Брызгалов В.И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций

Подождите немного. Документ загружается.

329

возможных деформаций и повреждений нельзя, не позволила

реализовать предложение строителей.

Рис. 4.35 Сборка бесстыкового сердечника статора гидрогенератора

Саяно-Шушенской ГЭС

Сердечник набирался в кольцо (без стыков) из сегментов, штам-

пованных из холоднокатанной электротехнической стали и покры-

тых с обеих сторон изоляционным лаком огневой сушки (рис. 4.35).

Сегменты собраны вперекрой на клинья, имеющие “ласточкин

хвост”. По высоте сердечник разделён на 36 пакетов, между которы-

ми с помощью дистанционных распорок из немагнитной стали

образуются каналы для прохода охлаждающего воздуха. Крайние и,

частично, вторые пакеты выполнены из монолитных сегментов,

образованных путём склейки и запечки сегментов на эпоксидном

лаке. Впоследствии на основе полученных результатов испытаний

первого сердечника клинья на месте шихтовки не приваривались к

полкам статора, а лишь слегка прихватывались к ним. После прес-

совки и затяжки сердечника эти временные закрепления удалялись,

сердечник статора нагревался относительно корпуса на 15-20

С, т.е.,

практически, на реально существующий рабочий перепад темпе-

ратуры между ними, который образуется при работе генератора в

сети с номинальной нагрузкой. Предварительно сердечник тепло-

изолировался по наружной поверхности, по торцам и со стороны

330

расточки (рис. 4.36). Нагревание осуществлялось с помощью элект-

рических печей и калориферов, равномерно распределённых по ок-

ружности; мощность, затраченная на нагрев, составляла около 2 кВт

на тонну сердечника. Заключительный этап крепления статорных

клиньев при такой технологии обеспечивал высокую точность их

распределения по окружности.

Рис. 4.36 Схема обеспечения теплового расширения активного железа

статора гидрогенератора СВФ 1285/275 42У4 Саяно-Шушенской ГЭС

при сборке его бесстыковым способом

331

Однако этого результата получить сразу не удалось. С целью

проверки качества сборки смонтированные в кольцо сердечники

статоров подвергались испытанию на нагревание. Для проведения

испытания на сердечник совместно с корпусом статора, равномерно

по окружности, наматывалась намагничивающая обмотка из шлан-

гового кабеля (рис. 4.37). Питание обмотки осуществлялось от

источника переменного тока промышленной частоты 50 Гц, в ре-

зультате чего в теле сердечника создавалось переменное кольцевое

магнитное поле, индуктирующее во всех сегментах сердечника

электродвижущую силу той же частоты. В плоскости листов сер-

дечника, каждый из которых представляет замкнутый контур с

большим внутренним сопротивлением, возникают незначительные

вихревые токи, вызывающие в целом небольшие объёмные потери.

Рис. 4.37 Намагничивающая обмотка на сердечнике статора.

Испытатели исследуют степень нагрева железа

Все сегменты практически замкнуты между собой клиньями

по спинке сердечника. В случае каких-либо дефектов с замыканиями

группы сегментов в зубцовой зоне или на внутренних слоях сердеч-

ника, при нарушении лакового покрова сегментов, появляются зам-

кнутые контуры с малыми сопротивлениями, приводящие к повы-

шенным потерям и местным нагревам. Поэтому целью испытаний

было выявление таких замыканий. Обычно ток в намагничивающей

обмотке выбирался таким, чтобы средняя индукция в теле сердеч-

ника составляла 1,4 Т. Продолжительность испытаний назначалась

332

45 мин., в течение которых определялась температура железа сер-

дечника и удельные потери.

Первая сборка сердечника продолжалась с 18 по 30.08.78 г. Со

2.09.78 начались первые испытания на нагревание сердечника.

Испытания выявили недопустимый нагрев в двух зонах, ох-

ватывающих 8-22 пакеты. Для устранения нагрева был осуществлён

ряд мероприятий: устанавливались стеклотекстолитовые прокладки

толщиной 0,15 мм между сегментами в зубцах на глубину 0,5-0,75

высоты зубцов; было удалено несколько клиньев с “ласточкиным

хвостом”, и поверхность под ними протравлена 35% раствором

азотной кислоты с последующим покрытием поверхности лаком.

