11. Гидрогенераторы, генераторы-двигатели и их системы возбуждения
11. Гидрогенераторы, генераторы-двигатели
и их системы возбуждения 
11.1. Гидрогенераторы, генераторы-двигатели и их системы возбуждения разрабатываются на основе технических требований.
В технических требованиях предусматривается обеспечение автоматического управления, контроля режимных параметров и мониторинга состояния оборудования.
При разработке технических требований проводится поиск аналога и выявляется возможность использования для данного объекта освоенных или ранее разработанных электрических машин.
11.2. Электрические машины, системы возбуждения и вспомогательное оборудование проектируют с учетом обеспечения надежной работы гидроагрегата во всех режимах без вмешательства дежурного персонала.
11.3. Конструкция электрической машины, отдельных ее узлов и вспомогательные системы разрабатываются с учетом обеспечения пуска и останова гидроагрегата при отсутствии напряжения собственных нужд переменного тока.
11.4. Гидрогенераторы, генераторы-двигатели.
11.4.1. Номинальная мощность и вид конструктивного исполнения электрической машины принимаются исходя из типа и параметров гидромашины.
11.4.2. Гидрогенераторы и генераторы-двигатели проектируются как машины единичного производства в соответствии с государственным стандартом.
11.4.3. Синхронные машины разрабатываются, как правило, оптимальными по технико-экономическим показателям, габаритам, массе и коэффициенту полезного действия.
Отклонения от оптимальной конструкции синхронной машины (по величине махового момента, заброса оборотов, индуктивностей и т.п.) допускаются при соответствующем обосновании и получении дополнительного эффекта по гидроузлу.
11.4.4. При проектировании электростанции определяются следующие основные технические данные и параметры электрической машины:
а) тип и вид конструктивного исполнения;
б) номинальные параметры: мощность, коэффициент мощности, напряжение, частота вращения, коэффициент полезного действия;
в) маховой момент;
г) разгонная частота вращения;
д) реактансы;
е) масса;
ж) стоимость.
11.4.5. В качестве гидрогенераторов и генераторов-двигателей, как правило, применяются синхронные явнополюсные машины с вертикальным или горизонтальным валом.
На гидроузлах, где в период постоянной эксплуатации происходят систематические значительные изменения напора (H < (0,5 - 0,6) H ), следует рассматривать варианты min max электрической машины, позволяющие работу гидротурбины с частотой вращения, отличающейся от номинальной (асинхронизированные, многоскоростные с переключением количества полюсов и др.).
11.4.6. Выбор конструктивного исполнения вертикальной синхронной машины производится по частоте вращения и мощности гидроагрегата на основании следующих показателей: габариты агрегата, масса, коэффициент полезного действия и стоимость электрической машины.
Как правило, для гидроагрегатов с частотой вращения до 200 об./мин. и диаметром рабочего колеса гидромашины свыше 4,5 м применяется зонтичное исполнение с опорой подпятника на крышку гидромашины.
Для гидроагрегатов с частотой вращения более 200 об./мин. применяется подвесное исполнение с опорой подпятника на верхнюю крестовину.
В диапазоне частоты вращения от 150 до 333,3 об./мин. вид конструктивного исполнения электромашины рекомендуется выбирать на основании технико-экономического расчета.
Применение электромашины зонтичного исполнения с опорой подпятника на нижнюю крестовину обосновывается.
11.4.7. На малоагрегатных электростанциях (до четырех агрегатов) целесообразно рассматривать применение гидрогенераторов с отъемным остовом ротора с целью снижения грузоподъемности и количества кранов машинного зала.
11.4.8. Для уникальных по мощности или габаритам синхронных машин с целью повышения эксплуатационной надежности рассматривается целесообразность сборки активной стали статора "в кольцо" на месте их монтажа. Применение статоров, собираемых в "кольцо" на месте монтажа, обосновывается технико-экономическими расчетами с учетом увеличения сроков монтажа и стоимости мероприятий по обеспечению условий сборки.
