Гидрогенератор

Гидрогенератор — генератор электрического тока, приводимый во вращение гидротурбиной. Обычно генератор  является явнополюсным синхронным генератором, ротор которого соединён с валом рабочего колеса гидротурбины. Конструкция генератора в основном определяется положением оси его ротора, частотой вращения и мощностью турбины. Мощные тихоходные генераторы обычно изготовляются с вертикальной осью вращения (за исключением капсульных гидроагрегатов), быстроходные гидроагрегаты с ковшовой гидротурбиной — с горизонтальной осью вращения. Существуют также опытно-промышленные образцы генератора оригинальной конструкции (с фазным ротором, контрроторные, проточные и др.). В СССР из-за топологических и геологических особенностей рек большинство быстроходных генераторов устанавливают с вертикальной осью вращения.

Генераторы подразделяются по мощности на генераторы малой мощности — до 50 МВт, средней — от 50 до 150 МВт и большой мощности — свыше 150 МВт и по частоте вращения — на тихоходные (до 100 об/мин) и быстроходные (свыше 100 об/мин). Отечественные и зарубежные Г. нормального использования имеют диапазон генерируемого напряжения от 8,8 до 18 кВ; коэффициент мощности (cos j) от 0,8 до 0,95; КПД быстроходных Г. 97,5—98,8%, тихоходных — 96,3—97,6%.

Первые советские генераторы мощностью 7,25 МВт были созданы в 1925 на заводе "Электросила" (Ленинград) для Волховской ГЭС им. В. И. Ленина. В начале 30-х гг. на Днепровской ГЭС были установлены Г. мощностью 65 МВт, а в 1939—40 гг. изготовлены для того времени крупнейшие по моменту вращения, габаритам и массе генераторы для Угличской и Рыбинской ГЭС. Созданы уникальные генераторы для Братской (1960) и Красноярской (1964) ГЭС мощностью 225 и 508 МВт и капсульные генераторы  (20 МВт) с водяным охлаждением для Череповецкой ГЭС; установлены обратимые гидроагрегаты на Киевской гидроаккумулирующей электростанции; в 1966 на заводе "Уралэлектротяжмаш" изготовлен опытный экономичный высоковольтный (110 кВ) Г. мощностью 20 МВт.

При конструировании и монтаже генераторов особое внимание уделяют креплению вращающихся частей гидроагрегата и охлаждению обмоток ротора и статора. По расположению и конструкции опорного подшипника (подпятника) различают подвесные и зонтичные генераторы.

Для охлаждения крупных генераторов (до 300 МВт) обычно применяется замкнутая система вентиляции: косвенная, или поверхностная, когда воздух обдувает обмотку с поверхности, и форсированная, когда воздух подаётся внутрь проводника с током или между проводниками. Значительно более эффективно охлаждение обмоток статора дистиллированной водой с форсированным воздушным охлаждением обмотки ротора. Применение форсированного охлаждения повышает коэффициент использования гидрогенератора, снижает расход изоляции, меди и активной стали.

Возбуждение гидрогенератора обычно осуществляется от вспомогательного генератора постоянного тока, установленного на валу; на крупных гидрогенераторах имеется дополнительно подвозбудитель для возбуждения вспомогательного генератора. В некоторых случаях для этой цели используется синхронный генератор с выпрямителями, который одновременно служит и вспомогательным генератором.

1. ТИПЫ ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ И ИХ ОСОБЕННОСТИ

1.1 Основные исполнения гидрогенераторов

Среди всех типов электрических машин гидрогенераторы занимают особое место. Это связано с тем, что будучи, как и турбогенераторы, наиболее мощными электрическими машинами, они в то же время характеризуются весьма низкими номинальными частотами вращения и потому превосходят все другие электрические машины по значениям вращающих моментов, по своим радиальным размерам и габаритам, массам вращающихся частей и общим массам машин, динамическим моментам инерции, нагрузкам на подшипники, расходам охлаждающего агента.

Размеры гидрогенераторов — самых материалоёмких и трудоемких электрических машин — определяют значительную длительность цикла их производства, необходимость использования при этом большого числа специального измерительного инструмента, создаваемого заново для каждого нового типа машин.

Для изготовления гидрогенераторов требуется разнообразный парк станков, в том числе и некоторых уникальных, мощное крановое, прессовое, кузнечное и термическое оборудование, наличие развитых вспомогательных специализированных производств — литейного, сварочного, штамповочного, изоляционного и др.

