Файл: Техникоэкономических характеристик турбогенераторов с полимидной изоляцией Магистрант.pdf

7 Некоммерческое акционерное общество
«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ Кафедра Электрические станции, сети и системы Специальность М - Электроэнергетика Допущен к защите Завкафедрой д.т.н., профессор Соколов СЕ.
г. МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ пояснительная записка Тема Исследование технико-экономических характеристик турбогенераторов с полимидной изоляцией Магистрант
_____________________ Рыспеков.М.Р.___
подпись (Ф.И.О.) Руководитель диссертации
_________д.т.н., профессор Соколов,С.Е.
подпись (Ф.И.О.) Рецензент подпись (Ф.И.О.)
Алматы, 2014 г.

8 Некоммерческое акционерное общество
«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ Факультет
_______ Электроэнергетический Специальность М
- Электроэнергетика
Кафедра
_______Электрические станции, сети и системы ЗАДАНИЕ на выполнение магистерской диссертации Магистранту
Рыспекову
Мейрамбеку
Рыспековичу фамилия, имя, отчество) Тема диссертации Исследование технико-экономических характеристик турбогенераторов с полимидной изоляцией утверждена Ученым советом университета от
«___»__________________ Срок сдачи законченной диссертации
«___»______________________________ Цель исследования Повысить напряжение путем замены старой термореактивной статорной изоляции на новую полиимдную статорную изоляцию Перечень подлежащих разработке в магистерской диссертации вопросов или краткое содержание магистерской диссертации
1 Турбогенераторы. Основные сведения
2 Изоляция турбогенераторов.
_______________________________
3 Новая высоковольтная изоляция. Типы изоляции
4 Расчет изоляции турбогенератора.
______ Перечень графического материала (сточным указанием обязательных чертежей Рекомендуемая основная литература Абрамов АИ, Извеков ВИНА. Серехин. Проектирование турбогенераторов- М. Высшая школа,
1990 г.
___
В.В. Титов, ГМ. Хуторецкий, ГА. Загородная. Турбогенераторы. Расчет и конструкция. ЭНЕРГИЯ, Ленинградское отделение, 1967 г. _____________ Пособие по курсовому и дипломному проектированию для электроэнергетических специальностей ВУЗов. Под ред. В.М. Блока,-М.: Высшая школа,
1990 г
Титов В.В., Хуторецкий ГА, Загородная ГА, Турбогенераторы. Расчет и конструкция. Л. 1981 г. _________________________ ГРАФИК подготовки магистерской диссертации Наименование разделов, перечень разрабатываемых вопросов Сроки представления научному руководителю Примечание Турбогенераторы. Основные сведения
01.06.2013 – 15.07.2013 Изоляция турбогенераторов.
16.07.2013 – 15.09.2013 Новая высоковольтная изоляция
16.09.2013 – 31.10.2013 Расчет изоляции турбогенератора
01.11.2013 – 28.12.2013 Дата выдачи задания Заведующий кафедрой ______________________(___ Соколов СЕ.
_____)_____
(подпись) (Ф.И.О.)
Руководитель диссертации __________________ (Соколов СЕ. )_____
(подпись) (Ф.И.О.) Задание принял к исполнению магистрант _______________________________ (__ Рыспеков,М.Р
__)_____
(подпись) (Ф.И.О.)

10 Содержание Введение ………………………………………………………………….……6 1. Турбогенераторы. Основные сведения 1.1 Основные факторы определяющие конструкцию турбогенератора. Изоляция турбогенераторов 2.1 Типы изоляции …………………………………………………..……..11 2.2 Термопластичная изоляция и ее конструкция .…………………...…14 2.3 Термореактивная изоляция и ее конструкция …..…………………...15 2.4 Технология изготовления термореактивной изоляции Типы изоляции Изоляция обмотки статора. Конструкция изоляции 2.6 Совокупность причин, вызывающих выход изоляции из строя в процессе работы ……………………………………………………..……..26 2.7 Возможные способы повышения надежности изоляции турбогенератора. Новая высоковольтная изоляция …………….. ………………………...34 3.1 Полиимидная статорная изоляция 3.2 Технология изготовления полиимидной статорной изоляции 3.3 Технология получения полиимидно-фторопластовой пленочной изоляции стержней 3.4 Технологический процесс изготовления полиимидной изоляции 3.5 Электрическая прочность пазовой изоляции ПИ
АБ
электромеханических преобразователей 3.6 Цементация стержней при изолировании полиимидно - фторопластовыми пленкамию...............................................................47 4. Методика расчета изоляции турбогенератора 4.1 Расчет турбогенератора с полиимидной статорной изоляцией на номинальное напряжени турбогенератора 37,5 кВ ………………....49 Заключение Список литературы

