Распределение электромагнитного поля в торцевой зоне статора гидрогенераторов и его влияние на работу в режимах с потреблением реактивной мощности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Матвеев, Адольф Всеволодович

• Матвеев, Адольф Всеволодович
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Матвеев, Адольф Всеволодович

ВВЕДЕНИЕ.

В1. Тенденция развития и работа гидрогенераторов . , в режимах с потреблением реактивной мощности.

В2. Анализ работ ш исследованию электромагнитного доля в торцевой зоне статора гидрогене-. . . раторов.

ВЗ. Постановка задачи •

Глава I. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСЕВОГО МАГНИТНОГО ПОТОКА В ТОРЦЕВОЙ ЗОНЕ СТАТОРА ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ

1.1. Объем и методы исследований.

1.2. Индукция магнитного штока на торцевой поверхности сердечника статора.

1.3. Индукция на нажимных плитах статора.

1.4. Распределение индукции внутри крайних пакетов статора. вывода

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСЕВОГО МАГНИТНОГО ШТОКА В ЗОНЕ КРАЙНИХ ПАКЕТОВ СТАТОРА ГИДРО- . ГЕНЕРАТОРОВ РАСЧЕТНЫМИ МЕТОДАМИ.

2.1. Оцределение магнитной индукции на торцевой поверхности сердечника статора аналитическим . . методом с помощью векторного потенциала . . . •

2.2. Определение индукции на торце сердечника статора численным методом посредством использования скалярного потенциала.

2.3. Расчет осевой составляющей индукции внутри крайних пакетов аналитическим методом ш известным значениям этой составляющей на поверхности пакетов

ВЫВОДЫ.

Глава 3. УМЕНЬШЕНИЕ ОСЕВОГО МАГНИТНОГО ШТОКА В ТОРЦЕВОЙ ЗОНЕ СТАТОРА ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ ПОСРЕДСТВОМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДНЯ ЩЕК ПОЛЮСОВ РОТОРА.

3.1. Экспериментальное исследование зависимости индукции на торце сердечника статора от величины вылета полюсов ротора.

3.2. Оценка влияния вылета полюсов ротора на распределение индукции в торцевой зоне статора расчетным методом

3.3. Црименение немагнитных материалов для щек полюсов ротора с целью снижения осевых потоков

ВЫВОДЫ.Ю

Глава 4. ВЛИЯНИЕ РАБОТЫ ЩДРОГЕНЕРАТОРОВ В РЕЖИМАХ

С ПОТРЕБЛЕНИЕМ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И НАГРЕВ ТОРЦЕВОЙ . ЗОНЫ СТАТОРА

4*1« Результаты экспериментального исследования зависимости индукции в торцевой зоне статора. . . . от характера нагрузки

4.2. Определение индукции на торце сердечника. статора графоаналитическим методом . П

4.3. Диаграммы допустимых нагрузок при недовоз-бувдении по условиям нагрева крайних пакетов сердечника статора.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Распределение электромагнитного поля в торцевой зоне статора гидрогенераторов и его влияние на работу в режимах с потреблением реактивной мощности»

В1. Тенденция развития и работа гидрогенераторов в режимах с потреблением реактивной мощности Интенсивное развитие щюмышленности и сельского хозяйства, а также резкое увеличение энерговооруженности быта,обусловливают постоянно возрастающий спрос на электроэнергию.

В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года" установлено довести выработку электроэнергии в 1985 году до 1550-1600 млрд. киловатт-часов, в том числе на гидроэлектростанциях - до 230-235 млрд. киловатт-часов, что составляет около 15$ от общей выработки. Всего за годы пятилетки на ГЭС намечено ввести новые мощности в размере 12,3 миллиона киловатт. Это позволит сэкономить многие миллионы тонн дефицитных видов топлива ж значительно облегчить топливно-энергетический баланс страны.

На современном этапе развития энергетики становится особо важной роль гидравлической энергии, которая обеспечивает надежное функционирование энергосистем и покрывает значительную часть пиковых участков суточного графика нагрузки. Центр тяжести строительства ГЭС перемещается в районы Сибири, Дальнего Востока и Средней Азии, где сооружаются и будут сооружаться крупные высоконагорные гидроэлектростанции. В уникальном гидроэнергетическом Ангаро-Енисейском бассейне предусматривается строительство свыше десяти крупнейших ГЭС. Общая установленная мощность их составит более 60 млн кВт. По мощным линиям электропередач вырабатываемая ими энергия будет передаваться в различные районы страны. В частности, в нынешней пятилетке предусмотрено развернуть строительство Богучанской ГЭС, Бурейской ГЭС, завершить строительство Колымской ГЭС-1. В Средней Азии намечено развернуть строительство Рогунской и Байвазинской ГЭС, ввести в действие мощности на Таш-Кумырской ГЭС, завершается строительство Курпсайской ГЭС. В Европейской части СССР планируется строительство ряда гидроаккумули-рувдих электростанций.