Поскольку размеры и массы гидрогенераторов не позволяют транспортировать их в собранном виде до гидроэлектростанций , основные работы по сборке всех крупных узлов и машин в целом осуществляются при монтаже гидрогенераторов и представляют собой, по существу, продолжение начатого на заводе производственно-технологического процесса.

Создание и ввод в эксплуатацию гидрогенератора — одни из центральных этапов в сооружении гидроэлектростанции, строительство которой всегда является значительным событием в развитии целого экономического района.

Гидрогенераторы являются типичными представителями машин мелкосерийного или единичного производства, так как по условиям водотока для каждой строящейся ГЭС требуется, как правило, новый тип агрегата. Поэтому номенклатура выпускаемых гидрогенераторов постоянно обновляется, что позволяет с учетом накапливаемого опыта и достижений в смежных областях техники совершенствовать конструкции гидрогенераторов быстрее, чем других крупных электрических машин.

Все это вместе взятое делает гидрогенераторостроение в известной мере престижной отраслью крупного электромашиностроения, об уровне которого в целом судят по достижениям в области производства гидрогенераторов.

Несмотря на разнообразие конструкций гидрогенераторов, до настоящего времени отсутствует их классификация, что связано с трудностями выделения важнейших признаков, определяющих основные исполнения. Обычно в качестве таких признаков указывают число и расположение подшипников относительно ротора, а также системы охлаждения и возбуждения.

Одним из главных факторов, определяющих конструкцию гидрогенератора, является, безусловно, положение оси его валопровода. По этому признаку все гидрогенераторы могут быть разбиты на две группы: вертикальные и горизонтальные.

Подавляющее большинство гидрогенераторов выполняется с вертикальным валом, что обусловлено спецификой привода — гидравлической турбины, нерентабельностью, а во многих случаях и невозможностью создания гидрогенераторов больших размеров в горизонтальном исполнении по условиям обеспечения необходимых жесткостей статора и ротора, а также выполнения подшипников соответствующей грузоподъемности. Сборка, эксплуатация и ремонт крупных вертикальных машин осуществляются значительно легче, чем горизонтальных. Однако вертикальное положение валопровода приводит к появлению в конструкции гидрогенератора опорных элементов — подпятника и во многих случаях опорной крестовины, которые должны быть рассчитаны на восприятие усилий от массы вращающихся частей генератора и турбины, а также от реакций воды на ее рабочее колесо.

В свою очередь, вертикальные гидрогенераторы подразделяются на два основных типа: зонтичный, с расположением подпятника под ротором на нижней крестовине или на подставке, на крышке турбины, и подвеской, с подпятником, устанавливаемым над ротором, на верхней крестовине. Не существует четкой границы между областями применения этих двух исполнений вертикальных гидрогенераторов, во многих случаях оба могут быть использованы. Для генераторов с низкими и средними частотами вращения (до 150 об/мин) характерно в основном зонтичное исполнение, хотя имеются примеры его реализации при значительно более высоких частотах вращения, и отмечается постепенный переход к зонтичному исполнению все более быстроходных машин. Последние изготовляются, как правило, подвесного типа.

В зарубежной практике иногда различают зонтичное и полузонтичное исполнения, понимания при этом под первым выполнение ротора в виде усеченного конуса.

Горизонтальное исполнение до недавнего времени применялось в основном для быстроходных гидрогенераторов, спариваемых, как правило, с одной или двумя (по обе стороны агрегата) ковшевыми турбинами. Горизонтальные гидрогенераторы при достаточно высоких частотах вращения оказываются более компактными и легкими по сравнению с вертикальными.

К горизонтальному расположению вала прибегали также при создании некоторых типов небольших прямоточных и приплотинных установок, не получивших, однако, сколько-нибудь существенного распространения и не имеющих большого энергетического значения. Вместе с тем развитие работ по прямоточным машинам привело к созданию нового типа энергетического оборудования — капсульного гидроагрегата, состоящего из капсульного гидрогенератора и поворотно-лопастной турбины, совмещенных в одном корпусе и расположенных под водой.

Такие агрегаты нашли широкое применение для низконапорных русловых, а также приливных ГЭС. Они характеризуются относительно небольшими частотами вращения и искусственно уменьшенными у генераторов радиальными размерами, что достигается использованием более эффективных, принудительных систем охлаждения. Единичная мощность капсульных гидроагрегатов не превышает 50МВт, однако при необходимости она может быть значительно повышена.

Обоим известным исполнениям вертикальных гидрогенераторов соответствуют свои модификации капсульных машин: подвесному — конструктивная схема с размещением подпятника и контрподпятника между турбиной и генератором, зонтичному — компоновка с расположением подпятника и контрподпятника со стороны, противоположной турбине.