11 Введение Данная магистерская работа затрагивает тему технико-экономического эффекта от замены традиционной электрической изоляции турбогенератора на полиимидную изоляцию алициклического строения. В крупных электрических машинах изоляцию обмоток статоров разделяют наследующие виды корпусная изоляция (между обмоткой и сталью статора
- междуфазная изоляция (между обмотками различных фаз
- витковая изоляция (между витками одной секции или катушками
- изоляция элементарных проводников (между проводниками водном витке или стержне обмотки. Современные турбогенераторы мощностью свыше 60 МВт, в России ив других странах изготавливают с обмоткой статора, имеющей термореактивную корпусную изоляцию. Так как в последнее время все более актуальной становится задача разработки систем изоляции с длительной рабочей температурой 200 на высокие рабочие напряжения, связанных с продлением срока службы турбогенераторов, модернизацией находящихся в эксплуатации электрического оборудования, применение разработанного материала в мощных турбогенераторах представляет несомненный интерес.При конструировании изоляции машин большое внимание уделяется ослаблению влияния короны, частичных разрядов, возникающих в пазовой части изоляции, и скользящих разрядов, возникающих вместе выхода обмотки из паза. Для избежание опасного влияния этих разрядов используются следующие мероприятия
- применение изоляции с повышенной стойкостью к воздействию частичных разрядов (в нашем случае полиимиды
- регулирование электрического поля. В пазовых частях изоляция покрывается полупроводящими покрытиями
(полиимидная пленка с содержанием электротехнического угля, ослабляющими электрическое поле в газовых включениях и воздушных зазорах между изоляцией и стенками пазов, что уменьшает частичные разряды в этих включениях. Для демонстрации преимущества новой изоляции в работе приводится расчет обмотки статора турбогенератора с применением традиционной термореактивной изоляции на основе слюдопластов и слюдинитовых бумаги пленок из полиимидов алициклического строения ПИ
АБ
В последнее время все более актуальной становится задача разработки систем изоляции с длительной рабочей температурой 200 Сна высокие рабочие напряжения, связанных с продлением срока службы электрооборудования, модернизацией находящихся в эксплуатации турбогенераторов, путем применения новых с высокими технико-экономическими показателями изоляционных материалов. Одним из основных факторов, обеспечивающих надежность работы и технико-экономические показатели турбогенераторов, является корпусная

12 изоляция обмоток статора, то есть изоляция обмоток от статорной стали. В настоящее время, в зависимости от номинального напряжения, мощности и типа машины, а также от способа охлаждения, применяются разнообразные типы корпусной (пазовой) изоляции.

13
АҢДАТПА
Бітіру жұмысында турбогенератордын технико–экономиқалық көрсеткіштері қарастырылады. Турбогенератордың традициондық термореактив изоляциясын полиимид изоляциясын бұрамалар жұбында аустыруы 37,5 кВ мәселесі көрсетіледі. Бұрамалар жұбын изоляциясын төмендетуде е тиімді шарасын қарастырлады.Осы изоляциясын қолдануы экономикалық мақсаты бітіру жұмысында көрсетіледі АННОТАЦИЯ В данной магистерской работе рассмотрены взадачи повышения напряжения современных турбогенераторов. Актуальность вопроса обусловлена понижением расходов на изготовление турбогенератора путем замены традиционной термореактивной изоляции на полиимидную в пазах статора и повышением напряжения в современных турбогенераторах до
37,5 кВ. Произведены расчеты на уменьшение размера паза и диаметра статора на номинальное напряжение турбогенератора 37,5 кВ.

14
1 Турбогенераторы. Основные сведения
1.1 Основные факторы определяющие конструкцию турбогенераторов В результате научно-технического прогресса в энергомашиностроении, металлургии, благодаря созданию новых материалов, успехам технологии единичную мощность отечественных турбогенераторов удалось повысить с
0.5 тыс кВт (1924 г) до 1200 кВт (1975 г, теза лет она выросла враз. Это большое достижение нашей науки и техники, особенно если учесть, что чем мощнее была создаваемая машина, тем сложнее оказывался узел проблем, встававших перед учеными, конструкторами, инженерами. Чтобы получить хотя бы общее представление о том, как достигалось повышение мощности, какие основные задачи приходилось решать при этом, рассмотрим некоторые особенности конструкции современных турбогенераторов. Рисунок 1.1- Общий вид ротора турбогенератора : 1 корпус 2 – сердечник статора 3 ротор 4 – секция водородного охлаждения
5 – возбудитель. Ротор турбогенератора, который сидит на одном валу с паровой турбиной, выполняется из массивной поковки магнитной стали. В его обмотку от

