Нормальный режим.
Работа генератора при номинальных данных называется нормальным режимом и может продолжаться сколь угодно длительное время. При нормальном режиме генератор должен развивать номинальную мощность при номинальных напряжении и cosφ, при этом нагрев обмоток и стали статора и ротора не должен превышать допустимых значений.
При увеличении напряжения генератора потери в стали статора возрастают в квадратичной зависимости, и для сохранения температуры обмоток статора в допустимых пределах потери в меди, а следовательно, ток статора и мощность генератора должны быть уменьшены. При снижении же напряжения против номинального при той же мощности будет увеличиваться ток статора. Следовательно, для сохранения температуры обмоток статора мощность генератора должна быть уменьшена. Согласно ПТЭ допускается работа турбогенераторов с отклонением напряжения в пределах ±5% номинального.
Работа генератора на сеть с cos φ меньше номинального приводит к недоиспользованию мощности как первичного двигателя (паровой турбины), так и генератора. Это Происходит потому, что при большом угле сдвига фаз между напряжением и током (малом cos φ) резко увеличивается рассеяние магнитного потока, для компенсации которого необходимо усиливать возбуждение. Но обмотка ротора, рассчитанная иа работу при номинальном cosφ, этого делать не позволяет по условиям ее нагрева. Так, например, у турбогенератора мощностью 30 МВт с Uн=10,5 кВ и cosφ=0,8 при его работе иа нагрузку с cosφ=0,6 снижение полной мощности генератора составляет 14%, а мощность турбины будет недоиспользована на 22%.
Для обеспечения нормального режима работы генераторов необходимо во время эксплуатации вести контроль за основными параметрами генераторов. Контроль за работой генераторов производится по приборам и устройствам, которые должны измерять следующие параметры: ток и напряжение статора и ротора, активную и реактивную мощность, сопротивление изоляции цепей, возбуждения и подшипников, температуру обмотки и стали статора, подшипников и охлаждающей среды на входе и выходе, давление и чистоту водорода в корпусе, давление и температуру масла водородных уплотнений. У генераторов мощностью 12 МВт и выше контролируется также несимметрия токов статора.
Ненормальные режимы.
В процессе эксплуатации синхронным генераторам приходится иногда работать в особых ненормальных режимах или испытывать их воздействие при авариях в энергосистеме, нарушениях целостности электрических цепей статора и ротора самого генератора и в других случаях. Ниже будут кратко рассмотрены некоторые наиболее характерные из этих режимов, в частности кратковременные аварийные перегрузки генератора, асинхронный и несимметричный режимы и режим короткого замыкания генератора.
При авариях в энергосистеме или на самой станции (отключение генератора, ВЛ и т. д.) допускается кратковременная перегрузка генератора согласно табл. 2-3 [7].
Перегрузка по току ротора генераторов с косвенным охлаждением обмоток определяется допустимой перегрузкой статора, а для турбогенераторов с непосредственным водородным охлаждением обмотки ротора допускается следующей:
Асинхронный режим.
Известно, что при нормальном режиме магнитный поток статора вращается синхронно с ротором. Режим, при котором нарушается синхронность вращения ротора, называется асинхронным. Этот режим возможен как при потере возбуждения (нарушение цепей возбуждения, повреждение возбудителя и т. д.), так и при наличии его. Переход генератора в асинхронный режим с потерей возбуждения можно определить по резкому снижению активной нагрузки и одновременному увеличению тока статора, причем последний колеблется в значительных пределах. Колеблется также напряжение на роторе. Турбогенераторы с поверхностным охлаждением допускают работу без возбуждения в течение 30 мни с нагрузкой, при которой ток статора не превышает 0,6 Iн, а турбогенераторы с внутренним охлаждением — с нагрузкой, определенной специальными испытаниями.
Работа генератора в асинхронном режиме при наличии возбуждения возможна вследствие выпадения его из синхронизма при переходных процессах и сопровождается большими колебаниями тока и момента. В этом случае, если генератор долго не втягивается в синхронизм, его следует разгрузить и тем самым создать условия для его синхронизации.
Несимметричный режим может возникнуть в результате обрыва или отключения одной из фаз линии электропередачи, включения мощных однофазных плавильных печей или других причин. В результате несимметрии появляется магнитное поле, вращающееся навстречу основному потоку машины, т. е. относительно ротора с двойной частотой, и наводит в последнем переменные токи двойной частоты (100 Гц). Эти токи дополнительно нагревают металлические части ротора и могут иногда вызвать недопустимую вибрацию ротора. Поэтому ПТЭ разрешают длительную работу турбогенераторов с номинальной мощностью при несимметрии фазных токов в статоре, не превышающей 10% номинального значения. В отдельных случаях можно допускать большую несимметрию, но при этом нагрузка генератора должна быть снижена.
Режим короткого замыкания генератора может возникнуть как при к. з. во внешней сети, так и внутри генератора (витковое или междуфазное замыкание). При этом сопротивление короткозамкнутой цепи резко уменьшается, а ток в статоре возрастает в несколько раз. В последующие моменты в результате размагничивающего действия потока статора происходит некоторое снижение тока к. з., ио затем после начала работы форсировки возбуждения и устройства АРВ ток к. з. снова повышается до некоторого установившегося значения. Действие форсировки возбуждения и АРВ влечет за собой значительное увеличение тока возбуждения в роторе генератора и дополнительный нагрев его обмотки. При форсировке возбуждения ток ротора, превышающий номинальный ток в 2 раза, для генераторов с косвенным охлаждением допускается не более 60 с, для генераторов типа ТВФ — не более 30 с и для генераторов типов ТВВ и ТГВ — не более 20 с.
