При работе ГГ выделяется теплота, представляющая потери, которые возникают при взаимных превращениях механической и электрической энергии. В общем случае к этим потерям относятся джоулевы потери в проводниках, потери на вихревые токи и перемагничивание в магнитных и проводящих массах, потери на трение вращающихся частей и в подшипниках и потери на циркуляцию охлаждающей среды. Все эти потери являются причиной нагревания активных и конструктивных частей генераторов.
Допустимые температуры нагрева, например, обмоток статора и ротора зависят в первую очередь от применяемых изоляционных материалов и температуры охлаждающей среды. Для изоляции класса В допустимая температура нагрева обмотки статора должна находиться в пределах 105, а ротора 130°С. При более теплостойкой изоляции обмоток, например классов F и Н, пределы допустимой температуры нагрева увеличиваются.
В процессе эксплуатации генераторов изоляция обмоток постепенно стареет. Причиной этого являются загрязнение, увлажнение, окисление кислородом воздуха, воздействие электрического поля и электрических нагрузок и т. д. Однако главной причиной старения является ее нагрев. Чем выше температура нагрева изоляции, тем быстрее она изнашивается, тем меньше срок службы Срок службы изоляции класса В при температуре нагрева до 120°С составляет около 15 лет, при нагреве до 140°С - сокращается почти до 2 лет. Та же изоляция при температуре нагрева 105°С стареет значительно медленнее, и срок службы ее увеличивается до 30 лет Поэтому во время эксплуатации при любых режимах работы генератора нельзя допускать нагрева его обмоток свыше допустимых температур. Для того чтобы температура нагрева - не превышала допустимых значений, все генераторы выполняют с искусственным охлаждением.
Большинство ГГ охлаждается воздухом, причем в средних к крупных ГГ применяется система косвенного воздушно-водяного охлаждения с замкнутым циклом вентиляции. Воздух циркулирующий через машину, проходит затем через водяные воздухоохладители, где охлаждается проточной водой, и вновь поступает в машину (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Замкнутая система охлаждения гидрогенератора;
1 - корпус статора; 2 - сердечник статора; 3 - воздухоохладитель; 4 - обмотка статора; 5 - полюс ротора; 6 -тормоз; 7 - обод ротора; 8 - остов ротора; 9 - верхняя крестовина; 10 - опора статора; 11 - движение охлаждающего воздуха
Замкнутая система вентиляции обеспечивает чистоту воздуха и предотвращает засорение отдельных каналов (в первую очередь вентиляционных каналов статора).
На практике часто применяется частично разомкнутый цикл вентиляции с выпуском горячего воздуха из генератора в машинный зал ГЭС для его обогрева; при этом используется около 20 % расхода воздуха, проходящего через воздухоохладители. Отбор горячего воздуха из ГГ допускается при условии, что исключено засорение машины и предусмотрена подпитка ее чистым свежим воздухом.
В ГГ малой мощности применяется также разомкнутая: система вентиляции, когда воздух, пройдя очистительные фильтры, поступает в закрытую машину, охлаждает ее и затем выбрасывается наружу.
Независимо от мощности в ГГ реализуется принцип автономности системы охлаждения: ротор служит вентилятором, а мощность, затрачиваемая на циркуляцию воздуха, поступает непосредственно с вала гидроагрегата.
По способу подачи воздуха различают радиальные, осевые или аксиальные и радиально-осевые схемы самовентиляции.
При радиальной системе вентиляции воздух поступает в звезду ротора (обычно двумя потоками - сверху и снизу) и под действием избыточного давления, создаваемого вращающимся ротором, проходит через каналы в ободе ротора, промежутки между полюсами воздушный зазор, каналы сердечника статора, выходит в корпус статора и через отверстия в корпусе - в охладители. Пройдя охладители, воздух по каналам в фундаменте и между лапами верхней крестовины вновь поступает в генератор (рис 1.8). Часть воздуха, минуя ротор, направляется в камеры лобовых частей, откуда частично проходит в каналы статора, частично - на тело статора Во избежание обратного перетекания воздуха из камер лобовых частей за вентилятор ставятся воздухоразделяющие щиты. Обычно применяются центробежные вентиляторы.
Рис. 1.8 Радиальная схема вентиляции
В последние годы получила развитие схема вентиляции с использованием давления, развиваемого спицами в торцевых зонах.
При чисто аксиальной системе вентиляции воздух поступает в генератор с одной стороны, проходит по нескольким параллельным ветвям - между полюсами, в воздушном зазоре, по продольным каналам и за телом сердечника статора, после чего выходит с другой стороны машины.
При смешанной радиально-аксиальной вентиляции воздух поступает в генератор сверху и снизу и с помощью пропеллерных (осевых) вентиляторов, расположенных на горцах обода ротора, направляется в межполюсное пространство и распределяется по радиальным каналам сердечника статора (рис. 1.9).
Рис. 1.9. Радиально-аксиальная схема вентиляции
Простота и надежность системы само вентиляции используются до тех пор, пока напор, развиваемый ротором, оказывается достаточным для обеспечения нужного расхода воздуха или пока требования повышения энергетических показателей не вынуждают перейти к более интенсивным системам непосредственного и форсированного охлаждения.
В настоящее время реализованы конструктивные схемы непосредственного водяного охлаждения всех основных элементов, в которых выделяются значительные потери: обмоток статора и возбуждения, шинопроводов, сердечников статора и полюсов ротора, демпферной системы. Одни схемы получили широкое распространение, другие применяются ограниченно.
Так, стержень обмотки статора с непосредственным водяным охлажденном выполняется в виде комбинации чередующихся в определенном порядке сплошных и полых изолированных проводников. При этом охлаждающая среда соприкасается непосредственно с медью обмоток, благодаря чему основную часть тепла, выделяемого в меди, отводят, минуя изоляцию и сталь.
Гидравлическая схема обмотки статора достаточно сложна, гидравлические соединения выполняются в соответствии с электрической схемой обмотки, с тем чтобы стержни каждой цепи по ходу воды принадлежали одной параллельной ветви фазы обмотки и находились под максимально близкими потенциалами. В процессе изготовления и эксплуатации обмотка и ее части подвергаются испытаниям на герметичность, прочность и проходимость.
Внешняя система циркуляции воды - дистиллята включает в себя водяные насосы, теплообменники, фильтры механической очистки, магнитные фильтры, ионно-обменный фильтр, водяной бак, регулятор температуры, контрольно-измерительную аппаратуру, средства защиты и сигнализации.
При эксплуатации ГГ с непосредственным водяным охлаждением обмотки статора особое внимание обращается на элементы конструкции водяного тракта обмотки и параметры системы водяного охлаждения.
Циркуляция дистиллята не прекращается во время нахождения ГГ в резерве во избежание окисления внутренней поверхности полых проводников и образования на ней отложений.
Во многих случаях применяются системы охлаждения смешанного типа, в которых для напряженных в тепловом отношении элементов используется непосредственное водяное охлаждение, для других - воздушное. Например, в ГГ Красноярской ГЭС обмотки и шины статора охлаждаются непосредственно водой, обмотки возбуждения имеют форсированное воздушное охлаждение, причем форсирование охлаждения достигается выполнением поперечных каналов в витках катушек полюсов. Остальные элементы конструкции имеют традиционное косвенное воздушное охлаждение.
