Современное развитие электроэнергетики характеризуется повышением напряжений, при которых генерируется, передается и распределяется электрическая энергия. Для передачи энергии на дальние расстояния приходится применять повышающие трансформаторы, так как напряжение турбо- и гидрогенераторов не удается поднять выше 20-30 кВ.
Результатом применения такой схемы генерирования электрической энергии является существенное увеличение капитальных затрат на строительство электростанции и ее эксплуатацию, трудности при создании и эксплуатации шинопроводов и коммутационной аппаратуры, которые связывают генератор, имеющий большую мощность, сравнительно низкое напряжение и большие токи, с повышающим трансформатором.
Отказ от трансформатора и коммутационной аппаратуры позволяет повысить надежность энергетического блока в целом, а также взрыво- и пожаробезопасность.
Варианты генераторов с прямым подключением к сети высокого напряжения начали рассматриваться еще в 20-е годы прошлого века, а в 30-е годы фирма Parsons (Великобритания) изготовила шесть турбогенераторов мощностью 20 МВт на напряжение 30 кВ, которые из-за конструктивной недоработки быстро вышли из строя.
С тех пор напряжения передающих сетей быстро росли, а технологические возможности создания электрической изоляции на такие напряжения (при выполнении большого количества требований по уровню параметров, конструкции и технологичности генератора в целом) оставались ограниченными.
В 60 - 70-х годах прошлого века в Московском энергетическом институте под руководством члена-корреспондента АН СССР Г.Н. Петрова и проф. А.В. Иванова-Смоленского был выполнен большой объем работ по созданию гидрогенераторов на номинальное напряжение до 110 кВ и выше.
При таких уровнях номинального напряжения не только отпадают трудности, связанные с передачей и коммутацией больших токов, но и появляется возможность отказаться от повышающих трансформаторов и присоединять гидрогенераторы непосредственно к линии электропередачи. Это приводит к упрощению компоновки гидростанции, уменьшению стоимости и сроков ее строительства.
Наиболее эффективным применение такой схемы может оказаться на гидростанциях, сооружаемых в горных районах, и особенно при подземном исполнении здания ГЭС. В этих случаях отпадает необходимость сооружения подземного зала или площадки для установки повышающих трансформаторов, что приводит к большой экономии капитальных затрат (до 25 - 30%).
Для проведения широкого комплекса НИР и ОКР, необходимых для создания высоковольтных гидрогенераторов, был организован научный и производственный коллектив: кафедры электрических машин и техники высоких напряжений МЭИ, научно-исследовательский сектор и ряд отделов института Гидропроект, ВНИИЭ, ВЭИ, заводы «Уралэлектротяжмаш», «Камкабель» и др. Работы завершились разработкой и изготовлением первого в мире высоковольтного гидрогенератора 16,9 МВА, 187,5 об/мин, 110 кВ.
В 1969 г. гидрогенератор был смонтирован на Сходненской ГЭС, включен в систему Мосэнерго и поставлен под нагрузку. На генераторе были выполнены большие комплексные экспериментальные исследования и проведены эксплуатационные испытания.
Все основные электрические, механические и энергетические параметры и характеристики генератора хорошо совпали с расчетными.
По своему устройству предложенный высоковольтный гидрогенератор существенно отличается от обычных гидрогенераторов на напряжение 10-20 кВ. В пазах статора высоковольтного генератора размещены много-витковые катушки с двухсторонней толщиной относительно корпуса 40 - 50 мм на напряжение 110 кВ и 80 - 90 мм на напряжение 220 кВ. Геометрические размеры пазов увеличиваются. Пазовое деление статора становится равным 30 - 50 см вместо 4 - 7 см в обычных гидрогенераторах, а количество пазов существенно уменьшается.
При малом числе катушек обмотки якоря, характерном для высоковольтного генератора, линейное напряжение 110 кВ и выше может быть достигнуто только при большом числе витков в катушке. Катушка наматывается слоями из изолированного провода прямоугольного сечения, между слоями устанавливаются дистанционные распорки, благодаря чему образуются каналы для охлаждающего кабельного масла.
Корпусная изоляция - бумажно-масляная. Поверх нее выполняется кожух, который служит резервуаром для масла, пропитывающего корпусную изоляцию. Выполняя ряд условий при выборе числа витков на полюс и фазу в такой обмотке, можно получить коэффициент искажения синусоидальности напряжения, удовлетворяющий требованиям стандарта. При этом шаг обмотки должен быть равен единице, и катушка охватывает один зубец.
Описанная обмотка статора создает широкий спектр асинхронных гармонических составляющих МДС и имеет индуктивное сопротивление дифференциального рассеяния, в несколько раз превышающее индуктивное сопротивление взаимоиндукции.
Для того, чтобы получить приемлемое значение дифференциального рассеяния, при котором индуктивные параметры высоковольтного генератора находились бы на уровне блока из обычного генератора и повышающего трансформатора, ротор генератора должен быть оснащен полной демпферной обмоткой.
