1. Generatory

1.1 Budowa i działanie

      Maszyny synchroniczne pracują najczęściej jako prądnice: turbogeneratory w elektrowniach cieplnych i hydrogeneratory w elektrowniach wodnych. Znajdują one również zastosowanie jako kompensatory wytwarzające energię bierną oraz silniki do napędów wymagających stałej prędkości obrotowej.

      W maszynach synchronicznych występuje ścisła zależność między prędkością obrotową wirnika

a częstotliwością prądu:

gdzie:

f – częstotliwość [Hz],

p – liczba par biegunów,

n – liczba obrotów na minutę.

Generatory synchroniczne budowane są w dwóch odmianach jako:

- maszyny szybkoobrotowe z utajonymi biegunami,

- maszyny wolnoobrotowe jawnobiegunowe.

      Podstawowa różnica w budowie tych maszyn leży w konstrukcji wirnika i liczbie biegunów. Maszyny z utajonymi biegunami są najczęściej dwubiegunowe, rzadziej czterobiegunowe. Dla ograniczenia momentu bezwładności i zwiększenia wytrzymałości mechanicznej wirnik maszyny jest wykonywany z odkuwki, a uzwojenia ma umieszczone w wyfrezowanych żłobkach. Średnica wirnika generatora z utajonymi biegunami nie przekracza zwykle 1,2 m. Takie generatory napędzane są turbinami parowymi o prędkości obrotowej 3000 lub 1500 obr/min.

      Maszyny jawnobiegunowe mają większą liczbę biegunów, a uzwojenie wzbudzenia mają wykonane w postaci cewek umieszczonych na biegunach. Maszyny takie mogą być napędzane silnikami wysokoprężnymi lub turbinami wodnymi. Prędkości obrotowe hydrogeneratorów wynoszą od kilkunastu do kilkuset obr/min.

      Napięcie znamionowe generatorów synchronicznych jest ograniczone wytrzymałością elektryczną izolacji i nie przekracza 30 kV. Moc znamionowa jednostek wynika m.in. z dopuszczalnej temperatury izolacji, sposobu chłodzenia maszyny i wytrzymałości mechanicznej wirnika, ograniczającej obecnie masę wirnika do ok. 2000 Mg oraz wartość prądu stojana do 35 kA. Moce znamionowe największych budowanych współcześnie turbogeneratorów przekraczają 1500 MVA.

      Bardzo duże jednostki stosowane są w elektrowniach jądrowych ze względu na opłacalność budowy dużych bloków reaktor-generator. Moce znamionowe hydrogeneratorów dochodzą do 850 MVA. W Polsce największe turbogeneratory mają moc znamionową 500 MW, a typowy turbogenerator w dużej elektrowni ma moc 360 MW.

      Schemat połączeń generatora synchronicznego przedstawiony jest na rysunku 1.

Rys. 1. Układ połączeń generatora synchronicznego:

Oznaczenia: 1 – uzwojenie stojana, 2 – uzwojenie wirnika, 3 – pierścienie ślizgowe,

4 – wzbudnica, 5 – uzwojenie biegunów wzbudnicy, 6 – regulacja napięcia.

      Stojan maszyny jest twornikiem, w uzwojeniach którego indukowana jest siła elektromotoryczna. Żelazo czynne stojana wykonane jest z tzw. blach prądnicowych o niskiej stratności, wynoszącej w nowoczesnych generatorach ok. 1 W/kg. Spakietowane jarzmo stojana, umieszczone jest w spawanej konstrukcji kadłuba. Uzwojenie stojana jest trójfazowe i zwykle dwuwarstwowe. Budowa uzwojenia zależy od zastosowanego sposobu chłodzenia.

      Na wale wirnika są umieszczone izolowane pierścienie, przez które uzwojenie wzbudzające jest zasilane prądem stałym. Źródłem zasilania może być prądnica samowzbudna umieszczona na wspólnym wale maszyny lub układ prostownikowy. Uzwojenie wirnika wytwarza pole magnetyczne wirujące wraz z wirnikiem. Przy obciążeniu maszyny prąd stojana wytwarza również pole magnetyczne, które wiruje w tym samym kierunku i z tą samą prędkością co pole wytworzone przez wirnik. Pole wypadkowe przecinając przewody uzwojenia stojana wytwarza w nim siłę elektromotoryczną. Zasadę działania generatora synchronicznego trójfazowego pokazano na rys. 2.

Rys. 2. Zasada działania generatora

Rys. 3. Żłobek wirnika turbogeneratora synchronicznego trójfazowego.