Известны также весьма редкие установки небольших гидроагрегатов с наклонной осью.

Наряду с положением оси вращения в качестве другого классификационного признака для гидрогенераторов может быть предложена и их функциональная роль в энергосистеме. В этом плане все гидрогенераторы делятся на две группы: генераторы обычного исполнения, предназначенные в основном для выработки в сеть электрической энергии, и обратимые машины, в различное время работающие в генераторном (турбинном) или двигательном (насосном) режиме.

Оснащенные обратимыми гидроагрегатами гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), называемые иногда также насосно-аккумулирующими (НАЭС), служат для покрытия пиков нагрузки энергосистем либо переводятся в режим потребления активной мощности, выравнивания общий график нагрузки системы и перекачивая при этом воду из нижнего бассейна в верхний.

Обратимые гидроагрегаты в зависимости от того, совмещают или нет входящие в них единицы оборудования различные функции, могут быть четырехмашиными, трехмашиными и двухмашинными. Последние (турбина — насос и генератор — двигатель), как наиболее компактные, дешевые и простые в обслуживании, обычно предпочтительнее и с освоением обратимых машин нашли самое широкое применение.

Обратимые гидрогенераторы могут быть вертикальными и горизонтальными, зонтичными и подвесными. Особенности капсульных генераторов изложены ниже.

Заслуживает быть отмеченным отдельно, несмотря на пока единичный пример осуществления (Иовская ГЭС), асинхронизированный тип гидрогенератора (АС-генератор), позволяющий в отличие от обычных синхронных машин при вращении агрегата с различными скольжениями относительно синхронной скорости обеспечивать постоянную и номинальную частоту сети. Достигается это созданием бегущего относительно ротора с частотой скольжения магнитного поля возбуждения.

От обычных машин АС-гидрогенераторы Иовской ГЭС отличаются конструкцией ротора, выполненного неявнополюсным и снабженного двумя распределёнными обмотками, сдвинутыми относительно друг друга на 90 электрических градусов. Быстродействующая система регулирования тока возбуждения в каждой из обмоток по определенным законам автоматически обеспечивает равенство частоты вращения поля ротора относительно самого ротора (с учетом ее направления, разности синхронной частоты и частоты вращения ротора).

По сравнению с обычными машинами, имеющими те же номинальные данные, АС — генераторы характеризуются несколько большими размерами и стоимостью, меньшим КПД и затрудненными условиями обслуживания, так как требуют для замены стержней любой обмотки выема ротора или подъема статора, но обладают и значительными преимуществами в отношении устойчивости их работы в сети. Асинхронизированные генераторы могут найти применение в системах, где требуется особо высокая точность поддержания частоты.

На выбор основных размеров гидрогенераторов влияет большое число факторов: требования к параметрам и режимам работы, условия охлаждения, размещения и компоновки генератора, характеристики используемых материалов и т.д. Но наиболее важными определяющими ограничениями при проектировании каждого нового типа гидрогенератора являются следующие:

1. Уровень нагрева активных частей, и в первую очередь обмотки статора, являющейся, как правило, лимитирующей в тепловом отношении, не должен превышать допустимых значений. При системе косвенного воздушного охлаждения это требование практически сводится к тому, что градиент перепада температуры в изоляции обмотки статора должен находиться в известных пределах, определяемых характеристиками самой изоляции.
2. В отдельных случаях при повышенных требованиях в отношении значения синхронного индуктивного сопротивления по продольной оси, а также в ряде мощных быстроходных гидрогенераторов, лимитирующей в тепловом отношении может оказаться обмотка возбуждения.
3. Гидрогенератор должен быть рассчитан на заданную угонную частоту вращения (коэффициент угона). При этом средние механические напряжения во всех элементах ротора, в том числе и в его обычно наиболее напряженном узле-ободе, не должен превосходить предела текучести материалов (принимаемый запас составляет, как правило, не менее 10-20%), а упругая радиальная деформация не должна достигать определенной доли размера воздушного зазора.
4. По условиям статической и динамической устойчивости работы генераторов на линию электропередачи их основные индуктивные сопротивления — синхронное и переходное — не должны превышать заданных значений. Величина определяется в значительной мере линейной нагрузкой статора А и поэтому оказывает большое влияние на размеры машин. Синхронное индуктивное сопротивление, будучи функцией размера воздушного зазора, влияет на требуемую мощность возбуждения и нагрев обмотки ротора и потому также может сказываться на выборе основных размеров гидрогенератора.
5. По условиям регулирования гидравлической турбины, прочности напорного турбопровода и ограничения максимального повышения частоты вращения при сбросах нагрузки динамический момент инерции гидрогенератора должен быть не менее определенного значения. Одной из задач конструктора является достижение последнего соответствующим выбором размеров генератора без искусственного утяжеления ротора.

2. ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ

2.1 Система планово-предупредительного ремонта, планирование, подготовка и проведение технического обслуживания и ремонта.

На ГЭС проводится комплекс работ по планово-предупредительному ремонту (ППР) оборудования, в том числе и гидрогенераторов. Этот комплекс включает планирование, подготовку и проведение технического обслуживания и ремонта (ТОНР) с заданной последовательностью и периодичностью, направленных на обеспечение надежной эксплуатации и доведение технико-экономических показателей гидрогенераторов до уровня утвержденных нормативных характеристик. Система ППР базируется на изучении и анализе ресурса деталей и сборочных единиц гидрогенераторов с определением на этой основе технически и экономически обоснованных норм и нормативов их использования. Составными частями ППР оборудования ГЭС являются его техническое обслуживание, капитальный и текущий ремонты.

При техническом обслуживании гидрогенераторов выполняется комплекс работ (операций) по поддержанию работоспособности или исправности гидрогенераторов в период их эксплуатации и нахождения в резерве.

При капитальном ремонте проводятся полная или частичная разборка гидрогенератора, осмотр, измерения, устранение обнаруженных дефектов, восстановление и замена изношенных деталей и составных частей, выполнение плановых мероприятий по модернизации и реконструкции, обеспечивающих повышение надежности, экономичности, ремонтопригодности и мощности гидрогенератора, сборку, наладку и испытания до и после ремонта, а также при сдаче гидрогенератора в эксплуатацию.

В результате капитального ремонта должна быть обеспечена надежная эксплуатация гидрогенератора в пределах установленного срока эксплуатации до следующего планового капитального ремонта с технико-экономическими показателями, соответствующими утвержденным нормативным характеристикам.

При текущем ремонте проводят технический осмотр и очистку деталей и сборочных единиц, замену или восстановление быстроизнашивающихся деталей, а также устранение дефектов, возникших в процессе эксплуатации. Входе текущего ремонта, предшествующего капитальному, максимально выявляется и уточняется объем работ, подлежащих выполнению в период последующего капитального ремонта. Текущие ремонты гидрогенераторов проводятся ежегодно.

Техническое обслуживание (ТО) гидрогенераторов и их вспомогательного оборудования осуществляется ремонтным персоналом ГЭС и должно обеспечивать установленную (нормативную) периодичность ремонта, сокращение плановых остановок гидрогенераторов и сохранение экономичности и надежности использования оборудования. Техническое обслуживание включает проведение осмотров оборудования по установленному графику для проверки состояния и выявления отклонений от нормы. Сроки и объем регулярно выполняемых работ по ТО и осмотру работающего и остановленного в резерв оборудования устанавливаются руководством ГЭС, Сведения о выявленных дефектах записываются в ремонтный журнал.

Капитальные и текущие ремонты, а также ТО гидрогенераторов проводятся, как правило, ремонтным персоналом ГЭС. При планировании работ по модернизации и реконструкции дополнительно привлекается персонал ремонтных предприятий энергосистем и (или) специализированных ремонтных и монтажных организаций.

Модернизация и реконструкция гидрогенераторов, а также работы, определяемые директивными указаниями. направленными на повышение надежности и экономичности, увеличение мощности и длительности непрерывной работы оборудования, его ремонтопригодности, работы по замене деталей и сборочных единиц, отработавших расчетный ресурс или достигших предельного состояния, и другие, как правило, совмещаются с проведением капитального ремонта.

Условия участия ремонтных и других подрядных организаций в ремонтных работах определяются договорами, заключаемыми ГЭС и подрядными организациями, и положением о взаимоотношениях между энергопредприятиями и подрядными организациями при ремонте оборудования. Техническое обслуживание и ремонт гидрогенераторов должны выполняться по разработанной и утвержденной в установленном порядке ремонтно-конструкторской и (или) нормативно-технической и технологической документации.

Планирование капитальных и текущих ремонтов гидроагрегатов, в том числе и гидрогенераторов ГЭС, осуществляется путем составления перспективных, годовых и месячных планов. Годовые и месячные планы ГЭС составляются соответственно до 1 марта года и до 10 числа каждого месяца, предшествующих планируемым ремонтам. При планировании ремонтов определяются их периодичность, плановая продолжительность простоя в ремонте в соответствии с нормами, а также фактическое состояние гидроагрегатов, трудовые, материальные затраты и стоимость ремонта.

