Основные направления модернизации электрических машин

Под модернизацией понимается устранение морального износа электрических машин, находящихся в эксплуатации, путем доведения их технико-экономических показателей до уровня показателей новых электрических машин. Как правило, модернизацию проводят на крупных электрических машинах, поскольку для машин малой и средней мощности это экономически нецелесообразно. Модернизация крупных электрических машин осуществляется во время капитального ремонта путем применения современных технических решений по электротехническим и изоляционным материалам, системам охлаждения и конструкции отдельных узлов. Так как крупные электрические машины эксплуатируются в течение 20...30 лет, то их модернизация позволяет получить значительный технико-экономический эффект.
В результате модернизации электрических машин обычно решаются следующие задачи: увеличение номинальной мощности и коэффициента полезного действия (снижение потерь), повышение уровня надежности, технологичности и ремонтоспособности, а также снижение эксплуатационных затрат. Для решения вопроса об экономической целесообразности модернизации проводят технико-экономические расчеты, основанные на сопоставлении стоимости модернизации и замены машины на новую.

Повышение мощности крупных электрических машин.

Повышение единичной мощности генераторов позволяет с минимальными затратами увеличить установленную мощность электростанции. Этот путь существенно дешевле строительства новых блоков. Так, модернизация гидрогенераторов Братской ГЭС позволила увеличить их единичную мощность и мощность всей станции на 11 %, или на 25 и 400 МВт соответственно, на Новосибирской ГЭС — на 13,75%. После модернизации ряда тепловых электростанций Урала, Центральной и Южной части России мощность ТЭС была увеличена на 640 МВт, а строительство новых блоков мощностью 600 МВт обошлось бы в 8 раз дороже и заняло бы не менее трех лет. По имеющимся в литературе сведениям путем модернизации только гидроэлектростанций можно увеличить мощность действующих ГЭС на 5,5...6,0 млн кВт.
Увеличивая мощность генераторов следует помнить о необходимости увеличения мощности приводных турбин и сопряженных с ними тепло- или гидросиловых систем, а также необходимо проверить готовность электрической части станции (система шин, трансформатор, система зашиты и др.) к работе при увеличенной мощности. В случае необходимости следует модернизировать или заменить и это оборудование. Одновременно следует проверить соответствие перегрузочной способности модернизированного генератора требованиям соответствующих стандартов.
Повышение единичной мощности электрических двигателей приводит к росту производительности приводимых механизмов, которые следует проверить на возможность работы при увеличенной мощности или производительности. Необходимо проверить соответствие перегрузочной способности модернизированного двигателя требованиям стандартов.

Увеличение коэффициента полезного действия.

Увеличение КПД электрических машин достигается за счет уменьшения удельных потерь. Магнитные потери снижаются благодаря применению при ремонте новых улучшенных сортов электротехнической стали, электрические — за счет увеличения сечения эффективного проводника (при использовании более тонкой изоляции) и снижения рабочей температуры обмоток (сочетание более тонкой изоляции с модернизацией системы охлаждения), механические и вентиляционные потери — благодаря Применению более рациональной конструкции опорных узлов, минимизации расхода хладагента и др.
При увеличении КПД снижаются эксплуатационные затраты (стоимость энергии потерь), уменьшается рабочая температура отдельных узлов электрической машины, что позволяет увеличить надежность машины в целом и ее межремонтный период.

Повышение уровня надежности.

Повышение уровня надежности достигается применением современных технических решении по креплению обмоток и прессовке активной стали, по подшипниковым узлам и узлам токосъема, использованию современных изоляционных конструкций и уменьшению рабочих температур отдельных узлов машины за счет улучшения их охлаждения.

Снижение эксплуатационных затрат.

Снижение затрат достигается путем уменьшения потерь (увеличения КПД), увеличением межремонтного периода благодаря уменьшению физического износа отдельных узлов и деталей после модернизации и уменьшением количества обслуживающего персонала за счет увеличения степени автоматизации режимов работы. В настоящее время снижение этих затрат осуществляется путем перевода крупных генераторов (мощностью до 200 МВТ) с водородного на воздушное охлаждение.

Повышение технологичности и ремонтоспособности.

Этот показатель улучшается благодаря применению в процессе модернизации современных технических решений по соединению отдельных узлов и деталей, что позволяет уменьшить сроки и стоимость следующего за модернизацией ремонта.

Модернизация обмоток из прямоугольного провода.

При модернизации обмоток стремятся улучшить изоляцию катушек (стержней) и изменить геометрию лобовых частей для уменьшения их длины и улучшения охлаждения.
В настоящее время преимущественное распространение получила термореактивная изоляция типа «Слюдотерм», «Монолит», ВЭС и ее модификации, разработанная ведущими электромашиностроительными заводами России. Эта изоляция имеет существенно лучшие свойства, чем применявшаяся ранее микалентная компаундированная изоляция (табл.). Замена микалентной изоляции на термореактивную позволяет примерно на 30 % уменьшить ее толщину при одновременном уменьшении перепада температуры в ней без ухудшения надежности изоляционной конструкции.