Стержни демпферной обмотки помещаются на полюсном наконечнике в пазах, один из стержней располагается в межполюсном пространстве. Размеры демпферной обмотки выбраны такими, что она существенным образом ослабляет асинхронные гармонические МДС.
Для уменьшения рассеяния демпферной обмотки ее стержни размещаются в открытых пазах. В демпферной обмотке индуктируются значительные токи от асинхронных зубцовых и катушечных МДС, частота которых в 3 и более раза превосходит частоту статора, а также токи, наведенные пульсациями синхронного поля из-за зубчатости статора. Поэтому стержни демпферной обмотки состоят из изолированных, транспонированных между собой элементарных проводов с малыми линейными размерами. Все части генератора за исключением обмотки статора охлаждаются воздухом.
На основе опыта, полученного в ходе изготовления, испытаний и эксплуатации экспериментального гидрогенератора 110 кВ, был разработан рабочий проект гидрогенератора 122,4 МВА, 165 кВ, 103,4 об/мин. Тем самым уже в те годы были обоснованы реальные возможности промышленного освоения гидрогенераторов большой мощности на напряжения 110 - 220 кВ.
Рядом компаний предпринимались попытки создания высоковольтных гидро- и турбогенераторов на основе альтернативных способов повышения напряжения.
Одним из наиболее удачных оказался способ, состоящий в увеличении числа витков за счет применения многослойного кабеля при сохранении благоприятного соотношения числа пазов на полюс и фазу.
В 1980 - 1985 гг. компанией Parsons были выполнены разработки высоковольтных генераторов на напряжение 110 - 220 кВ.
Институтом Гидропроект совместно с ПО «Москабель», НИИКП, ВНИИэлектромаш и НПО «Сибэлектротяжмаш» была разработана конструкция высоковольтной обмотки статора из многослойного высоковольтного кабеля, который представляет собой совокупность концентрически расположенных цилиндрических проводящих слоев, навитых на центральную жилу и разделенных изоляцией.
Проводящие слои каждой фазы соединяются между собой последовательно. Такие обмотки позволяют повышать напряжение при сохранении характерных для обычных генераторов геометрических размеров пазов и получать при этом требуемую форму МДС статора.
Конструкция обмоток обеспечивает значительное упрощение технологии изготовления и укладки обмотки в пазы. Кроме того, обмотка обладает высокой эксплуатационной надежностью, так как не имеет соединений в лобовых частях и менее чувствительна к вибрациям.
На основе полученных положительных результатов изготовления и испытаний высоковольтного кабеля на напряжение 110 кВ были предприняты попытки создать гидро- и турбогенераторы для внедрения на действующих энергообъектах.
Наиболее близким к реализации был проект модернизации двухполюсного турбогенератора с водомасляным охлаждением ТВМ-60 Новосибирской ТЭЦ-2 с переводом его напряжения с 18 кВ на 110 кВ. При этом предполагалось заменить в турбогенераторе только статор. К сожалению, проект не был реализован.
Действующий высоковольтный гидрогенератор мощностью 11 МВт имеет КПД, на 1% превышающий КПД обычных генераторов. Эксплуатация такого генератора позволяет сэкономить около 37 млн долл. (прогнозируется повышение КПД на 1,5%).
Снижение инвестиционной стоимости оценивается в 46 млн долл., эксплуатационных расходов и технического обслуживания при ожидаемом сроке службы 30 лет - 42 млн долл.
Результаты сравнительного анализа некоторых параметров электрических блоков с турбогенераторами одинаковой мощности, из которых первый является традиционным типа ТВФ-110-2УЗ (с двумя комплектами коммутационной аппаратуры на напряжения 10,5 и 110 кВ и тансформатором ТДЦ-125000/110 общей массой 128 т, в том числе масла 18,7 т), а второй и третий - высоковольтными с обмоткой статора, выполненной соответственно из одножильного кабеля (вариант фирмы ABB) и многослойного кабеля показывают, что замена традиционного генератора на высоковольтный позволяет снизить расход меди на 52,7% (в обоих вариантах), расход электротехнической стали в варианте ABB уменьшается на 18,1 %, в то время как во втором варианте - на 30,7%.
В последние десятилетия развитие высоковольтных генераторов показало их потенциальные преимущества перед традиционными схемами с понижающими трансформаторами. Высоковольтные генераторы позволяют упростить компоновку энергетических блоков, снизить затраты на строительство, упростить техническое обслуживание и повысить экономическую эффективность при эксплуатации.
Высоковольтные генераторы представляют собой важное направление в развитии электроэнергетики, способное повысить эффективность генерации, снизить эксплуатационные затраты и минимизировать экологические риски. Текущие исследования и проекты, направленные на улучшение конструкции, материалов и систем защиты высоковольтных генераторов, закладывают основу для их более широкого внедрения в будущие энергетические системы.