Постников И.М. ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЙ СИНХРОННЫХ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ С ДВУХОСНОЙ ОБМОТКОЙ ВОЗБУЖДЕНИЯ
Синхронные турбогенераторы традиционных конструкций достигли высоких технико-экономических показателей. Построены СТГ-800, 1200 МВт, 3000 об/мин. Проектируются машины до 2000 МВт. Благодаря развитию систем регулирования возбуждения, обеспечивается их статическая и динамическая устойчивость. Конструктивные усовершенствования системы охлаждения и бесщеточная подача в ротор тока возбуждения повышает надежность эксплуатации. Однако с увеличением мощности машины появляются существенные недостатки традиционной конструкции СТГ: снижение уровня устойчивости вследствие роста относительных параметров; возможность возникновения вынужденного асинхронного режима может приводить к недопустимым колебаниям тока и скольжения и к серьезным аварийным отказам; несимметричная одноосная система возбуждения при колебаниях нагрузки приводит к значительным колебаниям ротора, вызывающим колебания роторов параллельно работающих машин ; при максимуме нагрузки СТГ используется как источник реактивной мощности, что экономически нецелесообразно вследствие повышенных потерь в ЛЭП, а при минимуме нагрузки СТГ не имеет достаточной возможности потребления реактивной мощности вследствие уменьшения устойчивости (это положение приводит к необходимости установки реакторов); при одноосной обмотке возбуждения вследствие искажения формы кривой поля в особенности при больших углах нагрузки возникают повышенные потери в зубцах статора из-за возрастания высших гармоник и насыщения от потока рассеяния ротора (эти потери обычно рассчитываются без учета насыщения, что дает сильное приуменьшение в особенности в машинах предельных мощностей), возрастают также концевые потери статора; несимметричное расположение массы ротора приводит к дополнительным механическим вибрациям ротора и бандажа.
Особенно существенным недостатком СТГ является аварийный характер асинхронного режима, в особенности возможность выпадения из синхронизма при подключенном возбуждении и при форсировке возбуждения. В частности, для условий атомной электростанции (АЭС) этот недостаток является особо серьезным. Другим серьезным недостатком является невозможность режима работы при потреблении реактивной мощности достаточной величины.
Расчеты и опыты на модельных машинах, работа над техническим проектом АСТГ-200 показывают, что в синхронном турбогенераторе с двухосной обмоткой ротора (СТГ-2В) даже с традиционной диодной или машинной системой возбуждения приведенные выше недостатки турбогенератора с одноосной обмоткой ротора (СТГ-1В) устраняются:
- Статическая и динамическая устойчивость получается более точной.
- При выпадении из синхронизма вследствие аварийного отказа системы возбуждения при коротком замыкании обмоток возбуждения колебание тока и скольжения не возникают и допустим длительный асинхронный режим при 65%-ной активной мощности (в случае снятия ограничения до нагреву торцевых эон сердечника статора, что оказывается возможным).
- При двухосной обмотке ротора значительно уменьшаются колебания угла мощности при колебаниях нагрузки благодаря появлению асинхронного момента большой величины.
- Номинальная мощность турбогенератора с двухосной обмоткой ротора в перспективе может быть рассчитана на малую величину выдачи реактивной мощности. Коэффициент мощности повышается до 0,95-0,97. При этом снижается относительная величина переходной реактивности и снижаются потери в статоре генератора и в ЛЭП. Но при необходимости можно получить высокие технико-экономические показатели и при сosφ=0,9. Турбогенератор с двухосной обмоткой рассчитан на значительную величину потребления реактивной мощности в случаях минимума нагрузки ЛЭП. При этом появляется возможность значительной экономии на установленных реакторах и на уменьшении потерь в обмотках статора.
- В СТГ-2В получается меньшая, чем в СТГ-ΙΒ, величина потока рассеяния в роторе и более благоприятная форма кривой поля возбуждения и, как следствие, уменьшение потерь в зубцах статора, уменьшение концевых потерь и уменьшение потерь возбуждения. Необходимо отметить благоприятное влияние насыщения на свойства машин с двухосным возбуждением.
- Симметричная конструкция ротора должна привести к меньшим вибрациям ротора.
- При двухосной обмотке ротора возможно оптимальное регулирование тока возбуждения в осях К и при обычной системе возбуждения. При нереверсивной системе возбуждения возможна работа при постоянной величине угла.
