Сверхпроводниковые турбогенераторы (криотурбогенераторы)

Сверхпроводниковые турбогенераторы – принципиально новое направление развития турбогенераторов, позволяющее значительно снизить массу и потери. Охлаждение производится при сверхнизких (криогенных) температурах при достижении явления сверхпроводимости.

В сверхпроводящем проводе допустима плотность тока, в 10...50 раз превышающая плотность тока в обычном электрооборудовании. Магнитные поля можно будет довести до значений порядка 10 Тл, по сравнению с 0,8...1 Тл в обычных машинах. Если учесть, что размеры электротехнических устройств обратно пропорциональны произведению допустимой плотности тока на индукцию магнитного поля, то ясно, что применение сверхпроводников уменьшит размеры и массу электрооборудования во много раз [35].

Так, если использовать эффект сверхпроводимости и применить сверхпроводящие материалы для обмотки ротора (обмотки возбуждения), то потери в роторной обмотке можно практически свести к нулю, так как постоянный ток не будет встречать в ней сопротивления. Вследствие этого, повысится КПД машины. Протекающий по сверхпроводящей обмотке возбуждения ток большой силы создает столь сильное магнитное поле, что уже не будет необходимости применять стальной магнитопровод, традиционный для любой электрической машины. Устранение стали снизит массу ротора и его инерционность [35].

Конструктивные особенности:

- наличие на роторе ряда проводящих оболочек, играющих роль электромагнитных экранов и предназначенных для защиты сверхпроводниковой обмотки возбуждения от переменных магнитных полей обмотки статора, демпфирования качаний ротора и тепловой защиты ОВ;

- отсутствие ферромагнитного сердечника ротора;

- беззубцовая конструкция статора, сердечник статора имеет вид ферромагнитного экрана;

- (пример): охлаждение жидким гелием (температура 4,2 К, т.е. около – 269ºС). Охлаждаемая обмотка ротора выполняется из ниобий-титанового сплава. При указанной температуре она переходит в сверхпроводящее состояние с минимумом потерь [6].

Недостаток: сложность конструкции и системы охлаждения.

В 1980 специалисты обещали создать промышленные криотурбогенераторы мощностью в 3000 МВт к 2000 году [41]. Это не удалось.

Изоляция обмоток турбогенераторов

Выделим три важных эксплуатационных свойства изоляции обмоток всех электрических машин: нагревостойкость, электрическое сопротивление и электрическая прочность.

Эти свойства изоляции у турбогенераторов должны быть следующими (ГОСТ 533-2000) [18]:

а) Класс нагревостойкости – не ниже В.

Допустимая температура изоляции с классом нагревостойкости В - 130°С.

б) Сопротивление изоляции турбогенератора относительно корпуса и между обмотками при температуре 10÷30°С должно быть не ниже 10 МОм на каждый киловольт номинального напряжения обмотки (в любом случае не ниже 0,5 МОм).

в) Обе обмотки должны выдерживать испытательное пробивное напряжение, значение которого указывается в ГОСТ (например, для обмотки возбуждения с номинальным напряжением до 500 В испытательное напряжение равно десятикратному номинальному напряжению, но не менее 1500 В).

 

Режим работы

Продолжительный (длительный).

Продолжительным (длительным) называется такой режим работы машины при неизменной нагрузке и потерях, при котором достигается установившаяся (неизменная) температура всех её частей.

Особенности конструкции

Ротор. В турбогенераторах применяется неявнополюсная конструкция ротора. Это обусловлено тем, что применение неявнополюсной конструкции ротора позволяет повысить прочность ротора, что является важным для быстроходных синхронных машин, в которых на роторе действуют значительные механические напряжения, возникающие из-за больших центробежных сил, пропорциональных частоте вращения и диаметру ротора [8].

Напоминание о неявнополюсной и явнополюсной синхронной машине смотри в Разделе 15.14.1.

Слова "явнополюсный" и "неявнополюсный" пишутся слитно.

Для обеспечения высоких прочностных свойств роторы крупных турбогенераторов (свыше 500 МВт) изготавливают из цельной поковки высоколегированной стали, обладающей высокими механическими и магнитными свойствами, а роторы турбогенераторов малой мощности (до 100 МВт) - из углеродистой стали ст35 [24].

Поковка – это объемная заготовка (близкая к требуемому размеру) или готовое изделие, получаемое ковкой или горячей штамповкой в кузнечно-штамповочном производстве (в отличие от проката – листового материала).

Легированная сталь — сталь, которая кроме железа, углерода и неизбежных примесей содержит элементы (например, хром, никель, марганец, и др.), специально вводимые в определённых количествах для обеспечения требуемых физических или механических свойств. Эти элементы называются легирующими. Высоколегированная сталь содержит от 10 до 50 % примесей [29].

Обмотки. Обмотка возбуждения турбогенератора располагается на роторе, фазная обмотка — на статоре. Число фаз равно трем; соединяются они, как правило, в звезду.

 

Питание обмотки возбуждения

Возможные варианты:

а) Дополнительный синхронный генератор (возбудитель), расположенный на одном валу с турбогенератором или вращающийся от независимого приводного двигателя, вырабатывает в обмотках статора трехфазное напряжение, которое преобразовывается в неподвижном выпрямителе в постоянное напряжение. Это напряжение через контактные кольца (щеточно-контактный аппарат) подается на обмотку возбуждения турбогенератора. Мощность возбудителя на порядок меньше (потому что мощность цепи возбуждения у электрических машин на порядок меньше).

При частоте вращения 3000 об/мин щеточно-контактный аппарат надежно работает только при токах до 5000 А [6].

б) Дополнительный синхронный генератор, расположенный на одном валу с турбогенератором, вырабатывает в обмотках ротора трехфазное напряжение, которое преобразовывается во вращающемся выпрямителе в постоянное напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения турбогенератора. Получаемая система является бесконтактной (бесщеточная система возбуждения).