8. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Čatež 2007 CIGRE ŠK A1 - 2

Zamjenski hidro generatori na obnovljenim elektranama HE Ožbalt i HE Vuhred

Mr.sc. Zoran Milojković, dipl. ing.

Josip Študir, dipl. ing. KONČAR – GIM

10000 Zagreb, Fallerovo šetalište, 22 E-mail: zmilojkovic@koncar-gim.hr, tel. +385 1 3655122

Mag. Matjaž Peternel, univ.dipl.inž.el. Elektroinštitut Milan Vidmar 1000 Ljubljana, Hajdrihova 2

Bojan Suhodolčan, dipl. ing. Dravske Elektrarne Maribor 2000 Maribor, Obrežna 170

Sažetak - Sažeto je dat opis konstrukcije generatora i njegovih glavnih dijelova. Prikazani su osnovni i projektirani podaci generatora: gubici snage, korisnost, reaktancije, otpori i vremenske konstante, te V – krivulje, krivulje magnetiziranja u praznom hodu i pod opterećenjem, krivulja kratkog spoja i pogonski dijagram. Dana je usporedba značajnijih karakteristika zamjenskih s prijašnjim generatorima. Ključne riječi: Generator, osnovni podaci, konstrukcija, korisnost, karakteristike

Replacement of Hydro Generators in HPP Ožbalt and HPP Vuhred

Abstract – Description of the generator design and its main parts is given briefly. Generator’s basic and design data: power losses, efficiency, reactances, resistances and time constants, V – curves, saturation curve for no load and rated load are shown. Data of essential performances of new generators are compared with data of previous generators. Key words: Generator, main data, design, efficiency, performances

I. UVOD

Hidroelektrane Vuhred i Ožbalt su među prvim

elektranama izrađenih u Sloveniji poslije drugog svjetskog rata. Prije njih na rijeci Dravi su izrađene Mariborski otok i Vuzenica. HE Vuhred sa prvotnim generatorima 3 kom, svaki 22 MVA, 10,5 kV, 50 Hz, 125 rpm / 335 rpm, mD2 = 3000 tm2, izgrađena je 1955 godine, a generatori su pušteni u pogon 1955÷1957. Generatori su svi gljivaste izvedbe (umbrella type), pogonjeni Kaplan turbinama. Hidroelektrana Ožbalt također ima tri agregata s generatorima istih karakteristika kao i elektrana Vuhred. Generatori na ovoj elektrani pušteni su u pogon 1959÷1961. Obnovi elektrane s potpuno novim agregatima otpočelo se 1998 godine. Prvi generator na Vuhredu instaliran je i pušten u pogon 2001, a na Ožbaltu 2002. Svi generatori su instalirani i pušteni u pogon do 2005 godine. Novi generatori su snage 30 MVA, što je 36% više u odnosu na prijašnje. Novim generatorima povećana je i brzina vrtnje pri pobjegu 350 rpm, što je 4,5% veća brzina vrtnje u odnosu na prijašnji generator, ali povećan im je i zamašni moment na 4100 tm2, što je 37% više nego na prijašnjim.

II. OPIS GENERATORA

Generatori HE Vuhred i HE Ožbalt S 6907 – 487 su trofazni sinkroni generatori s izraženim polovima, vertikalne, potpuno zatvorene izvedbe, gljivastog oblika konstrukcije, bez osovine i ležaja (IM 8140 prema IEC 34-7 ). Smješten je ispod poda strojarnice i prirubnim spojem direktno vezan na osovinu Kaplan turbine.

A. Osnovni podaci generatora su:

Tip S6907-48 Snaga 30000 kVA Napon 10500 V Promjena napona ± 10% Frekvencija 50Hz Faktor snage 0,9 Brzina vrtnje 125 r/min Pobjeg 350 r/min Zamašni moment (mD2) 4100 tm2

Oblik konstrukcije IM 8140 prema IEC 34-7 Uzbuda Statička

8. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Čatež 2007 CIGRE ŠK A1 - 2

Smješten je ispod poda strojarnice i prirubnim spojem direktno vezan na osovinu Kaplan turbine.

Hlađenje generatora je prisilno, rashladnim zrakom koji cirkulira u potpuno zatvorenom ventilacionom krugu. Toplina sa zraka prenosi se na vodu u izmjenjivačima topline (hladnjaci zraka) raspoređenim po vanjskom plaštu kućišta statora. Ventilacija se ostvaruje djelovanjem samog rotora generatora.

B. Konstrukcija generatora

Stator se sastoji iz kućišta, paketa i armaturnog namota.

Stator je trodijelan.. Kućište iz tri jednaka dijela prirubničkim spojevima sastavljeno je u tvornici i pripremljeno za paketiranje. Nakon paketiranja, osim na sastavima segmenata, izvedeno je ulaganje namota u utore statorskog paketa. Nakon što je namot uložen i nakon provedenih ispitivanja, stator je rastavljen na tri dijela i tako rastavljen transportiran do elektrane. Na elektrani, statorski dijelovi su spušteni u jamu i ponovno sastavljeni. Preostali dio namota je uložen na sastavima, povezan prema shemi namota i ispitan. Nakon što je završena montaža turbine (ključni datum je „slobodna turbinska osovina), stator je pozicioran prema slobodnoj turbinskoj osovinu, i pripremljen za montažu ostalih dijelova generatora.