Oznaczenia: 1 – klin zabezpieczający uzwojenie, 2 – izolacja,  3 – przewód uzwojenia wzbudzenia,

 4 – kanał przepływu wody, 5 – izolacja zwojowa,  6 – izolacja żłobkowa.

      Uzwojenie wirnika może być wykonane na wiele sposobów, zależnie od producenta generatora i mocy znamionowej maszyny. Cewki biegunów maszyn jawnobiegunowych nawijane są drutem izolowanym lub taśmą. W turbogeneratorach wykonanie uzwojenia wzbudzenia zależy od tego, czy uzwojenie jest chłodzone pośrednio czy też bezpośrednio. Przy chłodzeniu bezpośrednim, czynnik chłodzący przepływa wewnątrz przewodów. Również uzwojenie stojana może być chłodzone pośrednio, przy pomocy kanałów wodnych lub wodorowych lub bezpośrednio, gdy w skład cewek wchodzą pręty, wewnątrz których przepływa czynnik chłodzący.

1.2 Układy chłodzenia generatorów.

      Najstarszym sposobem chłodzenia maszyn jest wymuszony obieg powietrza w obiegu otwartym. Powietrze chłodzące, zasysane z zewnątrz poprzez filtry, jest wentylatorem kierowane do wnętrza maszyny, a następnie wyrzucane na zewnątrz. W obiegu zamkniętym powietrze chłodzące jest kierowane do chłodnic, przez które przepływa zimna woda. Niektóre firmy stosują chłodzenie powietrzem turbogeneratorów o mocy do 250 MVA. Chłodzenie pośrednie powietrzem jest stosowane w maszynach jawnobiegunowych.

      Duże turbogeneratory są chłodzone wodorem w obiegu zamkniętym. Wodór jest nie tylko lżejszy od powietrza, ale charakteryzuje się znacznie lepszym przewodnictwem ciepła. Dla uzyskania odpowiedniego efektu chłodzenia stosuje się nadciśnienie wodoru w maszynie wynoszące zwykle 13 MPa. Część maszyny, w której występuje wodór jest oddzielona od przestrzeni powietrznej przy pomocy uszczelnienia olejowego pod ciśnieniem. Chłodzenie wodorowe stosuje się w maszynach o mocy rzędu 400 MVA.

      Dla bardzo dużych jednostek stosowane jest chłodzenie wodne. Destylat wodny przepuszczany jest przez kanały i otwory wewnątrz uzwojenia. Odprowadzanie ciepła jest tu znacznie intensywniejsze niż przy chłodzeniu wodorem. Duże ciśnienia występujące w obiegu destylatu wymagają stosowania odpowiednio skonstruowanych uszczelnień. Chłodzenie wodno-wodorowe ma największy obecnie zainstalowany na świecie turbogenerator o mocy znamionowej 1700 MVA.

      Duże generatory wyposaża się także w zabezpieczenia przed asymetrią prądów stojana, przed pracą asynchroniczną i przed przeciążeniem prądowym wirnika. Ponadto wszystkie maszyny mogą być wyposażone w sygnalizację i zabezpieczenia kontrolujące temperaturę wewnątrz maszyny i temperaturę czynnika chłodzącego.

      W tablicy 1. podano rodzaje zabezpieczeń stosowanych dla generatorów synchronicznych zasilających bezpośrednio szyny zbiorcze.

Tablica 1. Zabezpieczenia generatorów synchronicznych

* w przypadku gdy prąd zwarcia doziemnego jest mniejszy od 5A.

Objaśnienia: W — otwarcie wyłącznika głównego, SGP — samoczynne odwzbudzenie generatora,

                    S — sygnalizacja ostrzegawcza.

      Podstawowym dokumentem ruchowym generatora jest raport dobowy. W raportach, zgodnie z wymaganiami instrukcji eksploatacji, zapisywane są wartości podstawowych wielkości elektrycznych charakteryzujących pracę generatora oraz wartości temperatury żelaza czynnego, uzwojeń, gazu chłodzącego, wody chłodzącej, łożysk i oleju. Poza raportem dobowym, wypełnianym zwykle co godzinę, obsługa prowadzi dziennik operacyjny, w którym wpisywane są czynności wykonywane w czasie eksploatacji, jak np. wyniki pomiarów rezystancji uzwojeń, kontroli stanu szczotek, pierścieni i komutatora itp.