11.4.9. Для повышения надежности работы подпятников применяются сегменты с эластичным металлопластмассовым покрытием. Контроль температуры в этом случае осуществляется на каждом сегменте.
11.4.10. Номинальное напряжение статора синхронной машины выбирается из ряда значений, определенных государственным стандартом: 0,4; 0,63; 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,75; 18,0; 20 кВ.
Значение напряжения в зависимости от мощности машины принимается по табл. 11.1.
Таблица 11.1
┌──────────┬──────┬───────┬───────┬────────┬─────────┬───────────┐ │Мощность, │5 - 10│10 - 25│25 - 50│50 - 150│150 - 500│600 и более│ │МВ x А │ │ │ │ │ │ │ ├──────────┼──────┼───────┼───────┼────────┼─────────┼───────────┤ │Напряже- │3,15 -│6,3 - │10,5 - │13,8 - │15,75 - │18,0 - 20,0│ │ние, кВ │6,3 │10,5 │13,8 │15,75 │18,0 │ │ └──────────┴──────┴───────┴───────┴────────┴─────────┴───────────┘
Значение номинального напряжения принимается с учетом технико-экономических показателей всего тракта - от электрической машины до трансформатора.
11.4.11. Коэффициент мощности синхронной машины принимается по п. 10.1 "г" настоящих Рекомендаций.
11.4.12. Для обеспечения выдачи и потребления реактивной мощности предусматривается возможность работы синхронных машин (кроме капсульных) в режиме синхронных компенсаторов, а также в режимах выдачи активной мощности с потреблением реактивной мощности. Работа капсульных гидроагрегатов в режиме синхронного компенсатора (при свернутых лопастях рабочего колеса турбины) допускается при соответствующем обосновании.
11.4.13. Маховой момент (постоянная инерции) синхронной машины, как правило, определяется оптимальной (с точки зрения электрического и магнитного использования) конструкцией агрегата.
При наличии специальных требований, исходящих из условия обеспечения гарантий регулирования гидромашины и (или) условий обеспечения устойчивости электропередачи, минимально допустимая величина махового момента задается в соответствии с этими требованиями.
11.4.14. Повышение частоты вращения синхронной машины при сбросе номинальной нагрузки задается на основании расчетов гарантий регулирования (см. п. п. 4.2.8 и 4.2.10 настоящих Рекомендаций).
11.4.15. Реактансы синхронной машины, как правило, определяются конструкцией машины. При наличии специальных требований, исходящих из условий обеспечения устойчивости электропередачи или исключения процесса самовозбуждения при работе на холостую линию, индуктивные сопротивления задаются на основании расчетов, выполненных при проектировании схемы присоединения электростанции к энергосистеме.
11.4.16. Коэффициент полезного действия синхронной машины при номинальной нагрузке и номинальном коэффициенте мощности принимается не ниже значений, указанных в табл. 11.2.
Таблица 11.2
┌────────────────┬───────────────────────────────────────────────┐ │Диапазон номи- │ Диапазон частоты вращения, об./мин. │ │нальных мощно- ├───────────┬───────────┬───────────┬───────────┤ │стей, МВ x А │50 - 93,76 │100 - 187,5│ 200 - 300 │333,3 - 600│ ├────────────────┼───────────┼───────────┼───────────┼───────────┤ │10 - 25 │95,9 - 96,6│96,0 - 96,7│95,8 - 96,4│96,1 - 96,3│ ├────────────────┼───────────┼───────────┼───────────┼───────────┤ │25 - 50 │96,6 - 97,3│96,7 - 97,3│96,4 - 97,2│96,5 - 97,0│ ├────────────────┼───────────┼───────────┼───────────┼───────────┤ │50 - 100 │97,3 - 98,0│98,0 - 98,2│97,2 - 97,7│97,0 - 97,6│ ├────────────────┼───────────┼───────────┼───────────┼───────────┤ │100 - 250 │98,0 - 98,3│98,2 - 98,6│97,7 - 98,4│97,6 - 98,4│ ├────────────────┼───────────┼───────────┼───────────┼───────────┤ │Свыше 250 │98,3 - 98,7│98,6 - 98,9│98,2 - 98,5│- │ └────────────────┴───────────┴───────────┴───────────┴───────────┘
11.4.17. В электрических машинах, как правило, применяется система косвенного воздушно-водяного охлаждения с замкнутым циклом охлаждения. Охлаждение воздуха обеспечивается водяными охладителями.