Для обеспечения подготовки персонала ГЭС и ремонтного (монтажного) предприятия к проведению ремонта согласование номенклатуры и объема ремонтных работ проводится не позднее следующих сроков: ГЭС выдает ремонтному предприятию или другому подрядчику для согласования укрупненный объем ремонтных работ, включая модернизацию, по всем гидрогенераторам до 15 июля, а уточненный перечень работ ─ до 1 декабря года, предшествующего году проведения ремонта; уточненный объем работ и утвержденную ведомость работ ─ за 2 мес. до начала ремонта.

2.2 Номенклатура и объем типовых работ при капитальном ремонте

Основой для планирования ремонтов гидрогенераторов являются установленные нормы продолжительности простоя гидроагрегатов (в том числе гидрогенераторов) в ремонте и нормативы продолжительности эксплуатации гидроагрегатов между капитальными ремонтами.

Другой составляющей продолжительности простоя гидрогенераторов в капитальном ремонте является время, необходимое для выполнения сверхтиповых работ, если они не могут быть произведены в нормативную продолжительность ремонта гидроагрегата и дополнительные работы лежат на критическом пути сетевого графика работы, находящиеся на критическом пути и определяющие продолжительность простоя, организуются в две-три смены.

3. РАЗБОРКА И СБОРКА ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ

Объем разборки гидрогенератора зависит от вида ремонта и может изменяться в широких пределах. Наиболее полная разборка генератора, обеспечивающая возможность осмотра и проверки основных деталей и сборочных единиц, выполняется при капитальном ремонте. Проектом организации работ предусматриваются подготовка рабочего места, оснастки, оборудования, инструмента, материалов, энергоразводок, освещения; ознакомление с конструкторской и технологической документацией; проведение инструктажей по организации работ, технике безопасности и противопожарной безопасности. Последовательность разборки генератора зависит от его конструкции и указывается в заводских инструкциях на монтаж и технологической документации, разработанной для конкретного вида ремонта. При капитальном ремонте разборке подлежат перекрытия, лестницы, узлы и детали систем возбуждения, регулирования, охлаждения, трубопроводы, болтовые контактные соединения, кабельные и шинные токоподводы систем возбуждения, измерения, регулирования, освещения, а также подшипники, подпятники.

Перед разборкой конкретных деталей, сборочных единиц, электрических контактов, трубопроводов выполняется их маркировка. Маркировка съемных деталей наносится краской и должна однозначно определять либо порядковый номер детали, либо ее положение относительно базовой. Маркировка электрических контактов выполняется бирками, цифры на которых определяют взаимную принадлежность соответствующих пар. Маркировка фланцев трубопроводов выполняется на нерабочей части труб или фланцев, Одинаковым по форме съемным деталям при маркировке присваивается порядковый номер от выбранной точки отсчета относительно поперечной или продольной осей машинного зала ГЭС.

В процессе разборки (сборки) генератора производится измерение зазоров между базовыми и съемными (или вращающимися) деталями и их относительных положений. Зазоры измеряются пластинчатыми или клиновыми щупами, относительные положения ─ масштабной линейкой, угольником, штангенциркулем, индикаторами. Линии валов проверяются индикаторами часового типа, закрепленными на магнитных или иных подставках при поворотах ротора. Результаты измерений заносятся в формуляры. По результатам измерений оценивается состояние сборочных единиц и определяется необходимость выполнения тех или иных ремонтных операций.

В объеме капитального ремонта генератора измерение зазоров производится для следующих сборочных единиц и деталей между полюсами роторов и сердечниками статоров главного генератора, вспомогательного генератора, углов измерительного генератора, между полюсами магнитной системы и якорями возбудителей и регуляторного генератора, в подшипниках, между полюсами ротора и статором при проверке формы ротора и статора, в стыках секторов сердечника статора при замене прокладки, между фундаментными плитами и фланцем корпуса статора при исправлении положения статора. Проверка относительных положений и установочных размеров производится для следующих деталей и сборочных единиц: щеткодержателей относительно якоря возбудителя и контактных колец в осевом и радиальном направлениях, воздухоразделяющих щитов относительно лопаток вентиляторов, полюсов роторов относительно сердечников статоров главного и вспомогательного генераторов, полюсов относительно якоря возбудителя, полюсов относительно обода ротора главнго генератора, пакетов сердечника статора со стороны спинки для определения волны и деформации пакетов в стыках, относительного перемещения шеек и фланцев валов при центровке, нажимных пальцев гребенок относительно зубцов статора, внутренней расточки остова крестовины относительно оси вала и основании относительно горизонтальной плоскости, крестовины относительно распорных домкратов.