1.5 Uruchomienie generatora synchronicznego.

      Załączenie maszyny synchronicznej, a w szczególności dużych turbogeneratorów jest długotrwałym procesem. Tryb postępowania zależy od tego, czy uruchomienia dotyczy nowego generatora, bloku po remoncie czy też po postoju.

      Szczegółowe zasady eksploatacji generatorów zostały określone przez zarządzenie MGiE z dnia 30.04.1987 r. Zarządzenie to zostało uchylone przez stawę z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne [Dz.U.06.89.625 ogłoszony dnia 30 maja 2006 r.] i przestało obowiązywać po 6 miesiącach od dnia wejścia ustawy w życie.

      Nadal nie ma obligatoryjnych przepisów zastępujących ww. zarządzenie. Prawo energetyczne zobowiązuje do stosowania nie tylko przepisów i norm, lecz także zasad wiedzy technicznej.

      Uchylone przepisy również kształtują tę wiedzę i dlatego do czasu wydania nowych przepisów na podstawie Prawa energetycznego stanowić mogą one pewne wskazania, przy pomocy których w oparciu o postęp naukowo-techniczny, publikacje i ekspertyzy, można prowadzić eksploatację generatorów energetycznych.

      W oparciu o Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [Dz.U.07.93.623 ogłoszony dnia 29 maja 2007 r.] z wykorzystaniem powyższego zarządzenia opracowuje się instrukcje ruchu i eksploatacji generatorów.

      Pierwsze włączenie do sieci nowego generatora odbywa się komisyjnie z udziałem przedstawicieli inwestora oraz wykonawców. Uruchomieniu towarzyszą odpowiednie pomiary i badania wykonane w zakresie i kolejności uzgodnionych między użytkownikiem, a wytwórcą dla jednostek nowych, oraz pomiędzy użytkownikiem, a zakładem remontowym dla jednostek po remoncie.

      Generator nowy lub po remoncie przed przyjęciem do eksploatacji może być poddany badaniom odbiorczym wykonywanym:

— u dostawcy lub w miejscu przeprowadzenia remontu, wykonywanym przez dostawcę

    lub wykonawcę remontu,

— w miejscu zainstalowania, wykonywanym przez użytkownika lub osoby przez niego upoważnione.

      Jeżeli dostawa lub remont obejmuje część generatora, to badania odbiorcze przeprowadza się tylko w odniesieniu do tej części. Jeżeli postój bloku trwał dłużej niż 7 dni, to należy przeprowadzić pomiar rezystancji izolacji uzwojeń. W razie zawilgocenia izolacji, uruchomienie generatora jest dopuszczalne tylko po jej wysuszeniu.

      Uruchomienie generatora do pracy kompensatorowej, tj. bez turbiny, jest dopuszczalne tylko wówczas, gdy został on wyposażony w odpowiednie urządzenie ograniczające ruch wirnika w kierunku osiowym.

      Przygotowanie generatorów do pracy polega na wykonaniu następujących czynności:

— sprawdzenie zapasu gazów; zapas dwutlenku węgla CO₂ powinien wystarczać na dwukrotne

    wypełnienie

    maszyny, zapas wodoru na wypełnienie maszyny ze znamionowym ciśnieniem,

— uruchomienie obiegów olejowych łożysk i uszczelnienia wału,

— uruchomienie obiegu destylatu,

— usunięcie powietrza z wnętrza maszyny przy pomocy dwutlenku węgla,

— sprawdzenie szczelności.

      Maszynę uważa się za szczelną, jeżeli po upływie dwóch godzin od doprowadzenia ciśnienia medium gazowego do wartości znamionowej + 0,1 MPa, ciśnienie wewnątrz nie spadnie bardziej niż o 4 mm słupa rtęci. W czasie uruchamiania generatora z chłodzeniem wodorowym, ciśnienie gazu w obudowie powinno być wyższe od atmosferycznego co najmniej o 3,5 kPa (0,035 at).

      Po sprawdzeniu parametrów wg szczegółowej instrukcji możliwe jest przystąpienie do uruchomienia turbiny, wzbudzenia maszyny i jej synchronizacji. Generator można wzbudzić, gdy wirnik osiągnie prędkość zbliżoną do synchronicznej. Po doprowadzeniu do gotowości bloku energetycznego do ruchu można przystąpić do synchronizacji generatorów. Turbogeneratory i kompensatory synchroniczne powinny być synchronizowane metodą dokładną. Dla hydrogeneratorów można stosować samosynchronizację, o ile nie ma przeciwwskazań producenta.

