История электротехники

Следует обратить внимание еще на один этап в развитии гидрогенераторостроения. Для обеспечения необходимого уровня устойчивости работы дальних электропередач (от Волги до Москвы) потребовалось уменьшение индуктивных сопротивлений. Так как активный объем машины обратно пропорционален корню квадратному из синхронного сопротивления обмотки якоря, то гидрогенераторы были сделаны с повышенными массами. В дальнейшем работы ВНИИэлектромаша (И.А. Глебов, В.Е. Каштелян, Н.С. Сирый) и других организаций показали, что проблема устойчивости решается с помощью быстродействующей системы возбуждения, имеющей повышенную кратность форсирования и автоматическое регулирование возбуждения (АРВ) сильного действия. Поэтому при сооружении ГЭС на сибирских реках гидрогенераторы выполнялись не с уменьшенными, а с нормальными параметрами, не требующими увеличения массогабаритных показателей.

Гидрогенераторы вертикального исполнения для гидроаккумулирующих электростанций работают как в генераторном, так и в двигательном режимах. В последнем случае возникает проблема их пуска. Существует несколько способов. Один из них — использование преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Частота изменяется от нулевой до промышленной. Такой преобразователь мощностью 10 МВт был выполнен во ВНИИэлектромаше (В.Н. Левин) и поставлен на Загорскую ГАЭС для пуска агрегатов 200 МВт.

Гидрогенераторы с горизонтальным валом применяются в быстроходных агрегатах с ковшовыми турбинами на горных реках с большими напорами, в капсульных агрегатах и для малых ГЭС (МГЭС).

Я.Б. Данилевич (ВНИИэлектромаш) разработал, а тираспольский завод «Электромашина» изготовил два образца гидрогенераторов горизонтального типа для Эшкаконской МГЭС и вертикального типа для Курской МГЭС. Первый генератор имел мощность 750 кВ∙А, напряжение 6,3 кВ и коэффициент мощности 0,8, номинальную частоту вращения 1000 об/мин и угонную 2000 об/мин. Ротор неявнополюсного исполнения, его сердечник собран из листовой электротехнической стали. На валу машины с одной стороны консольно насажено рабочее колесо радиально-осевой турбины, с другой — маховик для обеспечения устойчивой параллельной работы машины и для устранения гидроудара в трубопроводе в связи с быстрым закрытием направляющего аппарата турбины. Демпферная обмотка образована медными полосами под клиньями пазов, замкнутыми в зоне лобовых частей. Клинья обмотки статора — магнитные. Второй генератор характеризовался следующими показателями: мощность 625 кВ∙А, напряжение 6,3 кВ, коэффициент мощности 0,8, номинальная частота вращения 428,6 об/мин, угонная 1070 об/мин. Генератор соединен с поворотно-лопастной турбиной. В полюсных наконечниках уложена замкнутая продольно-поперечная демпферная система.

К самым крупным зарубежным достижениям в области гидрогенераторостроения относится создание фирмой ABB машин для гидроэлектростанции Итайпу мощностью в единице 824 MB∙А, частотой вращения 90,9 об/мин, 60 Гц.

К отдельному виду гидрогенераторов относятся асинхронизированные машины. В сущности, это машины двойного питания. Частота вращения ротора может быть меньше или больше синхронной в зависимости от направления вращения его собственного магнитного поля. Первый гидрогенератор такого типа мощностью 40 МВт и частотой вращения 136,4 об/мин был предложен в нашей стране М.М. Ботвинником и введен в эксплуатацию на Иовской ГЭС в 1962 г. Он отличается от обычного тем, что имеет неявнополюсный ротор с двумя симметричными распределенными обмотками волнового типа, смещенными на 90°. В отличие от обычного генератора асинхронизированный может иметь несинхронную частоту вращения, определяемую частотой двухфазного преобразователя и задаваемую автоматическим регулятором. При коротких замыканиях машина переходит на работу с другим скольжением относительно синхронного магнитного поля. Наряду с преимуществами режимного плана есть и недостатки: несколько большие размеры, стоимость, а также необходимость выемки ротора при ремонте.