Поставленные задачи могут быть выполнены только при условии повышения единичной мощности гидрогенераторов, т.к. цри этом сокращаются капитальные затраты на изготовление генераторов и другого электротехнического оборудования, на строительство, монтаж и эксплуатацию гидроэлектростанций, уменьшается численность обслуживающего персонала. Увеличение мощности гидрогенераторов в единице повышает коэффициент полезного действия ГЭС за счет роста КВД генераторов и агрегата в целом.

Гидрогенераторостроение как отрасль электромашиностроения в СССР была вызвана к жизни планом ГОЭЛРО, наметившим, в частности, сооружение десяти ГЭС общей мощностью 0,5 млн кВт. В 1923 году завод "Электросила" приступил к выполнению заказов для этих ГЭС. Мощность первых гидрогенераторов не превышала 10 тыс. кВт. В дальнейшем, по мере использования новой техники в энергомашиностроении и накопления опыта эксплуатации, были созданы машины большей мощности с повышенными технико-экономическими показателями. Наиболее мощными гидрогенераторами в довоенное время явились генераторы для Днепрогэс единичной мощностью 62 тыс. кВт. В послевоенные годы создаются серии гидрогенераторов для Волжских ГЭС по 115 тыс. кВт и для Братской ГЭС по 225 тыс. кВт в одной машине. Введены в эксплуатацию 12 крупнейших генераторов мощностью по 500 тыс. кВт каждый на Красноярской ГЭС, агрегаты Нурекской и ИнгуриГЭС. Изготовлены, исследованы и сданы в эксплуатацию уникальные капсульные гидрогенераторы мощностью по 45 тыс. кВт на Саратовской ГЭС. Успешно выполняются поставки гидрогенераторов в ряд зарубежных стран, включая развитые капиталистические страны. На основе опыта эксплуатации и результатов многосторонних исследований ряда гидрогенераторов введены в строй действующих гидрогенераторы единичной мощностью 640 тыс. кВт на Саяно-Шушен-ской ГЭС. Начинается проектирование машин мощностью I млн кВт. Максимальная единичная мощность гидрогенераторов, выпускаемых за рубежом, находится цримерно на таком же уровне.

Мощность электрической машины в соответствии с [ 23] можно цредставить следующей зависимостью от основных размеров и электромагнитных нагрузок: где Л- - диаметр расточки статора,

- длина сердечника статора,

П - частота вращения,

- линейная токовая нагрузка статора,

В*- индукция в воздушном зазоре (основная гармоническая), обмоточный коэффициент.

В гидрогенераторах возможности увеличения длины активной стали статора при сборке внутри металлического корпуса ограничены условиями перевозки. Предельно допустимая длина сердечника с учетом максимальной негабаритности железнодорожного груза не превышает 3-3,5 метров. Допустимая величина диаметра расточки статора определяется механическими напряжениями в ободе ротора при частоте вращения, достигаемой при полном сбросе нагрузки, но не ниже 1,75 номинальной. Для применяемых в настоящее время материалов максимальная допустимая линейная скорость составляет 145-170 м/с, что определяет допустимые величины полюсных делений в пределах 85-100 см. Использование более прочных материалов для ротора влечет за собой значительный рост технологических и конструктивных трудностей. Применяемая в настоящее время холоднокатанная сталь [2б] ш сравнению с горячекатанной позволяет повысить магнитную индукцию в зубцах статора, но значительному ее повышению препятствует насыщение полюсов. При условии повышения эффективности охлаждения можно значительно увеличить линейную нагрузку статора [44] . В результате в настоящее время рост единичной мощности гидрогенераторов в большой мере зависит от увеличения линейной нагрузки, а также от увеличения индукции. В гидрогенераторе Саяно-Шушенской ГЭС мощностью 640 тыс. кВт линейная нагрузка и индукция в воздушном зазоре возросли соответственно в 1,66 и 1,13 раз ш сравнению с аналогичными величинами гидрогенератора Братской ГЭС мощностью 225 тыс. кВт и достигли значений /) ^ = 1176 А/см и В^е 0,824 Тл.

Вследствие роста электромагнитных нагрузок увеличивается, в частности, интенсивность магнитных полей в торцевой зоне статора, вызывая добавочные потери и местные нагревы в этой зоне, существенно возрастающие в режимах с потреблением реактивной мощности.