После осуществления этих мероприятий вновь были прове-

дены испытания сердечника на нагревание, которые показали, что

устранить недопустимый нагрев не удалось. Максимальная темпе-

ратура достигала 150

С при температуре окружающего воздуха

+12

С. В результате было принято решение демонтировать сердечник

и вновь собрать.

При разборке, которая осуществлялась с 12 по 17.09.78 г., было

установлено, что имеют место: повреждение лакового покрытия на

сегментах; волна пакетов с гребнем 10 мм со стороны спинки; нах-

лесты сегментов на стыках; следы прохождения тока через часть

пакетов; сильное замасливание некоторых пакетов из-за повреж-

дения маслосистемы гидравлических прессов; точечные следы про-

хождения тока через часть пакетов; следы передавливания сегментов,

примыкающих к вентиляционным распоркам из-за чрезмерного

усилия при прессовке.

Причиной повышенного нагрева в основном является местное

передавливание пленки лакового покрытия, происшедшее из-за

волны в сердечнике, что привело к появлению замкнутых контуров

для прохождения тока в этих зонах сердечника. Волна образовалась

в результате деформации клиньев “ласточкиного хвоста” из-за

жесткой фиксации и неточной их разгонки по окружности корпуса

статора. В случае неточного расположения клиньев, во время

испытания на нагревание кольцевым магнитным потоком про-

мышленной частоты свободно опертого сердечника часть клиньев

воспринимает на себя механическую энергию вибрирующего сер-

дечника. Преобразуясь в тепло в местах соединения сердечника с

клиньями, эта энергия существенно нагревает клинья и отдельные

участки пакетов, вызывая их деформацию (рис. 4.38).

При повторной сборке особое внимание было уделено точному

соблюдению расположения клиньев “ласточкиного хвоста”: пазовые

калибры устанавливались в пазы, где расположен стык сегментов;

вентиляционные сегменты устанавливались строго идентично во всех

333

каналах по высоте сердечника; предварительные прессовки сердеч-

ника производились с давлением 1,3 МПа, а окончательная – 1,5 МПа;

тщательно отслеживалось отсутствие волны пакетов; отслеживалась

с помощью тензометров одинаковость усилий в стяжных шпильках

сердечника, т.е. параллельно с технологией по созданию бесстыковой

конструкции сердечника создавались и новые методы контроля его

надёжности на стадии монтажных работ. По мере накопления опыта

сборки сердечника и его испытаний на гидрогенераторе № 1 была

окончательно доработана технология, исключавшая коробление па-

кетов, как в процессе испытаний на нагревание, так и в течение

многих лет последующей эксплуатации. Большой вклад в доработку

технологии внесли А. А. Дукштау, Г. Б. Пинский, М. А. Шахматов,

С. А. Прутковский, Е. Н. Виноградов и многие другие.

Рис. 4.38 Деформация железа сердечника гидрогенератора

Саяно-Шушенской ГЭС после первой опытной сборки и испытания

на нагревание

334

Первое испытание на нагревание сердечника при подключении

обмотки его намагничивания к внешней электрической сети про-

мышленной частоты тока показало и то, что частота собственных

колебаний сердечника совпала с частотой вынужденных колебаний

100 Гц, поэтому возник резонанс. Резонансное явление было исклю-

чительно сильным. Уровень вибрации вдоль окружности и по высоте

сердечника был неодинаков. Максимальная вибрация наблюдалась

в середине между стыками корпуса статора. Вибросмещения сер-

дечника достигли 700 мкм, возникший шум значительно превышал

допустимые нормы (звук упавшего большого листа железа с высоты 7 м на

бетонный пол в непосредственной близости от испытателей не был услышан

участниками испытаний, хотя и был увиден ими момент падения листа).

Последующие расчётные исследования [25] подтвердили яв-

ление резонанса. Для случая разогрева сердечника на 10

С расчётом

была определена частота собственных колебаний сердечника, которая

составила 97,8 Гц, амплитуда колебаний 686 мкм, это объясняется

тем, что с ростом температуры натяг в сердечнике уменьшался и

вибрация его увеличивалась. Наряду с этим, прирост вибрации с

течением времени был невелик, поскольку сердечник был свободно

закреплен в корпусе, а следовательно, частота его собственных

колебаний была близка к постоянной величине.