При реверсивной системе в этом турбогенераторе СТГ-2В превращается в АСТГ, способный работать как в синхронном, так и в асинхронном режиме.
Полученные выводы об эксплуатационных преимуществах СТГ-2В подтверждаются данными, приведенными в работе (2), где указано, что в Англии был построен и детально испытан турбогенератор с двухосной обмоткой ротора мощностью 5 МВт. В результате испытания установлены весьма благоприятные рабочие свойства генератора по сравнению с генератором традиционной конструкции: потребление реактивной мощности было ограничено только током статора, а не устойчивостью; при значительных углах мощности в машине о обычным ротором содержание гармоник потока достигает трехкратной величины по сравнению с турбогенератором о двухосным возбуждением; переходные процессы в двухосной машине сопровождались значительно меньшими колебаниями угла и скорости вращения ротора по сравнению с одноосной. Изменения напряжения и тока статора происходили плавно без колебаний, имеющих место в одноосной машине.
Положительные результаты исследований на экспериментальном турбогенераторе послужили основанием для рассмотрения вопроса о создании турбогенератора 500 МВт с двухосной обмоткой ротора.
На математической модели проектируемого турбогенератора были произведены сравнительные исследования двухосных и традиционных турбогенераторов. Исследования подтвердили благоприятные результаты, полученные на опытном ТГ 5 МВт, в частности повышенную статическую устойчивость при повышенной мощности потребляемой реактивной мощности. Судя по описаниям в докладе на СИГРЭ английский турбогенератор 500 МВт имеет несимметричную систему возбуждения и сложную конструкцию возбудителя. По расчетам авторов более выгодной является симметричная система возбуждения.
В качестве недостатка АСТГ и СТГ-2В обычно указывалось на повышенные потери в обмотке возбуждения в режиме выдачи реактивной мощности. Но оптимизационные расчеты показали, что потери получаются практически одинаковыми, а при повышении коэффициента мощности значительно меньшими, чем в СТГ-IB. Поскольку турбогенератор СТГ-2В должен работать относительно малое время в режиме выдачи реактивной мощности, эффективные потери в обмотке возбуждения будут значительно меньше и средний КПД турбогенератора выше, чем КПД одноосного турбогенератора. В таблице приведено сравнение показателей одноосного турбогенератора ТВВ-800-2, 800 МВт и двухосных вариантов 800 МВт.
Сравнительная таблица основных показателей одноосного и двухосного турбогенераторов.
РАЗЛИЧНЫЕ РЕЖИМЫ СТАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ
Случай параллельного или последовательного включения обмоток
Последовательное включение двухосной обмотки ротора превращает ее в одноосную и о этой стороны представляется невыгодным. При параллельном включении преимущества в том, что при отказе возбуждения и переходе в асинхронный режим, обмотка ротора при коротком замыкании превращается в двухфазную симметричную коротко замкнутую обмотку, при этом создается возможность безопасной длительной отдачи активной мощности порядка 65-70% номинальной. При последовательном включении обмотка возбуждения при асинхронном режиме остается одноосной, что вызвало бы колебания тока и мощности в статоре.
Раздельное питание обмоток.
Общее выражение для активной и реактивной мощности турбогенератора продольно-поперечного возбуждения. Для Р и Q из общих уравнений синхронной машины имеем.
Основные положения по технико-экономическим перспективам применения АСТГ-1000 МВт и более.
Разработка технического проекта опытного АСТГ-200 М и расчеты АСТГ-800 показали, что его конструкция с некоторыми усовершенствованиями может быть принята и для АСТГ-500 и АСТГ-1000. При разработке конструктивных вариантов АСТГ-1000 и выше целесообразно рассмотреть как варианты, рассчитанные в основном на синхронный режим, так и варианты, рассчитанные на синхронно-асинхронный режим. В последнем случае может быть уменьшен вес меди мотора и потери в роторе за счет использования токов в массиве бочки ротора. В результате расчетов получается, что стоимость и КПД машин АСТГ и СТГ будут близкими. Основные технико-экономические преимущества АСТГ получатся в эксплуатации за счет повышения надежности и маневренности в эксплуатации, снижения потерь в линиях электропередачи, снижения расходов на установку реакторов. Так, например, по расчетам Энергосетьпроекта, для АСТГ-500, предназначенных для установки на АЭС 4000 МВт (восемь генераторов по 500 МВт), получается экономический эффект 10 млн. руб.