Строповка основных деталей при разборке генератора производится с использованием штатных и съемных грузозахватных приспособлений (траверс, рым-болтов, восьмерок, серег, рымов) соответствующей грузоподъемности. Схемы строповки указываются в монтажной документации и технологических инструкциях. Правила строповки, размещение стропов на крюке крана, требования к стропам, угол между ветвями стропов, требования к съемным грузозахватным приспособлениям, подъем и перемещение деталей, размещение и складирование деталей определяются проектом организации работ и должны обеспечивать безопасность разборки и целостность разбираемых деталей генератора.

4. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ

4.1 Общие положения

В процессе эксплуатации гидрогенераторов неизбежны отклонения от номинальных условий их работы: по напряжению, частоте, току статора, коэффициенту мощности, температуре охлаждающего агента и др. Кроме того, в условиях эксплуатации имеют место переходные и аварийные режимы работы различной длительности.

Чтобы отклонения от номинальных условий работы и возможные анормальные режимы не приводили к выходу из строя и преждевременному износу гидрогенераторов, необходимо учитывать их уже при проектировании, а в эксплуатации не превышать допустимых пределов. Необходимо также учитывать и такие процессы, как пуск, синхронизация, останов, режимы, и особые условия работы подпятника, систем возбуждения и охлаждения, других вспомогательных систем.

Установившиеся нормы допустимых отклонений от номинальных режимов являются исходными данными для проектирования гидрогенераторов, выбора релейных защит, а также для действий эксплуатационного персонала гидроэлектростанций.

Ниже приводятся и анализируются эти нормы, а также излагаются некоторые методы расчетов по определению областей допустимых режимов работы гидрогенераторов.

4.2 Изменение напряжения

Обычно гидрогенераторы рассчитывают так, чтобы при изменении напряжения на выводах обмотки статора в пределах 5% номинального они могли длительно развивать номинальную мощность при номинальных значениях частоты и коэффициента мощности. Это достигается тем, что индукции в различных участках магнитопровода машины и плотности тока в обмотках выбираются с учетом возможного их повышения в указанных пределах.

Со снижением напряжения повышение нагрева от потерь в меди обмотки статора вследствие увеличения в ней тока компенсируется снижением нагрева из-за уменьшения потерь в сердечнике статора. При уменьшении напряжения ниже 95% номинального увеличения тока статора свыше 105% номинального обычно не допускается, даже если при этом температура обмотки статора остается ниже предельно допустимого значения. Это объясняется тем, что в машинах с косвенным воздушным охлаждением перепад температуры в изоляции обмотки статора пропорционален квадрату тока и чрезмерное увеличение градиента этого перепада может привести к необратимым относительным смещениям слоев корпусной изоляции с изоляцией элементарных проводников стержней и в результате к снижению срока службы изоляции.

Гидрогенераторы обычно рассчитываются также из условия их длительной работы при повышении напряжения до 110% номинального включительно. Однако ввиду увеличения потерь в стали, вызываемых ими местных нагревов, а также роста тока и нагрева обмотки возбуждения сохранить при этом номинальную мощность не удается. Обычно при повышении напряжения свыше 105% номинального кажущаяся мощность гидрогенератора снижается примерно на 2% с каждым процентом повышения. Работа при напряжении более 110% номинального не допускается.

В некоторых случаях при проектировании гидрогенераторов могут быть иные требования по отклонениям напряжения от номинального значения: большой диапазон изменений напряжения, в том числе и с сохранением номинальной мощности, возможность работы с номинальной или весьма близкой к ней мощностью при достаточно большом снижении напряжения и т.д. Эти требования обуславливаются специфически условиями энергосистем в различных районах, не имеющих, порой, необходимых резервов мощности и обладающих слабыми связями с другими энергосистемами. В этих случаях требуются внесение коррективов в выбор электромагнитных нагрузок активной зоны гидрогенераторов и расчет сердечников и обмоток статора и ротора на экстремальные длительные значения токов и напряжений.

В тех случаях, когда требуется предусмотреть продолжительную работу гидрогенератора с напряжением выше 110% номинального, необходимо соответственно увеличить толщину корпусной изоляции обмотки статора против нормативного значения, выбранного из условий длительной работы с напряжением до 110% и кратковременных эпизодических повышений напряжения до 150% номинального.