Продолжительная работа гидрогенераторов в режимах с потреблением реактивной мощности из сети имеет устойчивую тенденцию к возрастанию. Известно, что при работе электрических станций должен соблюдаться баланс мощностей: активной и реактивной. В случае нарушения этого баланса изменяется частота и напряжение сети. Так, при дефиците активной мощности снижается частота, а цри дефиците реактивной - нацряжение системы. Обратное явление имеет место при избытке активной и реактивной мощностей над потребляемой. В настоящее время наблюдается избыток реактивной мощности в системах. Это связано с созданием магистральных линий электропередач и крупных энергетических систем. В этих условиях необходимость обеспечения оптимального уровня напряжения и коэффициента мощности требует уменьшения избыточной реактивной энергии. Синхронные компенсаторы не сбавляются полностью с этой задачей, поэтому в режимы работы с потреблением реактивной мощности переводят гидрогенераторы.

Дальнейший прогресс гидрогенераторостроения связан с требованием максимального повышения эксплуатационных показателей и надежности оборудования во всех режимах работы, в том числе в режимах недовозбуждения. Это находит свое конкретное выражение в тех основных направлениях, которые были намечены и развиты в последних типах гидрогенераторов [12] . Прежде всего, это интенсификация системы охлаждения. Значительным достижением гидрогенераторо-строения явилось внедрение водяного охлаждения обмотки статора на генераторах Красноярской, Нурекской, Саяно-Шушенской ГЭС. При этом в обмотке статора на каждый полый элементарный проводник приходится несколько сплошных с последовательным соединением по воде ряда стержней. Внедрена форсированная система охлаждения обмотки ротора воздухом за счет применения поперечных каналов в витках обмотки на генераторах Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС. Увеличена скорость обдува обмотки ротора путем установки в межполюсных окнах выгораживающих дефлекторов на генераторах Нурекской ГЭС. Предложены цроекты усиленного охлаждения крайних пакетов сердечника статора за счет увеличения расхода воздуха в этой зоне путем подачи холодного воздуха непосредственно от вентиляторов и установки соответствующих перегородок.

В значительной мере прогресс в гидрогенераторостроении связан с црименением изоляционных материалов на термореактивных связующих. Надежность работы генераторов с изоляцией типа "слюдо-терм" и аналогичных ей подтверждена многолетней эксплуатацией на ГЭС. Для уменьшения потерь и соответствующих местных нагревов в торцевой зоне статора применяются немагнитные нажимные пальцы.

В связи с повышенным нагревом крайних пакетов сердечника статора гидрогенераторов, достигающих в отдельных эксплуатационных режимах работы,особенно при потреблении реактивной мощности, предельно допустимых величин, а также в связи с проектированием новых, более мощных гидрогенераторов возникла необходимость в проведении исследований электромагнитного поля в торцевой зоне статора, обобщении полученных результатов и выдаче необходимых рекомендаций по повышению надежности зоны на вновь проектируемых машинах. При выборе объектов исследований учитывалась идентичность конструкции торцевой зоны вертикальных гидрогенераторов, спроектированных и изготовленных на предприятиях нашей страны, в первую очередь в Объединении "Электросила". В связи с этим результаты исследований в общем виде сцраведливы для всех вертикальных гидрогенераторов.

В2. Анализ работ по исследованию электромагнитного поля в торцевой зоне статора гидрогенераторов

Экспериментальные исследования, проведенные на ряде гидрогенераторов, включая наиболее мощные и высокоиспользованные, выявили повышенный нагрев крайних пакетов сердечника статора. Известно, что потери и нагрев сердечника статора вызываются переменными электромагнитными полями:

- основной и высшими гармоническими поля в воздушном зазоре,

- осевым полем в торцевой зоне статора.

Первый вид потерь выделяется приблизительно равномерно во всех пакетах. Основные потери в крайних пакетах несколько ниже, чем в средних за счет увеличения воздушного зазора, вызванного наличием ступенек.

Цри номинальной нагрузке нагрев крайних пакетов исследованных гидрогенераторов в 1,5-2,0 раза выше, чем средних. Характерной особенностью этих машин является то, что в режиме холостого хода с номинальным нацряжением температура крайних пакетов составляет 60-80$ от соответствующей температуры цри номинальной мощности. При работе в режимах с потреблением реактивной мощности нагрев крайних пакетов в ряде случаев ограничивал допустимую мощность гидрогенераторов.

Ведущие электромашиностроительные фирмы разрабатывают мероприятия по снижению нагрева, уменьшению и наиболее рациональному распределению местных потерь в торцевой зоне статора вновь проектируемых гидрогенераторов. Эти работы проводятся, в основном, на базе экспериментальных исследований находящихся в эксплуатации генераторов. Главный недостаток натурных исследований состоит в том, что они проводятся, как правило, на машинах меньшей мощности, чем проектируемые. Другой недостаток - не всегда возможно выделить влияние отдельных факторов. В связи с этим являются перспективными исследования на моделях, которые позволяют уже в процессе проектирования вести разработку и проверку соответствующих мероцриятий [ 2,3,20,29,40,42 ] . На таких установках возможно моделировать как геометрические размеры, так и магнитные нагрузки, имеющие место на практике. Создание подобных моделей значительно расширяет возможности получения информации и экспериментальной цроверки теории. Однако в настоящее время исследования -на моделях, как правило, только дополняют натурные исследования, так как моделирование связано со значительным упрощением црото-типа.