      Przed włączeniem synchronoskopu należy sprawdzić czy napięcie generatora jest bliskie napięciu sieci oraz czy częstotliwość nie różni się od sieci więcej niż o 0,5 Hz. Stosowane są trzy rodzaje urządzeń do synchronizacji:

1) zwykła kolumna synchronizacyjna do synchronizacji ręcznej. Przy synchronizacji ręcznej zamykanie wyłącznika powinno nastąpić w chwili, gdy wskazówka synchroskopu powoli przesuwa się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i zbliża się do położenia zerowego,

2) kolumna synchronizacyjna z półautomatem. Po ręcznym podaniu sygnału na włączenie generator zostaje załączony przez automatykę,

3) synchronoskop automatyczny, wyposażony w układ pomiaru i automatycznej regulacji prędkości i napięcia aż do doprowadzenia do synchronizacji.

      Kontrola w powyższym zakresie powinna być wykonywana przez obsługę za pomocą przyrządów pomiarowych lub automatycznie w zakresie określonym przez wytwórcę w dokumentacji fabrycznej.

      Dla danej maszyny, wartości znamionowe parametrów oraz ich trwałe dopuszczalne wartości, powinny być podane w instrukcji ruchu i eksploatacji. Instrukcja musi również określać częstotliwość i sposób pomiaru poszczególnych parametrów.

      Jeżeli fabryczna instrukcja nie przewiduje inaczej, to dopuszczalne jest przeciążenie generatorów przy spełnieniu np. następujących zastrzeżeń:

1) przeciążenie generatora na skutek wystąpienia na zaciskach napięcia wyższego niż trwale dopuszczalne jest dozwolone przez czas nie dłuższy niż 5 minut. Jeżeli napięcie przekroczy 125% wartości znamionowej generator powinien być bezzwłocznie wyłączony i odwzbudzony,

2) przeciążenie prądowe stojana oraz wirnika generatora przy napięciu wyższym niż wartość trwale dopuszczalna jest zabronione. Przywrócenie normalnych warunków pracy musi w tym przypadku nastąpić w ciągu 3 minut od wystąpienia przeciążenia,

3) niesymetryczne obciążenie generatora jest dopuszczalne tylko przez czas wynikający ze wzoru:

4) praca generatora przy indukcyjnym współczynniku mocy większym niż trwale dopuszczalny może trwać nie dłużej niż 30 minut. Praca przy pojemnościowym współczynniku mocy z mocą pozorną większą niż trwale dopuszczalna może odbywać się nie dłużej niż przez 5 minut.

      Zakres i częstotliwość dokonywania obserwacji maszyny i zapisów ruchowych określa instrukcja ruchu i eksploatacji. Zalecane jest zastosowanie następujących zasad:

1) co godzinę należy dokonywać:

— zapisu w raporcie maszynowni,

— kontroli drgań i badania osłuchowe maszyny,

— obserwację pracy szczotek,

2) dwa razy na zmianę należy przeprowadzić oględziny zewnętrzne generatora,

3) raz na zmianę należy sprawdzić:

— sygnalizację do nastawni,

— łożyska.

4) raz na tydzień należy przeprowadzać pomiar rezystancji izolacji głównej obwodu wzbudzenia.

      Niezależnie od tego, rezystancja izolacji obwodu wzbudzenia w maszynach o mocy od 25 do 100 MVA powinna być kontrolowana nie rzadziej niż dwa razy w ciągu zmiany. Dla maszyn o mocy większej niż 100 MVA wymagana jest sygnalizacja stanu izolacji w nastawni.

      Kontrola rezystancji izolacji głównej uzwojenia stojana maszyny będącej w ruchu i wyposażonej w samoczynne zabezpieczenie ziemnozwarciowe powinna odbywać się w sposób ciągły i działać na wyłączenie ze strefą czułości wynoszącą:

— 80% – dla generatorów o mocy mniejszej niż 150 MVA,

— 95% – dla generatorów o mocy od 150 do 250 MVA,

— 100% – dla generatorów o mocy większej niż 250 MVA.

      W przypadku uszkodzenia izolacji głównej praca generatora jest zabroniona a wyłączenie generatora i jego odwzbudzenie powinno nastąpić bezzwłocznie. Zwłokę nie większą niż 1 s dopuszcza się w przypadku zabezpieczenia ziemnozwarciowego. Praca generatora z rezystancją izolacji obwodu wzbudzenia mniejszą od wartości trwale dopuszczalnej może odbywać się tylko pod warunkiem prowadzenia ciągłej kontroli stanu izolacji z sygnalizacją doziemień.