11.4.17.1. Рекомендуется, по согласованию с разработчиком, использовать отбор до 20% горячего воздуха для обогрева машинного зала электростанции. При отборе более 15% горячего воздуха устанавливаются пылеулавливающие фильтры на входе воздуха в стакан генератора.
11.4.17.2. Как правило, применяется система самовентиляции, где вентилятором служит ротор.
Допускается применение принудительной системы воздушного или водяного охлаждения в капсульных генераторах, а также в электрических машинах мощностью более 500 МВт. Целесообразность применения системы непосредственного водяного охлаждения обмоток статора, ротора и других активных частей обосновывается.
11.4.17.3. На электростанциях, имеющих синхронные машины с непосредственным водяным охлаждением активных частей, предусматриваются установка для приготовления обессоленной воды и трубопроводы для ее подачи к агрегатам. Выбор оборудования этой установки и требования к качеству обессоленной воды определяются поставщиком электрической машины.
11.4.18. Гидрогенераторы вертикального исполнения проектируют с системой механического торможения вращающихся частей гидроагрегата.
Для агрегатов с большими маховыми массами вращающихся частей (с механической постоянной времени более 8 с), а также работающих в остропиковом режиме и генераторов-двигателей рекомендуется применять систему электрического торможения, основанную на методе короткого замыкания.
При применении системы электрического торможения механическая система используется для исключения длительного вращения ротора на малых оборотах, для подъема ротора на тормозах, а также в качестве резервной для торможения при коротких замыканиях внутри синхронной машины.
11.4.19. Способы пуска генераторов-двигателей в двигательный режим выбираются в зависимости от мощности агрегата, эксплуатационной надежности и степени влияния режима пуска на энергосистему.
Как правило, пуск в двигательный режим генератора-двигателя осуществляется с помощью статического преобразователя частоты.
Для агрегатов мощностью до 100 МВт рекомендуется рассматривать другие способы пуска, в том числе - прямой асинхронный.
11.5. Системы возбуждения.
11.5.1. Система возбуждения обеспечивает возбуждение синхронной машины во всех нормальных и аварийных режимах, предусмотренных техническими условиями (заданием) на синхронную машину.
11.5.2. Система возбуждения вновь проектируемых синхронных машин разрабатывается на номинальный ток и номинальное напряжение, превышающие на 10% расчетные значения номинального тока и номинального напряжения ротора синхронной машины.
11.5.3. Системы возбуждения, предназначенные для замены физически и морально устаревших возбудителей на действующих электростанциях, допускается разрабатывать на параметры, соответствующие реальным параметрам возбуждения синхронной машины без 10%-ного запаса.
11.5.4. Кратность форсировки по напряжению системы возбуждения, влияющая на устойчивость параллельной работы синхронной машины в энергосистеме, задается на основании указаний п. 10.1 "е" настоящих Рекомендаций.
Как правило, при установленной мощности электростанции до 800 МВт и единичной мощности агрегата до 150 МВт кратность форсировки по напряжению принимается равной 2,5.
В случае, если по условиям динамической устойчивости требуется кратность форсировки 3 и более, проводится сопоставление вариантов исполнения новой системы возбуждения и других способов повышения динамической устойчивости (отключение агрегатов, электрическое торможение и т.п.) и рассматривается возможность снижения величины кратности форсировки относительно требуемой.
11.5.5. Система возбуждения двигателей-генераторов обеспечивает регулируемое возбуждение в процессе пуска в двигательный режим и в процессе электрического торможения агрегата при останове.