Асинхронизированные машины другого типа — турбогенераторы мощностью 200 МВт были созданы на заводе «Электротяжмаш» (г. Харьков).

В последние годы выявилась возможность повышения КПД гидроагрегата за счет работы в зоне максимального КПД по универсальной характеристике при различных частотах вращения в зависимости от напора. Такая возможность особенно важна для низконапорных ГЭС при суточном регулировании, а также для гидроаккумулирующих электростанций.

К числу оригинальных решений гидрогенераторов относятся высоковольтные машины. Под руководством А.В. Иванова-Смоленского был разработан гидрогенератор мощностью 14,5 МВт, напряжением 121 кВ, изготовленный заводом «Уралэлектротяжмаш» и установленный на Сходненской ГЭС, где он прошел испытания. Накопленный опыт позволил внести ряд конструктивных усовершенствований и разработать проект гидрогенератора мощностью 103,5 МВт, напряжением 165 кВ для Днепровской ГЭС-2. К сожалению, этот интересный проект не получил реализации из-за неподготовленности производства, особенно высоковольтных обмоток.

6.2.8. СИНХРОННЫЕ КОМПЕНСАТОРЫ

Повышение коэффициента мощности в системах электропотребления достигается установкой конденсаторных батарей и применением синхронных двигателей в режиме генерации реактивной мощности. По мере развития энергетических систем наряду с синхронными двигателями стали применяться синхронные машины без активной нагрузки на валу, т.е. лишь для выработки реактивной мощности. Такие машины получили название синхронных компенсаторов. За счет выдачи и потребления реактивной мощности синхронные компенсаторы способствуют поддержанию напряжения в местах их подключения. Сначала синхронные компенсаторы выполнялись с воздушным охлаждением, а затем для более мощных машин был сделан переход на водородное охлаждение.

Применение синхронных компенсаторов позволяет снизить потери электроэнергии в линиях электропередачи. Для этого необходимо уменьшать передаваемую через линию реактивную мощность за счет источников такой мощности на приемном конце. Такими источниками в нашей стране и за рубежом стали синхронные компенсаторы. Наибольших успехов в создании таких машин добился завод «Уралэлектротяжмаш» и его главный конструктор по синхронным компенсаторам В.З. Пекне. Установленная мощность синхронных компенсаторов достигала 20–30% мощности линий. Наиболее мощные синхронные компенсаторы в нашей стране были: 1940 г. — 30 MB∙А, 1956 г. — 75 MB∙А, 1963 г. — 100 MB∙А и 1969 г. — 160 MB∙А.

Применение водородного охлаждения привело к снижению вентиляционных потерь на 25–35% с одновременным увеличением мощности в тех же габаритах. С точки зрения стоимости строительства решающее значение имел переход на наружную установку компенсаторов. Расчетно-теоретические исследования показали целесообразность использования частоты вращения 750 об/мин и применения явно-полюсной конструкции. Пуск компенсаторов осуществляется от сети через реактор.

Возбуждение компенсаторов осуществлялось от генераторов постоянного тока, сочлененных с асинхронными короткозамкнутыми двигателями и маховиками. Агрегат размещался в здании подстанции и был связан с компенсатором кабелями.

В 60-х годах для повышения эффективности действия синхронных компенсаторов вместо электромашинных возбудителей впервые в мире у нас в стране стали применять системы возбуждения с ртутными выпрямителями, получившие название ионных систем возбуждения. Однако радикальное упрощение системы возбуждения было достигнуто после освоения мощных кремниевых диодов и создания на их основе бесщеточных возбудителей. Такие возбудители, состоящие из обращенной синхронной машины и вращающегося выпрямителя, удалось разместить в объеме щеточно-контактно го аппарата. Разработка бесщеточных систем возбуждения была выполнена В.З. Пекне, В.Ф. Федоровым и В.К. Воробьем.

В 90-е годы получили развитие статические тиристорные компенсаторы. Их преимущество состоит в меньших потерях по сравнению с электромашинными компенсаторами, а недостаток — в несинусоидальности напряжения. Пока количество статических компенсаторов мало, поэтому в эксплуатации по-прежнему остаются синхронные компенсаторы.