Расчетные методы, полученные на основе строгих теоретических исследований еще не находят должного црименения в инженерной практике при проектировании торцевой зоны гидрогенераторов.

Значительный вклад в изучение электромагнитных процессов в торцевой зоне статора электрических машин и создание методов расчета полей в отдельных элементах зоны внесен работами А.И.Вольде-ка, Я.Б.Данилевича, К.С.Демирчяна, В.В.Домбровского, А.В.Иванова-Смоленского, И.М.Постникова, Г.Г.Счастливого, Г.М.Хуторецкого, В.И.Косачевского, Л.А.Суханова, В.И.Яковлева и ряда других ученых.

Наиболее общие методы расчета магнитного поля в торцевой зоне электрических машин цредставлены в работах [7,8], на основе которых разработаны методы [9,47]. Абсолютное большинство работ посвящено исследованию турбогенераторов. Для гидрогенераторов эти исследования развивались преимущественно в направлении изучения магнитных полей лобовых частей обмоток с целью решения задач по определению электродинамических усилий и колебаний в лобовых частях. Однако при этом не учитывались такие важные факторы, как влияние сложной геометрии окружающих ферромагнитных поверхностей и воздушного зазора. В [3I,32,39,4l] представлен расчет электродинамических сил и колебаний в лобовых частях гидрогенераторов, однако при этом рассматривается уцрощенная геометрия окружающих поверхностей. В [iö] рассматривается расцределение магнитного поля на торцевой поверхности сердечника статора, но при этом для гидрогенераторов не рассматривается цроникновение потока внутрь сердечника, необходимое для определения потерь и нагрева крайних пакетов. В fl0,37] цредставлены приближенные методы расчета индукции и потерь в торцевой зоне статора, учитывающие только основные геометрические соотношения.

Имеющиеся расчетные схемы оцределения электромагнитных полей в турбогенераторах не могут быть непосредственно использованы ввиду следующих особенностей торцевой зоны гидрогенераторов:

- конфигурация торцевой зоны сердечника статора со стороны воздушного зазора существенно отличается от конфигурации соответствующей зоны в турбогенераторах, где имеются ступеньки не на одном крайнем шкете, а на 3-4 пакетах,

- высота ступенек на крайних пакетах меньше, чем в турбогенераторах,

- толщина пакетов отличается от толщины крайних пакетов статора турбогенераторов,

- длина и ширина зубцов статора меньше, чем в турбогенераторах,

- в гидрогенераторах црименяются магнитные нажимные плиты, а в турбогенераторах - немагнитные,

- в гидрогенераторах плиты разрезаны на отдельные сегменты, в то время как в турбогенераторах плиты цельные,

- в гидрогенераторах отсутствуют специальные экраны,

- незначительный наклон лобовых частей обмотки статора,

- осевая составляющая поля в торцевой зоне статора усиливается магнитной щекой полюса ротора, в то время как в турбогенераторах ставится немагнитный бандаж, и ряд других отличий.

Необходимость снижения нагрева и потерь крайних пакетов статора и определения величин предельнодоцустимых нагрузок на основе термического состояния торцевой зоны при работе гидрогенераторов в режимах с потреблением реактивной мощности потребовала цроведе-ния исследований, направленных на выявление причин возникновения торцевого потока на статоре, разработку мероцриятий по его снижению и проверку эффективности их внедрения.

Автор непосредственно провел исследования более 20 типов гидрогенераторов номинальной мощностью от 24 до 640 тыс, кВт, включая генераторы Волжских, Братской, Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС. Исследования на головном гидрогенераторе Саяно-Шушенской ГЭС, проведенные в период пуско-наладочных работ, позволили оперативно получить обширную информацию об эффективности ранее выданных рекомендаций по усовершенствованию торцевой зоны и использовать ее при проектировании новых гидрогенераторов.

Автор являлся ответственным исполнителем ряда НИР по рассматриваемой теме. Полученные результаты исследований положены в основу диссертации.

ВЗ. Постановка задачи

В связи с изложенным целью настоящей работы является разработка рекомендаций душ проектирования торцевой зоны гидрогенераторов на основе изучения закономерностей рас цределения электромагнитного поля в этой зоне посредством натурных исследований и теоретических расчетов и оцределение области допустимых нагрузок гидрогенераторов при работе в режимах с потреблением реактивной мощности из сети на основе нагрева крайних пакетов статора.

В диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Изучение закономерностей расцределения магнитной индукции на торце статора гидрогенераторов в различных режимах работы с учетом характерных особенностей гидрогенераторов.

2. Исследование цроникновения осевого магнитного потока внутрь крайних пакетов сердечника статора.

3. Определение эффективности использования немагнитных материалов душ щек полюсов ротора с целью уменьшения осевых потоков и нагрева торцевой зоны статора на основе изучения влияния вылета полюсов.

4. Оцределение области допустимых нагрузок гидрогенераторов по условиям нагрева крайних пакетов статора при работе в режимах с потреблением реактивной мощности.

Основными методами являются натурные и теоретические исследования на базе теории электрических машин, теории электромагнитного поля, методов математической физики с использованием ЭВМ,

Новые научные результаты состоят в следующем. Предложена и реализована методика комплексного экспериментального исследования гидрогенераторов, направленная на оценку распределения магнитных полей в торцевой зоне; применительно к гидрогенераторам установлена новая физическая картина действия магнитных полей в зоне крайних пакетов статора: в частности, выявлена особая роль вытеснения основного магнитного потока из воздушного зазора на распределение осевой составляющей индукции в торцевой зоне статора; на основе проведенных исследований выработаны рекомендации по применению немагнитных щек на полюсах ротора, оказавшему радикальное влияние на эксплуатационные показатели мощных гидрогенераторов; экспериментально установлена для гидрогенераторов возможность упрощения методов расчета магнитного поля в торцевой зоне, направленная на создание новых инженерных методик.

Практическая ценность результатов работы состоит в разработке мероприятий по^уменьшению электромагнитного поля в торцевой зоне статора гидрогенераторов и снижению нагрева крайних пакетов, в определении диаграмм допустимых нагрузок в режимах с потреблением реактивной мощности для ряда исследованных и вновь спроектированных машин. Это позволяет повысить надежность и долговечность работы гидрогенераторов.

Реализация работы в промышленности. Результаты проведенных исследований электромагнитного поля и нагрева в торцевой зоне статора гидрогенераторов, переданные в форме технических отчетов, цротоколов и информации в конструкторские отделы НИИ ЛПЭО "Электросила", реализуются при проектировании новых гидрогенераторов и крупных явнополюсных синхронных машин. На генераторах Зейской и Саяно-Шушенской ГЭС единичной мощностью соответственно 215 и 640 тыс. кВт благодаря реализации результатов исследований удалось снизить при нагрузке нагрев крайних пакетов до температуры, близкой к температуре средних пакетов статора.

Результаты работы используются при проектных разработках перспективных типов гидрогенераторов во ВНШэлектромашинострое-ния.

Апробация работы. Результаты работы, изложенные в диссертации, были доложены и обсуждены на Технико-экономическом совете "Союзэлектротяжмаш" и секции № I Научного совета по комплексной проблеме "Научные основы электрофизики и электроэнергетики" (г.Киев, 1977 г.); на секции НТС по гидрогенераторам ЛГОО "Электросила" им.С.М.Кирова (г.Ленинград, 1976, 1984 гг.); на научно-технических семинарах во ВНИИэлектромашиностроения (г.Ленинград, 1979,1984гг.).

На защиту выносятся следующие основные положения: результаты натурных и теоретических исследований распределения осевых магнитных потоков на торцевой поверхности и внутри крайних пакетов сердечника статора гидрогенераторов; результаты определения эффективности использования немагнитных материалов дом щек полюсов с целью уменьшения осевых потоков и нагрева крайних пакетов статора на основе исследования влияния вылета полюсов ротора; результаты изучения распределения магнитной индукции и диаграммы допустимых активных и реактивных нагрузок в режимах с потреблением реактивной мощности по условиям нагрева крайних пакетов статора.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей. Материалы отражены в 13 технических отчетах по научно-исследовательским работам.

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Матвеев, Адольф Всеволодович

ВЫВОДЫ

1. Работа гидрогенераторов в режимах с потреблением реактивной мощности приводит к дополнительному увеличению индукции осевого магнитного потока в торцевой зоне статора и повышению нагрева крайних пакетов и нажимных плит. По полученным данным из исследованных режимов квадрат индукции на торце сердечника возрастает в 1,1-1,6 раза, вызывая соответствующее повышение температуры зубцов крайних пакетов.

2. Величина индукции осевого потока на торце сердечника статора в режимах работы гидрогенераторов с пере- и недовозбуждением может быть оцределена с помощью векторной диаграммы токов синхронных машин с учетом кбэффициента магнитной связи обмоток ротора и статора в торцевой зоне на основе данных холостого хода и трехфазного короткого замыкания. Этот способ позволяет с достаточной точностью определять величину индукции в режимах нагрузки.