4.3 Изменение частоты

Гидрогенераторы как и большинство других типов электрических машин, рассчитываются, как правило, из условия их работы с номинальной мощностью при изменении частоты в пределах ±2,5% номинальной. Однако при уменьшении частоты относительно номинальной повышение напряжения сверх номинального не допускается. Это обусловлено тем, что для поддержания постоянного значения напряжения при снижении частоты приходится увеличивать магнитный поток, а также ток ротора. Если при этом и повысить напряжение, т.е. еще более увеличить рабочий магнитный поток в машине, то нагревы сердечника и обмотки статора и температура обмотки ротора могут превысить допустимые пределы.

В отдельных случаях могут быть также ограничения при работе гидрогенератора с повышенной против номинальной частотой и одновременно с большим напряжением. При повышении частоты несколько увеличиваются добавочные потери в проводниках обмотки статора и на поверхности полюсных наконечников: потери в сердечнике статора изменяются незначительно: они несколько возрастают из-за увеличения частоты, но одновременно снижаются благодаря уменьшению магнитного потока. В результате общий нагрев обмотки статора не выходит из допустимых пределов. Однако при повышении напряжения из-за роста потерь в стали сердечника статора в напряженных в тепловом отношении гидрогенераторах может возрасти температура обмотки статора выше допустимой. По этой причине для отдельных типов гидрогенераторов не допускается работа при повышенной частоте с одновременно увеличенным напряжением по сравнению с номинальным.

4.4 Изменение коэффициента мощности

Работа гидрогенератора при коэффициенте мощности выше номинального допускается с сохранением номинальной полной мощности. Таким образом, гидрогенератор может нести активную нагрузку, равную его полной мощности. При этом вращающий момент на валу генератора больше номинального, что всегда учитывается при проектировании.

При понижении по сравнению с номинальным и перевозбуждении полную мощность сохранить не удается, так как ток ротора выше номинального. Исключение составляют те случаи, когда обмотка возбуждения и возбудитель имеют достаточные запасы по нагреву.

При работе гидрогенераторов с понижением и недовозбуждением (емкостная и смешанная активно-емкостная нагрузка) допустимая реактивная мощность ограничивается нагревом крайних пакетов сердечника статора, а также условиями устойчивой работы линии электропередачи.

На практике наиболее удобно определять область допустимых нагрузок гидрогенераторов, включая и работу при недовозбуждении, с помощью графического метода.

4.5 Изменение температуры воды и воздуха

При номинальной мощности гидрогенератора температура входящего охлаждающего воздуха предусматривается в отечественной практике не выше 35°С при замкнутом цикле вентиляции и не выше 40°С при разомкнутом цикле вентиляции. Воздухоохладители обеспечивают охлаждение поступающего в генератор воздуха во всех длительных эксплуатационных режимах, включая номинальный, до 35°С при температуре поступающей технической воды не выше 28°С.

В отдельных случаях, при установке в районах с жарким тропическим климатом, гидрогенераторы рассчитываются для условий работы при более высокой температуре входящего воздуха (например, 40° или 45°С), которая превышает температуру поступающей в воздухоохладители воды обычно на 10°С и минимум на 7°С. Наоборот, при установке в районах холодного климата разница в температуре воды и воздуха принимается, с целью экономии расхода технической воды на гидроэлектростанции, большей и достигает 15°С и более.

В зимнее время года снижение температуры охлаждающей воды позволяет уменьшить температуру воздуха, что, в свою очередь, дает возможность повысить в известных пределах мощность гидрогенератора, сохраняя температуру его обмоток неизменной. Однако увеличение мощности ограничивается и в этом случае перепадом температуры в изоляции обмотки статора.

Расчетами и опытом эксплуатации установлены следующие нормы повышения мощности при снижении температуры воздуха с 35 до 30°С допустимо увеличение мощности на 0,75% на каждый градус понижения температуры воздуха. При дальнейшем понижении температуры охлаждающего воздуха против ее номинального значения на 10°С и более общее повышение мощности гидрогенераторов достигает 5%.

Работа гидрогенератора при температуре входящего воздуха ниже +15°С не рекомендуется, а ниже +10°С не допускается, так как это грозит опасностью нарушения изоляции обмотки статора.

В зимнее время года не следует также переохлаждать воздухоохладители во избежание конденсации на них влаги (отпотевания). По этой причине обычно осуществляется сезонное регулирование расхода охлаждающей воды через воздухоохладители и уменьшается расход воды в зимний период.

4.6 Несимметричная нагрузка

В практике эксплуатации гидрогенераторов возможны более или менее продолжительные режимы работы, когда фазные токи образуют несимметричную систему, т.е. имеют неодинаковую амплитуду и различный фазовый сдвиг относительно напряжения. В общем случае фазные напряжения также могут представлять собой несимметричную систему. Если иметь в виду внешнюю несимметрию, то она может возникнуть, например, при несимметричной нагрузке или при обрыве одной из фаз линии.