      Praca generatora z pojedynczym doziemieniem metalicznym w obwodzie wzbudzenia jest dozwolona do czasu najbliższego remontu pod warunkiem, że maszyna jest wyposażona w zabezpieczenie powodujące bezzwłoczne wyłączenie w przypadku pojawienia się drugiego doziemienia w obwodzie wzbudzenia. Praca maszyn jawnobiegunowych i kompensatorów synchronicznych jest zabroniona w przypadku gdy wystąpi pojedyncze zwarcie metaliczne w obwodzie wzbudzenia.

      Warunki pracy generatorów są ściśle uzależnione od funkcjonowania chłodzenia zgodnie z instrukcjami techniczno-ruchowymi producenta maszyny. W tym zakresie instrukcja producenta musi być wprowadzona do instrukcji ruchu i eksploatacji danego generatora. To samo dotyczy stanu i temperatury łożysk i uszczelnień olejowych.

      Generatory mogą być eksploatowane przy uszkodzonym przyrządzie lub układzie kontrolno-pomiarowym, jeżeli zakres kontroli parametrów nie uległ ograniczeniu w stopniu uniemożliwiającym wykonywanie kontroli. Jeżeli uszkodzenie spowodowało uniemożliwienie kontroli, dopuszcza się utrzymywanie generatora w ruchu:

— nie dłużej niż przez 5 dni – przy zastosowaniu zastępczych sposobów kontroli,

— do najbliższego planowanego przeglądu lub remontu, pod warunkiem zgody jednostki

    organizacyjnej upoważnionej do dysponowania mocą.

      Planowane przeglądy i remonty powinny być umieszczone w programie pracy generatorów z uwzględnieniem programu pracy innych jednostek wchodzących w skład danego przedsiębiorstwa wytwórczego (elektrowni) i w uzgodnieniu z odpowiednim przedsiębiorstwem sieciowym i przedsiębiorstwem obrotu energią elektryczną.

1.7 Odłączenie od sieci i zatrzymanie generatora.

      Odłączenie od sieci i zatrzymanie generatora w normalnych warunkach może nastąpić w terminach ustalonych w harmonogramach lub na polecenie osób sprawujących dozór nad jego eksploatacją. Przed wyłączeniem należy generator odciążyć. Odłączenie generatora od sieci musi być związane z odwzbudzeniem i wygaszeniem pola wirnika.

      Z reguły uzwojenie wzbudzenia nie może zostać wyłączone ze względu na dużą indukcyjność obwodu. Nagłe przerwanie przypływu prądu w uzwojeniu wzbudzenia może spowodować przepięcie zagrażające wytrzymałości izolacji wirnika. Dlatego odwzbudzenie wykonuje się poprzez zwarcie uzwojenia wirnika przez rezystor gaszący lub zastosowanie odpowiednich układów tyrystorowych.  

      Odbywa się to za pomocą automatyki SGP (Samoczynne gaszenie pola), w którą musi być wyposażony generator. Urządzenie odwbudzające powinno spowodować obniżenie się napięcia na zaciskach generatora do wartości poniżej 10% napięcia znamionowego w czasie poniżej 3 s.

Generator należy wyłączyć jeżeli:

- powstanie zagrożenie dla życia ludzi lub urządzeń,

- napięcie wzrośnie ponad wartość dopuszczalną i nie uda się go zmniejszyć w ciągu 5 minut,

- niesymetria prądów stojana przekroczy wartość dopuszczalną na dłużej niż 2 minuty,

- temperatura wewnątrz generatora przekroczy określoną wartość dopuszczalną podaną przez

  wytwórcę i nie można jej obniżyć,

- pojawią się drgania lub inne zagrożenia mechaniczne lub poziom hałasu przekracza dane podane

  przez wytwórcę,

- zmniejszy się przepływ wody chłodzącej uzwojenie stojana.

      Generator może zostać również wyłączony wskutek zadziałania zabezpieczeń, w następujących przypadkach:

- gdy nastąpiło uszkodzenie izolacji głównej uzwojenia stojana,

- gdy nastąpi doziemienie w uzwojeniu wzbudzenia (wirnika) w maszynie jawnobiegunowej,

- gdy wystąpi zwarcie podwójne, tj. w dwóch różnych punktach uzwojenia wzbudzenia w maszynie

  o dowolnej konstrukcji wirnika,

- gdy wystąpi zakłócenie w układzie olejowym: naruszenie granicznego ciśnienia oleju, obniżenie

  poziomu oleju