Натурные данные и расчётные исследования показали, что при

испытаниях на нагревание сердечников нельзя допускать попадания

их в резонанс. Поэтому в последующих испытаниях каждого вновь

собранного сердечника на нагревание источником намагничивания

применялись соседние гидрогенераторы, использующиеся с пони-

женной частотой вращения, 40-45 Гц, что снизило в испытуемых

сердечниках вибросмещения в 7 раз [85].

В эксплуатационных условиях на сердечник воздействуют

силы от многополюсного магнитного потока, поэтому частота соб-

ственных колебаний сердечника статора в нормальном рабочем

режиме значительно выше, чем от кольцевого магнитного потока, в

результате чего резонанс в этих условиях невозможен. Натурные

испытания на Саяно-Шушенской ГЭС по определению вибрации

сердечников под нагрузкой гидрогенераторов, изменявшейся от нуля

до полной, подтвердили отсутствие резонанса. Испытаниями было

установлено, что двойная амплитуда вибрации сердечников в ре-

альных условиях работы генераторов в энергосистеме составляет

5-10 мкм. После 20-летнего периода эксплуатации уровень вибрации

сердечников при номинальной нагрузке гидрогенераторов не пре-

вышает 10 мкм. Это основной показатель правильности выбранного

технического решения по изготовлению бесстыковых сердечников

гидрогенераторов Саяно-Шушенской ГЭС.

335

4.3.2 Обмотка статора

Создание сверхмощных гидрогенераторов, сопровождающееся

большим ростом удельных нагрузок в их активных материалах и,

в частности, в обмотке статора, натолкнулось на несоответствие

технологических норм конструирования новому поколению электри-

ческих машин, а также признало непригодными существовавшие

ранее технологические приёмы и типовые конструкторские решения,

определявшие уровень надёжности гидрогенераторов средней и

малой мощности.

Расчётные и натурные исследования показали, например, что

на гидрогенераторах 500 МВт Красноярской ГЭС с однослойной

обмоткой электродинамические усилия, действующие на обмотку

статора в зоне лобовых частей и в пазу (в номинальном режиме),

достигают величин от 0,5 до 4,5 кг/см. Это потребовало более ужес-

точенного подхода к степени уплотнения стержней обмотки в пазу,

разработки и создания специальных устройств против их осевого

сдвига по пазу под собственным весом. Особого внимания заслужи-

вала система закрепления лобовых частей в радиальном и тангенци-

альном направлениях. Учитывая воздействие вибрации, возникли

повышенные требования к герметизации элементов водяного тракта

обмотки, а способность к водонасыщению компаундированной изо-

ляции поставила вопрос о существенном повышении класса изоля-

ции и о поиске новых материалов для её изготовления. Например,

эффект линейного расширения в поперечном сечении системы “изо-

ляция – медь” обмотки статора оказался значительно меньшим,

благодаря непосредственному водяному охлаждению меди. В

гидрогенераторах с косвенным охлаждением обмотки статора, где

применялась компаундированная изоляция, температура изоляции

в рабочем состоянии при номинальной нагрузке генератора дости-

гает ~100

С. При этой температуре из-за размягчения битумных

материалов изоляции в рабочем состоянии уменьшается жесткость

обмотки, как системы в целом, что способствует снижению уровня её

вибрации. Кроме того, бо

′

льшее увеличение объёма стержней за счёт

расширения меди при более высокой температуре, чем у гидроге-

нераторов с непосредственным охлаждением, способствует само-

уплотнению стержней в пазу.

Была разработана и внедрена специальная технология горячей

опрессовки стержней в пазу с использованием стеклотекстолитовых

уплотнительных элементов плоского и волнистого сечений с полу-

проводящим покрытием, благодаря чему задача надёжного уплот-

нения обмотки статора в пазах была успешно решена.

Против осевого сдвига стержней обмотки статоров была раз-

работана и внедрена конструкция специальных “арочных” упоров,

336

которые изготовлены из материала высокой механической прочности

и хороших диэлектрических свойств.