Паразитные токи в валах и подшипниках генераторов.
При работе ге нератора между концами вала ротора возникает э. д. с., которая может вызывать прохождение больших токов через подшипники и металлическую фундаментную плиту. Эти токи могут повредить шейки вала и вкладыши подшипников, а у паровой турбины — червячную пару. Возникновение указанной э. д. с. обусловлено несимметрией магнитного сопротивления на пути основного магнитного потока генератора, наличием витковых замыканий ротора и т. п.
Чтобы не допустить прохождения паразитных токов через подшипники, под одним стулом подшипника генератора, обычно со стороны возбудителя, устанавливают изоляционную прокладку (рис. 2-12). Одновременно принимаются меры для изоляции стульев подшипников возбудителя и маслопроводов к подшипникам. Для того чтобы избежать возможных повреждений подшипников, периодически следят за состоянием изоляции последних путем измерения напряжения по концам вала (показание вольтметра U1) и между изолированной опорой подшипника и фундаментной плитой U2. На остановленном генераторе контроль изоляции производится мегаомметром.
Рис. 2-12. Измерение подстуловой изоляции подшипников во время работы турбогенераторов.
U1 — напряжение по концам вала; U2 — напряжение между изоляционной опорой подшипника н фундаментной плитой; П — перемычка.
Иногда на валу генератора появляются заряды, обусловливаемые электростатическим зарядом ротора турбины паром (особенно при большой его влажности). Эти заряды снимаются с вала турбины при помощи заземленной щетки, устанавливаемой со стороны переднего подшипника.
Пожары в генераторах.
Во время эксплуатации генераторов в результате нарушения изоляции обмоток могут возникать пожары. Причинами их являются витковые замыкания в обмотке статора, междуфазные замыкания в нем, нарушения контакта в местах паек и т. п.
При возникновении пожара в генераторе с воздушным охлаждением следует немедленно выбить автомат безопасности турбины со срывом вакуума, отключить генератор от сети, погасить магнитное поле и быстро подать в генератор воду. Очаг разрушения при тушении водой по сравнению с тушением другими средствами (паром, углекислотой) получается наименьшим. Для этого в зоне лобовых частей обмотки статора устанавливаются специальные приспособления для подачи воды в генератор.
В генераторах с водородным охлаждением горение поддерживаться не будет, и поэтому противопожарными устройствами они не оборудуются. В случае пожара снаружи генератора тушение производится углекислотными установками, а после снятия напряжения также и водой.
Довольно часто в процессе работы турбогенератора наблюдается искрение щеток как на контактных кольцах ротора, так и на коллекторе возбудителя. Основными причинами искрения щеток на контактных кольцах могут быть: бой колец из-за неравномерной выработки, плохая прошлифовка щеток, загрязнение контактных колец и щеток, слабое прижатие щеток к контактным кольцам, установка щеток не той марки и т. п. Причинами искрения щеток на коллекторе возбудителя, кроме вышеуказанных, являются: установка щеток не по нейтрали, слабое закрепление щеточного аппарата и, как следствие, его вибрация, не выдержано расстояние между щетками отдельных брекетов по окружности коллектора, неправильная установка щеткодержателей, несимметрия магнитной системы, бой коллектора и т. д. Для ликвидации искрений щеток необходимо устранить вышеуказанные причины [6].
Вопросы для повторения.
- Перечислите номинальные параметры турбогенераторов. Что называется номинальным напряжением и номинальной мощностью генератора?
- Каковы допускаемые температуры нагрева отдельных частей генератора?
- Какая разница между поверхностным и непосредственным (внутренним) охлаждением генераторов?
- Каковы преимущества водородного охлаждения перед воздушным? Расскажите порядок перехода с водородного охлаждения на воздушное и обратно.
- Какие системы охлаждения применяются на современных мощных турбогенераторах и как они влияют на номинальные мощности?
- Для чего применяется релейная форсировка возбуждения и на каких генераторах она устанавливается?
- Для каких целей применяются АГП и каких типов они бывают?
- Что называется синхронизацией генераторов и каковы ее условия?
- Каким образом регулируются и контролируются частота и напряжение при точной синхронизации?
- В чем принципиальное отличие способа самосинхронизации от точной синхронизации и каковы его преимущества и недостатки?
- Каким образом регулируются активная и реактивная нагрузки турбогенераторов?
- В чем заключается асинхронный режим генератора, как его можно определить и каково допустимое время работы при нем?
- Назовите допустимую несимметрию по току статора и последствия для генераторов от большой несимметрии.
- Отчего появляются паразитные токи в валах и подшипниках генераторов и как с ними надо бороться?
- Каковы причины возникновения пожара и как он тушится в генераторах с воздушным и водородным охлаждением?
- В результате каких причин может возникнуть вибрация ротора и как она влияет на работу генератора?
- Каковы причины искрения щеток на кольцах ротора и на коллекторе возбудителя?
