параллельно с обмоткой выполнять корпус с ферромагнитным экраном.
Для охлаждения статора применяется система непосредственного масляного охлаждения, аналогичная серии ТВМ.
Достижения в области создания сверхпроводников на переменном токе промышленной частоты делают возможной разработку полностью сверхпроводниковых генераторов. Исследования показывают, что предпочтительнее конструкции с единым криостатом, в которой низкотемпературные зоны ротора и статора разделены на промежуточном температурном уровне.
По режимам работы в энергосистеме сверхпроводниковые ТГ делятся на машины с медленной и высокой скоростью регулирования возбуждения. К первой группе относятся генераторы средней мощности, работающие на небольшом расстоянии от потребителя. Ко второй - ТГ большой мощности, способные быстро реагировать на изменение нагрузки.
Преимущества сверхпроводниковых машин станут еще более существенными при переходе от низкотемпературных сверхпроводников к высокотемпературным и увеличении рабочих температур до 77 К. Это будет связано с упрощением конструкции ротора за счет упрощения вакуумной изоляции, более высокого температурного запаса для обмотки возбуждения, а также преимуществами, обусловленными применением азота как хладоагента и изоляционной среды.