3. Разработана методика исследования и обработки полученных данных, которая дает возможность определять область допустимой работы гидрогенераторов в режимах с потреблением реактивной мощности по условиям нагрева крайних пакетов статора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

I. Экспериментальные исследования электромагнитных процессов, а также связанного с ними нагрева торцевой зоны статора были проведены на более чем 20 типах гидрогенераторов номинальной мощностью от 24 до 640 тыс. кВт и крупных явнополюсных синхронных машинах. Для определения индукции магнитного поля были применены измерители индуктивного типа различных конструктивных исполнений. Они устанавливались на поверхности и внутри сердечника и на нажимных плитах статора в процессе сборки его, а также на смонтированной машине непосредственно перед началом эксперимента. Были использованы также измерители, работающие на использовании эффекта Холла, но недостаточно стабильные характеристики этих измерителей в течение длительного периода времени, необходимого для проведения исследований, а также ряд других факторов ограничили их широкое црименение. Система измерения в целом, включающая в себя более сотни единиц измерителей на машину, обеспечила получение необходимого количества данных с требуемой точностью при высокой надежности работы.

В результате цроведенных исследований выявлены основные закономерности распределения магнитного потока в торцевой зоне статора мощных гидрогенераторов. В частности, установлено, что главной причиной образования осевого потока в рассматриваемой зоне является вытеснение основного потока из воздушного зазора. При этом максимальная величина индукции осевого потока имеет место на зубцах крайних пакетов вблизи ступенек и достигает 0,6 Тл, что соизмеримо с величиной индукции в воздушном зазоре. Осевой поток на нажимных плитах определяется взаимодействием потоков рассеяния лобовых частей обмотки статора и потока, вытесняемого из зазора.

2. Установлено, что осевой шток внутри сердечника статора распределяется практически по всему объему зубцов первого пакета, проникая в основном со стороны торцевой зоны на расстояние до 90% толщины пакета и частично - со стороны вентиляционного канала из воздушного зазора. Во второй и третий пакеты осевые потоки проникают из зазора со стороны вентиляционных каналов. Потоки со стороны торцевой зоны являются более интенсивными, чем с противоположной стороны крайних пакетов.

3. Дано достаточно строгое математическое описание магнитного поля в торцевой зоне статора гидрогенератора на основе уравнения Пуассона для векторного потенциала. Решения этого уравнения, полученные в диссертации наряду с решениями задачи посредством конформных преобразований для упрощенных форм, и конечно-разностные решения для реальных конфигураций торцевой зоны дают возможность обобщения результатов натурных экспериментов.

Перспективным для расчета магнитных полей в торцевой зоне статора гидрогенераторов, позволяющим учесть отдельные конструктивные особенности зоны, является численный метод конечных разностей, базирующийся на использовании современных ЭВМ. Применение указанных аналитических методов целесообразно при выводе формул для предварительных расчетов, применяемых в практике проектирования машин.

4. Установлено, что радикальным способом снижения осевого магнитного штока в торцевой зоне статора является уменьшение вылета полюсов ротора относительно сердечника статора. Наибольшее снижение индукции этого потока, достигающее величины 1,6 раза, обнаружено в диапазоне уменьшения вылета от трех единиц воздушного зазора до нуля. При типовой конструкции гидрогенераторов невозможно уменьшение вылета полюсов, поэтому комцромиссным решением в этих целях является использование щек полюсов из немагнитных материалов. Эта мера приводит к снижению индукции в рассматриваемой зоне приблизительно в 2 раза, что подтверждается ре-зультатми экспериментов на гидрогенераторах Зейской и Саяно-Шу-шенской ГЭС. При этом нагрев крайних пакетов статора снизился до температуры, близкой к температуре средних пакетов.

5. Разработана методика исследования и обработки полученных данных, которая дает возможность оцределять область допустимой работы находящихся в эксплуатации гидрогенераторов в режимах с потреблением реактивной мощности по условиям нагрева крайних пакетов статора. Методика широко применяется в црактике экспериментального исследования гидрогенераторов.

Для вновь проектируемых гидрогенераторов область допустимой работы определяется приближенно на основе результатов исследования предыдущих генераторов и затем уточняется после проведения соответствующих натурных исследований этих машин.