Гидрогенератор вертикальный. Гидрогенераторы обычно имеют сравнительно малую частоту вращения (до 500 об/мин) и достаточно большой диаметр (до 20 м), чем в первую очередь определяется вертикальное исполнение большинства гидрогенераторов, так как при горизонтальном исполнении становится невозможным обеспечение необходимой механической прочности и жесткости элементов их конструкции.

Вертикальные гидрогенераторы обычно состоят из следующих основных частей: статор, ротор, верхняя крестовина, нижняя крестовина, подпятник (упорный подшипник, который воспринимает вертикальную нагрузку от вращающихся частей гидрогенератора и гидротурбины), направляющие подшипники.

Гидрогенератор зонтичный. В зонтичном гидрогенераторе подпятник располагается под ротором генератора, на нижней крестовине или на крышке турбины; вал генератора вращается в двух или трёх направляющих подшипниках. Мощные тихоходные гидрогенераторы обычно велики по размерам; для уменьшения их габаритов и снижения веса целесообразно зонтичное исполнение. Пример гидрогенератора зонтичного типа — гидрогенератор Красноярской ГЭС (рис. 1): частота вращения 93,8 об/мин, диаметр ротора 16 м и масса 1640 т.

Рис. 1. Гидрогенератор (Красноярская ГЭС)

Гидрогенератор капсульный. Горизонтальные капсульные гидрогенераторы представляют собой часть герметичной капсулы, содержащей помимо гидрогенератора гидротурбину и системы обеспечения. Капсула помещается непосредственно в проточную часть гидроэлектростанции.

Гидрогенератор марка. Основные размеры гидрогенератора — диаметр активной стали Da, её высота la, а также число полюсов p указываются в его марке. Например, маркировка СВФ-1690/175-64 означает: синхронный, вертикальный с форсированным охлаждением (для генераторов завода «Уралэлектротяжмаш» — ВГСФ; вертикальный генератор, синхронный с форсированным охлаждением), Da=1690см, la=175см, p=64. Маркировка генератора капсульного агрегата СГКВ 730/140-80 означает: синхронный, горизонтальный, капсульного исполнения, с водяным охлаждением обмоток. Цифровая маркировка расшифровывается аналогично маркировке вертикальных гидрогенераторов.

Гидрогенератор наклонный — гидрогенератор, имеющий наклонную ось вращения.

Гидроагрегат обратимый. Наряду с положением оси вращения в качестве другого классификационного признака для гидрогенераторов может быть предложена и их функциональная роль в энергосистеме. В этом плане все гидрогенераторы делятся на две группы: генераторы обычного исполнения, предназначенные в основном для выработки в сеть электрической энергии, и обратимые машины, в различное время работающие в генераторном (турбинном) или двигательном (насосном) режиме.

Оснащенные обратимыми гидроагрегатами гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), называемые иногда также насосно-аккумулирующим (НАЭС), служат для покрытия пиков нагрузки энергосистем либо переводятся в режим потребления активной мощности, выравнивая общий график нагрузки системы и перекачивая при этом воду из нижнего бассейна в верхний.

Обратимые гидроагрегаты в зависимости от того, совмещают или нет входящие в них единицы оборудования различные функции, могут быть четырехмашиными, трехмашиными и двухмашинными. Последние (турбина — насос и генератор — двигатель), как наиболее компактные, дешевые и простые в обслуживании, обычно предпочтительнее и с освоением обратимых машин нашли самое широкое применение.

Обратимые гидрогенераторы могут быть вертикальными и горизонтальными, зонтичными и подвесными. Особенности капсульных генераторов изложены ниже.

Гидрогенератор подвесной.  В подвесном гидрогенераторе опорный подшипник, воспринимающий вес вращающихся частей гидроагрегата, а также осевое давление воды на рабочее колесо турбины, расположен выше ротора генератора, на верхней крестовине агрегата. Для быстроходных гидрогенераторов меньших габаритов предпочтительна конструкция подвесного типа, которая по сравнению с зонтичной обладает большей устойчивостью к механическим колебаниям ротора, имеет меньший диаметр опорного подшипника и проще в монтаже. Примером может служить гидрогенератор Братской ГЭС (рис. 2): частота вращения 125 об/мин, диаметр ротора 10 м, масса 1450 т.

Рис. 2 Гидрогенератор (Братская ГЭС)