15 постороннего источника подается постоянный токи таким образом ротор превращается в электромагнит. При вращении ротора создаваемое им магнитное поле пересекает проводники статора, которые уложены в пазах сердечника (он выполняет роль магнитопровода. В результате в проводниках статора индуктируется переменная электродвижущая сила (э. д. с. От статора переменный ток поступает на повышающий трансформатора затем по линии электропередачи направляется к потребителям. Даже это описание работы турбогенератора позволяет установить пути увеличения его мощности.
Ясно, что сделать это можно, повышая частоту вращения ротора чем она будет больше, тем чаще магнитное поле будет пересекать обмотку статора. Казалось бы, такое решение весьма желательно, так как и паровая турбина имеет наилучшие технико-экономические показатели при больших частотах вращения. Нов действительности возможности в этом направлении строго ограничены. В России и Казахстане стандартная частота тока Гц. Следовательно, чтобы при двух полюсах вырабатывать ток такой частоты, ротор должен делать за секунду 50 оборотов, или 3000 оборотов в минуту. Очевидно, мощность турбогенератора можно повышать, увеличивая его габариты. Конечно. Ведь чем больше внутренний диаметр и длина статора (соответственно и ротора, тем больше размеры магнитной системы машины, а значит, величина магнитного потока, который и наводит э.д.с. в обмотке статора. И действительно, было время, когда конструкторы добивались роста мощности турбогенератора в значительной степени за счет увеличения его габаритов. Однако и эта возможность довольно скоро была практически исчерпана. Чем же это объясняется Рисунок 1.2- Общий вид ротора турбогенератора : 1 – контактные кольца 2 - кольцевые бандажи 3 – бочка ротора 4 – вентилятор 5 – бак Длина той части ротора, на которой располагается обмотка (активная длина, не может быть существенно большем, иначе возникнут недопустимые прогибы. Ограничен и диаметр ротора величиной 1,2—1,3 м, так как по условиям прочности линейная скорость точек его поверхности не должна превышать 170—190 м в секунду (а это уже скорость реактивного самолета,

16 при этом возникают усилия в сотни тонн, стремящиеся вытолкнуть обмотку из пазов. Если сделать ротор диаметром свыше 1,3 м, то даже лучшая легированная сталь не выдержит — центробежные силы разрушат конструкцию. Внешний диаметр статора также имеет свой предел 4,3 м иначе, чтобы перевезти турбогенератор по железной дороге, придется расширять мосты и тоннели, останавливать встречное движение поездов по маршрутам следования. Может быть, сделать статор разъемным, чтобы облегчить перевозку Но тогда на электростанции надо создавать филиал завода — сборочный цехи испытательную станцию. Рисунок 1.3 – Схема усиленного охлаждения катушек возбуждения 1- сердечник полюса, 2 – катушка, 3 – обод ротора, 4 – распределительный канал, 5
– поперечные каналы, 6 – осевой канал в ободе
Несмотря на значительные успехи металлургической промышленности, активный объем ротора за период с 1937 по 1974 год вырос менее чем в
2 раза (длина — с 6,5 дом, диаметр — с 1 дом, в то время как мощность турбогенераторов увеличивалась враз (со 100 до 1200 тыс. кВт. Предельные габариты были фактически достигнуты уже при создании машины в 300 тыс. кВт. Конечно, некоторые, правда, незначительные изменения размеров с увеличением мощности турбогенераторов происходили ив дальнейшем. Надо заметить, что, хотя и наблюдается прогресс в улучшении магнитных характеристик сталей, имеющиеся пределы по их насыщению не позволяют сколь-нибудь существенно повысить магнитную индукцию (для увеличения мощности генератора. Теперь становится ясно, что для продвижения вверх по шкале мощности остается фактически один путь — увеличение токовой нагрузки статора. Но чем больше ток, проходящий по обмоткам машины, тем сильнее они нагреваются. Увеличивается ток в два раза — в четыре раза увеличиваются тепловые потери, ток растет в три раза, выделение тепла — в девять и т.д. Таков неумолимый закон физики. Путь увеличения токовых нагрузок оказался довольно тернистым. Теперь главным врагом конструкторов стало тепло. И надо было найти эффективные способы отводить его от частей машины раньше, чем их температура успеет превысить допустимые значения. Итак, центральной стала проблема охлаждения турбогенератора и новые виды изоляции. От успехов в ее решении и сегодня в основном зависит прогресс турбогенераторостроения. Вся история борьбы за.повышение единичной мощности турбогенератора есть, в сущности, история развития способов его охлаждения. Турбогенераторы, которые выпускались в довоенные годы, охлаждались воздухом. В машине 100 тыс. кВт устанавливались вентиляторы, которые ежесекундно прогоняли через нее 60 кубометров воздуха. Из-за малой его теплопроводности даже такой воздушный ураган оказался недостаточно эффективным для охлаждения машин большей мощности. Лучше, чем воздух, отбирает тепло водород, так как его теплопроводность почтив раз выше. К тому же плотность водорода враз меньше ротору легча вращаться а менее вязкой среде, снижаются потери на трение, коэффициент полезного действия турбогенератора увеличивается примерно на один процент существенно и то что в среде водорода медленнее изнашивается (стареет) изоляция. Мощность турбогенератора при таком охлаждении удалось поднять до 150 тыс. кВт Чтобы создать еще более крупную машину, надо было опять- таки улучшать отвод тепла. У машины в 150 тыс. кВт охлаждающий газ отнимал тепло, омывая наружную поверхность ротора и поверхность вентиляционных каналов в сердечнике статора. Такое косвенное охлаждение оказалось недостаточным для турбогенераторов следующей ступени мощности. У них впервые часть проводников в обмотках сделали полыми, и через них прогонялся водород. Непосредственное охлаждение вместо косвенного позволило создать машину в 200 тыс. кВт (1957 год. Конечно, заманчиво было использовать для охлаждения воду ведь ее теплопроводность в 3 раза, а теплоемкость враз больше, чему водорода. Но реализовать эту идею трудно из-за несовместимости воды и электричества. При малейшем увлажнении изоляции возможны пробой, короткое замыкание и весьма серьезная авария. В турбогенераторе мощностью 300 тыс. кВт все же удалось осуществить непосредственное охлаждение водой обмоток статора. И хотя жидкость прогоняется под давлением по полым проводникам статора совсем близко от корпусной изоляции, водяной тракт настолько надежно спроектирован, так тщательно изготовлен, что прорыв воды практически исключен. Для охлаждения применяют дистиллированную воду, так как обычная вода проводит электрический токи оставляет осадки растворенных в ней солей на внутренних стенках проводников) Схема охлаждения водой — статорную обмотку, водородом — роторную обмотку и активное железо,—оказалась очень удачной. Она была использована и при создании турбогенераторов