6. Дальнейшие исследования электромагнитных и тепловых цро-цессов в торцевой зоне статора гидрогенераторов с целью совершенствования конструкции этих машин следует направить на поиск оптимальных размеров прорезей в зубцах и скоса сердечника, а также на изучение необходимости применения экранов. Методически это целесообразно осуществить в виде расчетно-теоретического исследования и комплексного эксперимента, сочетающего магнитные измерения с измерениями добавочных потерь, нагрева и вихревых токов в крайних пакетах и нажимных плитах статора в различных эксплуатационных режимах на базе использования современных систем измерения и вычислительных машин.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Матвеев, Адольф Всеволодович, 1984 год

1. Анормальные режимы работы крупных синхронных, машин /вазовский Е.Я., Данилевич Я.Б., Кашарский Э.Г., Рубисов Г.В. Л.: Наука, Ленингр. отд-ние, 1969. - 429 е., ил,

2. Астафьева H.A., Брандина Е.П., Домбровский В.В. Моделирование магнитного поля в торцевой зоне синхронной машины при холостом ходе с учетом конечной величины полюсного деления. Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт, 1976, № 6, с. 93-96.

3. Астафьева H.A., Дитман А.О., Домбровский В.В. Моделирование магнитного поля в торцевой зоне гидрогенератора. Электротехническая промышленность. Электрические машины, 1979, .№ 3 (97), с. 1-3.

4. Бинс К., Лауренсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. М.: Энергия, 1970. - 376 е., ил.

5. Брынский Е.А., Данилевич Я.Б., Яковлев В.И. Электромагнитные поля в электрических машинах. Л.: Энергия, 1979. - 176 е., ил.

6. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1958. - 464 е.,ил.

7. Вольдек А.И. Основы методики расчета магнитных шлей лобовых частей обмоток электрических машин. Электричество, 1963, й I, с. 41-48.

8. Вольдек А.И. Методика расчета векторного магнитного потенциала лобовых частей обмоток электрических машин. Тр. ЛПИ им. М.И.Калинина, 1964, № 241, с. 5-17.

9. Вольдек А.И., Данилевич Я.Б. Метод расчета магнитного поля в зоне лобовых частей обмоток статора и ротора турбогенераторов. В кн.: Исследование электромагнитных полей, параметров и потерь в мощных электрических машинах / М.-Л.: Наука, 1966,с. 48-64.

10. Гидрогенераторы / Глебов И.А., Домбровский В.В., Дук-штау A.A. и др. Энергоиздат, Ленингр. отд-ние, 1982. - 368 е., ил.

11. Глебов И.А., Данилевич Я.Б. Научные проблемы турбогенера-торостроения. Л.: Наука, Ленингр. отд-ние, 1974. - 280 е., ил.

12. Глебов И.А., Данилевич Я.Б. Современное состояние и проблемы создания турбо-,гидрогенераторов и синхронных компенсаторов. Электричество, 1976, № 3, с. 1-7.

13. Гринберг Г.А. Избранные вопросы математической теории электрических и магнитных явлений. М.-Л.: Изд. АН СССР, 1948.729 е., ил.

14. Гуревич Э.й. Тепловые испытания и исследования электрических машин. Л.: Энергия, 1977. - 296 е., ил.

15. Данилевич Я.Б. Добавочные потери в турбо-гидрогенераторах. Л.: Наука, 1973. - 182 е., ил.

16. Данилевич Я.Б., Кашарский Э.Г. Добавочные потери в электрических машинах. М.-Л.: ГЭИ, 1963. - 90 е., ил.

17. Данилевич Я.Б., Яковлев В.И. Магнитное поле в зазорев зоне крайних пакетов сердечника статора турбогенератора. -В кн.: Проблемы создания турбо- и гидрогенераторов большой мощности/Л.: Наука, 1971, с. 3-10.

18. Данилевич Я.Б., Пипко P.M. Магнитное поле в торцевой зоне сердечника статора электрических машин переменного тока с учетом влияния поля пазового рассеяния. Электротехника, 1982, Л 9, с. 36-39.

19. Данилевич Я.Б., Пипко P.M., Яковлев В.й. Магнитное поле в торцевой зоне турбогенератора. Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт, 1982, № I, с. 135-143.

20. Демирчян К.С. Моделирование магнитных шлей. Л.: Энергия, 1974. - 288 е., ил.

21. Дешрчян К.С., Чечурин В.Л. Метод расчета вихревых магнитных полей с помощью скалярного магнитного потенциала. Изв. АН СССР. Сер. Энергетика.и транспорт, 1970, & 4, с. 86-93.

22. Домбровский В.В. Справочное пособие по расчету электромагнитного шля в электрических машинах. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1983. - 256 е., ил.

23. Домбровский В.В., Хуторецкий Г.М. Основы цроектирования электрических машин переменного тока. Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1974. - 504 е., ил.

24. Домбровский В.В., Коган В.В., Конторович Л.М. Расчет потерь от циркуляционных токов в стержневых обмотках. В кн. Электросила / Л.: Энергия, 1981, № 33, с. 41-49.

25. Домбровский В.В., Чашин Б.Б., Чечурин В.Л. Расчеты магнитных полей в торцовой зоне крупных электрических машин. Тр. ЛПИ им. М.И.Калинина, 1979, № 367, с. 24-29.

26. Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. 2-е изд. перераб. М.: Энергия, 1974. - 240 е., ил.

27. Езовит Г.П. Справочник электроэнергетика. Киев: Науко-ва думка, 1975.- 272 е., ил.

28. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, 1974. - 108 е., ил.

29. Иванов-Смоленский А.И. Электромагнитные поля и процессыв электрических машинах и их физическое моделирование. М.: Энергия, 1969. - 304 е., ил.

30. Испытания гидрогенератора с немагнитными козырьками нажимных щек полюсов /Игнатьев B.C., Князев O.A., Литвиненко В.Д., Постников A.C. Электротехническая промышленность. Электрические машины, 1979, I (95), с. 10-12.

31. Карымов A.A., Харитонова T.B. Алгоритм расчета амплитуд вынужденных колебаний лобовой дуги гидрогенератора. В кн.: Турбо» и гидрогенераторы /Л.: Наука, 1974, с. I26-I3I.

32. Карымов A.A., Харитонова Т.В. Алгоритм расчета частот собственных колебаний лобовой дуги гидрогенератора. В кн.: Турбо- и гидрогенераторы /Л.: Наука, 1974, с. I3I-I38.

33. Климовицкий В.Д. Опытное исследование магнитных полейв торцовой зоне турбогенератора. В кн.: Теоретические и экспериментальные исследования турбо- и гидрогенераторов большой мощности /Л.: Наука, 1968, с. 82-88.

34. Методика исследования магнитного поля и потерь в торцовой зоне турбогенераторов /Бережинский В.А., Воробьев В.Ф., Крит А.Г., Мойжес A.C. Электротехника, 1967, № 8, с. 27-32.

35. Нагрев крайних пакетов сердечника статора гидрогенератора мощностью 300 МВт /Гринберг Б.И., Демьянов В.К., Корешков А.Н., Эльберг Е.С. Электротехническая промышленность. Электрические машины, 1975, № 5(51), с. 3-5.

36. Панин В.В., Степанов Б.М. Практическая магнитометрия. -М.: Машиностроение, 1978. 112 е., ил.

37. Проектирование гидрогенераторов,'ч.1 /Домбровский В.В., Еремеев A.C., Иванов Н.П., Ипатов П.М., Каштан М.Я., Пинский Г.Б.-М.-Л.: Энергия, 1965. 258 е., ил.

38. Синхронные генераторы: Международная конференция по большим электрическим системам высокого напряжения (СИГРЭ-76) /Сост.: И.А.Глебов, Л.Г.Мамиконянц. М.: Энергия, 1978. - 80 е., ил.

39. Суханов Л.А. Методика исследования электродинамических сил в лобовых частях обмотки статора. В кн.: Методы расчета турбо- и гидрогенераторов /Л.: Наука, 1975, с. I6I-I7I.

40. Суханов Л.А., Иванова Л.И. Особенности расчета и анализ распределения усилий вдоль лобовых дуг обмотки статора при внезапном трехфазном к.з. В кн.: Методы расчета турбо- и гидрогенераторов /Л.: Наука, Ленингр. отд-ние, 1975, с. I7I-I8I.

41. Титко А.И., Счастливый Г.Г. Математическое и физическое моделирование электромагнитных полей в электрических машинах переменного тока. Киев: Наукова думка, 1976. - 200 е., ил.

42. Турбогенераторы. Расчет и конструкция /В.В.Титов, Г.М.Ху-торецкий, Г.А.Загородная и др. Л.: Энергия, 1967. - 693 е., ил.

43. Филиппов И.Ф. Основы теплообмена в электрических машинах. Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1974. - 384 е., ил.

44. Электрические и магнитные измерения /Под ред. Е.Г.Шрам-кова. М.-Л.: ОНТИ, 1937.

45. Электрические измерения. Средства и методы измерений / Под ред. Е.Г.Шрамкова. М.: Высшая школа, 1972. - 507 е., ил.

46. Электромагнитные и тепловые процессы в концевых частях мощных турбогенераторов /Постников И.М., Станиславский Л.Я., Счастливый Г.Г., Езовит Г.П. и др. Киев: Наукова думка, 1971. -360 е., ил.

47. Настоящим подтверждается, что Матвеевым A.B. выполнены экспериментальные и теоретические исследования электромагнитных и тепловых полей в торцевой зоне статоров гидрогенераторов Волжских, Братской, Красноярской, Зейской, Саяно-Щдпенской и других ГЭС.

48. Полученные рекомендации использованы при проектировании новых и эксплуатации установленных гидрогенераторов. Экономический эффект от применения немагнитных щек полюсов составил 166 тыс. рублей на один генератор Зейской ГЭС.

49. Главный конструктор гидрогенераторов1. А.А.Дукштау