11.5.6. Для гидрогенераторов, оснащенных устройством электрического торможения при остановах по п. 11.4.18 настоящих Рекомендаций, разрабатывается схема возбуждения в режиме торможения.
11.5.7. Для всех гидрогенераторов и генераторов-двигателей применяются статические тиристорные системы возбуждения, как правило, по схеме параллельного самовозбуждения (питание тиристорных преобразователей от главных выводов синхронной машины через выпрямительный трансформатор).
Для уникальных по мощности генераторов, а также для гидрогенераторов ГЭС, занимающих определяющее место в энергосистеме, допускается применение тиристорной системы по схеме независимого возбуждения (питание тиристорных преобразователей от вспомогательного генератора на валу главного).
Для возбуждения вспомогательных генераторов применяются тиристорные системы по схеме параллельного самовозбуждения.
11.5.8. Выпрямительный трансформатор может присоединяться к выводам:
гидрогенератора до и после генераторного выключателя;
генератора-двигателя, как правило, после генераторного выключателя.
В случае присоединения выпрямительного трансформатора до генераторного выключателя система возбуждения оснащается коммутационным аппаратом для обеспечения питания от собственных нужд ГЭС в процессе электрического торможения гидроагрегата при останове.
В случае присоединения выпрямительного трансформатора за генераторным выключателем в силовых цепях системы возбуждения предусматриваются устройства (накладки, разъединители) для обеспечения снятия напряжения при производстве ремонтных работ на остановленном агрегате.
11.5.9. Системы возбуждения, как правило, выполняются одногрупповыми. Тиристорный преобразователь может состоять из одного или нескольких силовых мостов с параллельным соединением их на стороне постоянного и переменного тока.
11.5.10. При кратности форсировки возбуждения 3,5 и более допускается применять двухгрупповую систему возбуждения (с рабочей и форсировочной группами преобразователей).
11.5.11. Система возбуждения гидрогенераторов, как правило, выбирается из серии комплектных унифицированных систем возбуждения, содержащих полный комплект оборудования и аппаратуры, включая устройства и аппаратуру управления, защиты, сигнализации и измерения.
11.5.12. Для гидрогенераторов мощностью до 50 МВт допускается применять упрощенную одногрупповую систему возбуждения с регулятором возбуждения пропорционального действия, имеющим ограничитель минимального и максимального токов ротора.
11.5.13. Выпрямительные трансформаторы, предназначенные для питания тиристорных преобразователей, как правило, выполняются трехфазными сухими, с естественным воздушным охлаждением. Допускается применение трансформаторов типовой мощностью 6000 кВ x А и более с принудительным охлаждением.
11.5.14. Системы возбуждения на номинальный ток до 2500 А комплектуются тиристорными преобразователями с естественным воздушным охлаждением тиристоров.
Системы возбуждения на номинальный ток более 2500 А допускается комплектовать тиристорными преобразователями с принудительным охлаждением.
11.5.15. Системы охлаждения тиристорных преобразователей имеют 100%-ный резерв по числу насосов или вентиляторов (не менее двух насосов или вентиляторов).
Допустимая продолжительность работы системы возбуждения при полном прекращении потока охлаждающего агента принимается не менее времени действия резервных защит.
11.5.16. Системы возбуждения синхронных машин с непосредственным охлаждением обмоток статора водой в случае применения тиристорных преобразователей с водяным охлаждением могут использовать общую с генератором систему водоподготовки, включая теплообменники и ионообменные фильтры.
11.5.17. В качестве контрольно-измерительной аппаратуры в цепи постоянного тока применяются измерительные преобразователи.
11.5.18. На электростанции предусматривается возможность наладки и испытаний системы самовозбуждения, а также снятия характеристик короткого замыкания и холостого хода синхронной машины, при этом указываются источник питания (шины генераторного напряжения, шины собственных нужд), место и средства подключения системы возбуждения к источнику питания.