Сравнительная характеристика микалентной и термореактивной изоляций

Уменьшение площади изоляции при неизменных размерах паза позволяет увеличить сечение эффективного проводника, причем чем выше класс напряжения (толще изоляция), тем больше эффект. Таким образом, при неизменной плотности тока можно увеличить номинальный ток и мощность машины без увеличения рабочей температуры. При неизменном токе и мощности снижаются плотность тока в обмотке, электрические потери и рабочая температура, что повышает надежность обмотки. В ряде случаев дополнительное место в пазу может быть использовано для размещения полых трубок при переводе обмотки якоря на водяное охлаждение.
Одновременно с улучшением изоляционной конструкции в некоторых случаях улучшают транспозицию стержней, доводя угол транспозиции до 540° с целью уменьшить потери от циркуляционных токов, особенно в зоне лобовых частей.
Как показала многолетняя практика эксплуатации электрических машин, надежность крепления обмотки с учетом возрастающих электромагнитных нагрузок и связанных с ними электродинамических усилий является одним из основных факторов, влияющих на долговечность электрической машины в целом» Поэтому при модернизации усиливают крепление пазовой части обмотки, особенно в месте выхода ее из паза, и крепление лобовых частей обмотки путем применения термореактивных уплотнений (формопласты типа препрег), синтетических самоутягивающихся бандажей, стеклобандажных поясов и др. В лобовых частях обмоток с косвенным охлаждением могут формироваться дополнительные каналы для прохода охлаждающего газа в целях улучшения охлаждения лобовых частей обмотки.
Повышение мощности синхронных машин невозможно только за счет модернизации якорной обмотки. Одновременно необходимо модернизировать и обмотку возбуждения для увеличения се номинальной МДС. Только в этом случае удается сохранить неизменным коэффициент мощности в режиме перевозбуждения или даже уменьшить его.
Возможны следующие варианты модернизации обмотки возбуждения:
переход от косвенного охлаждения к форсированному за счет изменения геометрии обмотки и создания дополнительных каналов для охлаждающего газа по высоте обмотки и в ободе явнополюсных машин, или в лобовых частях (подбандажное пространство) неявнополюсных машин;
переход на непосредственное водородное охлаждение обмоток возбуждения неявнополюсных синхронных машин с соответствующим изменением геометрии обмотки (фрезерование охлаждающих каналов, замена пазовых клиньев);
увеличение числа витков обмотки за счет применения более тонкой изоляции.

Модернизация системы вентиляции.

Модернизация вентиляционной системы определяется опытом эксплуатации каждой машины и не имеет унифицированных технических решений. Как правило, она проводится путем увеличения давления или расхода охлаждающего газа.
У турбогенераторов с косвенным охлаждением с ростом давления водорода температурный перепад на разделах «поверхность— водород» снижается приблизительно пропорционально росту давления. В меньшей мере снижается перегрев самого водорода. В итоге снижается рабочая температура обмоток. При увеличении давления необходимо усилить уплотнения вала и других узлов, обеспечивающих герметичность корпуса (включая сварные соединения).
Кроме увеличения давления используют форсированное охлаждение лобовых частей обмотки возбуждения за счет усовершенствования каналов выпуска водорода из подбандажного пространства, Это позволяет увеличить расход газа через лобовые части и тем самым уменьшить их температуру. Кардинальным решением вопроса является перевод обмотки возбуждения на непосредственное газовое охлаждение.
Увеличение расхода охлаждающего газа приводит к тому же эффекту, что и увеличение его давления. Однако с точки зрения уменьшения вентиляционных потерь повышение расхода газа часто оказывается более рациональным. Увеличение расхода охлаждающего газа происходит за счет увеличения напора, создаваемого вентилятором. Плотная компоновка турбогенератора практически не дает возможности изменить размеры вентилятора, поэтому увеличение напора связано со спрямлением (уменьшение закрутки) потока водорода за вентилятором в случае вытяжной вентиляции или перед ним в случае нагнетательной вентиляции с помощью установки направляющих аппаратов.
В машинах с воздушным охлаждением расход охлаждающего газа увеличивают за счет установки дополнительных нагнетательных элементов на явнополюсном роторе и уменьшают рециркуляцию воздуха около вентилятора путем установки диффузоров или уменьшения зазора между диффузором и вентилятором.

Модернизация узла токосъема (контактные кольца-щетки).

Работы в этой области ведутся по следующим направлениям: для высокоскоростных электрических машин устанавливаются контактные кольца из термообработанной стали с высокой твердостью (НВ = 3000); нарезаются винтовые канавки на внешней поверхности колеи для улучшения динамической стойкости щеток, уменьшения износа щеток и колец, более равномерного распределения тока между щетками; заменяется миканитовая изоляция втулки контактных колец на стеклоизоляцию (на стеклотекстолит) для увеличения монолитности узла контактных колец; заменяются спиральные пружины из стальной проволоки на рулонные пружины постоянного давления; щеткодержатели изолируются от траверсы, а щетки — от нажимной пружины для исключения подгаров и оплавления обоймы, а также перегрева пружины из-за токов, протекающих по пружине и самой обойме. Кардинальным направлением модернизации узла токосъема является переход к системе бесщеточного (бесконтактного) возбуждения.