18 мощностью 500 и 800 тыс. кВт. Таким образом, мы видим, что появление более совершенных систем охлаждения связано с невозможностью развития предыдущих типов машин, с достижением ими предельных мощностей. Показательно, что в дальнейшем новые решения распространялись не только вверх, но и вниз по шкале мощностей (в настоящее время для всех современных турбогенераторов мощностью 150 тыс. кВт и выше применяется непосредственное водяное охлаждение обмотки статора) и границы между машинами с различными системами охлаждения устанавливались, по технико- экономическим соображениям.
Следует отметить, что новые принципы исполнения машин, которые появляются при повышении их единичной мощности, почти всегда оказываются и технически и экономически более целесообразными также для машин менее мощных Одно из главных следствий создания все более интенсивных систем охлаждения — снижение удельных расходов материалов при одновременном росте мощности турбогенератора. Если для машины в 30 тыс. кВт он был равен 2,75 кг (на 1 кВА), то с увеличением мощности турбо- генчратора до 800 тыс. кВт стал уже 0,58. Если бы удельный расходу него был бы таким же, как у машины в 30 тыс. кВт, то масса его была бы нет, ат. А ведь на долю материалов приходится примерно 75 процентов себестоимости турбогенератора. Проблема отвода тепла действительно центральная, но далеко не единственная. Путь интенсификации, то есть увеличения мощности турбогенератора при почти неизменяющемся его объеме, приводит, естественно, к росту электромагнитной, тепловой и механической напряженности машины. Одновременно с этим снижается (если не принимать специальных мер) ее надежность. [10]
2 Изоляция турбогенераторов
2.1 Типы изоляции
Существует два типа термопластичной изоляции
ВЫСОКО
вольтных обмоток турбогенераторов—гильзовая изоляция микафолия, выпеченного на шеллаке которая введена в наше века в Европе непрерывная микалентная, изоляция асфальтобитумном связующем, появившаяся несколько позже в Америке. Если гильзовая изоляция на шеллаке успешно применяемость в европейских фирм для генераторов мощностью до 150 МВт при напряжении до
10,5—11 кВ, то микалентная изоляция на асфальтовых лаках получила еще более широкое распространение как в Америке таки в Европе ори напряжениях до 20 кВ эта изоляция и до последнего времени занимает лидирующее положение в конструкциях электрических машин. Непрерывный рост единичной мощности и удельных токовых нагрузок турбогенераторов поставил перед конструкторами и исследователями задачу