В комплексе с другими конструкторскими решениями по уси-

лению закрепления лобовых частей обмотки статоров для бандажной

вязки был применен, вместо льнопенькового, лавсановый шнур, ко-

торый при определённой обработке и с повышением температуры в

рабочем режиме гидрогенератора способен самоутягиваться.

Была разработана и внедрена новая конструкция водоподво-

дящего и токонесущего наконечника стержня обмотки статора. Эта

конструкция наряду с тем, что обеспечивает высокую герметичность

узла подвода дистиллированной охлаждающей воды, обладает тем

качеством, что ремонт в случае возникновения протечек воды в месте

пайки, соединяющей наконечник с элементарными проводниками

стержня, выполняется без выема и отбраковки стержня (рис. 4.39).

Рис. 4.39 Головка обмотки статора гидрогенератора

с непосредственным охлаждением водой

Все разработки по модернизации и доводке гидрогенераторов

Красноярской ГЭС были использованы в проекте гидрогенераторов

Саяно-Шушенской ГЭС, благодаря чему они много лет работают

надёжно. Наряду с упомянутыми усовершенствованиями, для

гидроагрегатов Саяно-Шушенской ГЭС основными и принципиаль-

ными мероприятиями являются применение термореактивной

изоляции и двухслойное исполнение обмотки статоров. Прообразом,

337

где апробировались эти решения, были гидрогенераторы № 11 и 12

Красноярской ГЭС.

4.3.3 Вентиляция гидрогенератора

Минимум затрат на обслуживание агрегата образует одну из

составляющих частей его эффективности в энергосистеме. Успешное

освоение головных крупных агрегатов зависит от того, насколько

интенсивно накапливается опыт их эксплуатации. И то, и другое, в

свою очередь, связано с тем, насколько доступен агрегат для опера-

тивного осмотра и профилактики жизненно важных его узлов и

конструкций. Часто выявления дефектов и опытные данные появ-

ляются слишком поздно и становятся результатом уже случив-

шегося отклонения от нормального состояния элементов и узлов

агрегата. Организация учащенных наблюдений не всегда осущест-

вима из-за больших затрат и трудоёмкости работ по подготовке узлов

крупных агрегатов к осмотру. Для головных агрегатов учащенные

наблюдения особенно необходимы.

Из многих ответственных узлов конструкции гидрогенераторов

Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС особый интерес представ-

ляют элементы системы водяного охлаждения, расположенные в

месте перехода от водяных коллекторов непосредственно к стерж-

ням обмотки статора (рис. 4.40). Эта часть системы имеет в своём

составе резьбовые соединения и гибкие элементы, подверженные

вибрации и чувствительные к ней. Кроме того, этот участок системы

находится в зоне выброса продуктов от истирания тормозов, т.е.

обмотка на данном участке подвержена наибольшему техноло-

гическому запылению. И, наконец, в этом месте соседствуют находя-

щиеся под напряжением токоведущие части обмотки с частями

агрегата, заземлёнными через охлаждающий дистиллят и поверх-

ность водоподводящих и сливных шлангов. Всё это вызывает

необходимость в организации особо пристальных и учащенных

наблюдений за указанным местом гидрогенератора, поскольку про-

течки воды или увеличение проводимости поверхности шланга могут

стать причиной аварийной ситуации на генераторе.

Гидрогенератор Красноярской ГЭС был создан с распростра-

ненной традиционной двухсторонней системой вентиляции (заход

воздуха в ротор сверху и снизу). Типовая схема включала в себя

лопаточные вентиляторы, воздухоохладители, а также вертикальные

и горизонтальные воздухоразделяющие щиты над ободом ротора и

под ним для организации вентиляционных потоков воздуха. Ниж-

ний горизонтальный воздухоразделяющий щит размещался в

непосредственной близости от головок нижних лобовых частей

обмотки статора и водосоединительных шлангов (рис. 4.1). Он был

338

Рис. 4.40 Нижние лобовые части. Конструкция водоподвода обмотки

статора гидрогенератора Саяно-Шушенской ГЭС

1 – стержни обмотки статора; 2 – изолирующая коробочка; 3 – фторопластовый шланг

водоподвода; 4 – напорный коллектор; 5 – сливной коллектор; 6 – изолятор; 7 – медная

водосоединительная трубка