B.1 Kućište statora

Kućište statora je izrađeno od čeličnih debelo stijenih

limova i cijevi garantiranih mehaničkih svojstava. Njihovim funkcijski osmišljenim rasporedom i međusobnim zavarivanjem dobiva se konstrukcija visoke krutosti. Svojim donjom prirubnicom, kućište je učvršćeno je preko temeljnog okvira na turbinsku oblogu. Na gornjem kraju, iznad priključaka sabirnica, postavljen je noseći prsten, koji preuzima opterećenje gornjeg nosača i opreme ugrađene na njemu.

Na vanjskom plaštu kućišta simetrično su raspoređeni pravokutni otvori odgovarajuće veličine za smještaj hladnjaka rashladnog uređaja generatora.

Obzirom na dimenzije, uvjete i mogućnosti transporta, te manipulacije – odnosno dizanja, kućište je izrađeno u 3 sekcije, koje se preko prirubnog spoja kompletiraju na mjestu montaže.

B.2. Statorski paket

Statorski paket izrađen je iz segmentnih magnetskih

limova visoke kvalitete 1,1 W/kg kod 1,0 T, debljine 0,5 mm. Segmentni limovi se nakon izbijanja i brušenja srha izoliraju termostabilnim lakom klase F. Izolirani limovi se paketiraju na trapezne letve. Trapezne letve se prethodno centriraju na unutrašnjoj strani statorskog kućišta u radijalnom i aksijalnom smjeru, te, nakon centriranja, zavaruju se na kućište. Jezgra statora je po visini podijeljena u više dionih paketa, međusobno odijeljenih pomoću odstojnih uložaka “I” profila kojima se tvore ventilacioni

kanali potrebni za hlađenje statorskog paleta i statorskog namota. Kompaktnost i krutost statorskog paketa, postignuta je tlačenjem složenih dionih paketa, u pojedinim fazama slaganja. Osigurana je tlačnim pločama s tlačnim prstima, na krajevima jezgre, pritezanjem matica na trapeznim letvama s navojnom završecima. Tlačni prsti su od nemagnetskog čelika. Dioni paketi na krajevima statorskog paketa stepenasto su skošeni gledano iz centra paketa prema van, poradi smanjenja aksijalnog magnetskog polja i gubitaka u željezu uslijed tog polja. Ovim skošenjem, istovremeno se postiže kvalitetnije tlačenje krajnjih paketa.

B.3 Namot statora

Namot statora, klase izolacije F, izveden je kao dvoslojni

petljasti, od prethodno oblikovanih polusvitaka, uloženih u utore jezgre statora. Svici su tvrdim lemljenjem, prema shemi namota, u glavama međusobno spojeni. Spajanje je izvršeno pomoću spojnica. Kako bi gubici od efekta potiskivanja struje bili čim manji polusvitci su izvedeni u Roebel transpoziciji.

Gornji i donji sloj namota odvojeni su izolacionim međuuloškom po cijeloj dužini utora od tvrdog staklenog tkanja. Namot je u utorskom dijelu učvršćen klinovima od tvrdog izolacionog materijala. Glave svitaka se učvršćuju na zajedničkim izoliranim nemagnetskim prstenima.

B.4 Gornji nosač, kapa kliznih koluta, pokrovi, zasloni

Gornji nosač nosi: gornji pokrov, nosač četkica, generatorske kape i u uljnu glavu.

Gornji nosač je zavarene izvedbe izrađen od čeličnog lima visoke zavarljivosti. Sastoji se od centralnog dijela i 6 ruku povezanih s centralnim dijelom. Zbog transportnih ograničenja dvije ruke nosača su rastavljive preko prirubnica i vijčanog spoja.

Na krajevima ruku nalaze se stopala preko kojih se vijcima i zaticima osigurava spoj s kućištem statora. Na taj način se osigurava prijenos sila na temelj generatora.

U centralnom dijelu gornjeg nosača smješten je nosač držača četkica.

Po ruci gornjeg nosača, gledano od smjera vode u smjeru kazaljke na satu pod kutem od 45º izvedeni su izvodi uzbude

Kapa kliznih koluta je okrugle, zavarene izvedbe, sa prirubnicama na gornjoj i donjoj strani. Donjom prirubnicom se vezuje vijčanim spojem za centralni dio gornjeg nosača. Na gornju prirubnicu pričvršćuje se uljovodna glava, vijčanim spojem dimenzioniranim tako da izdrži masu uljne glave od 1630 kg i maksimalnu silu u vertikalnom smjeru turbina-generator Fmax=73 kN.

Osim toga kapa ima ulogu da zatvori prostor kliznih prstena i uređaja četkica od strojarnice. Pravilno raspoređenih 6 otvora na plaštu kape omogućuju pregled i zamjenu četkica. Kapa na svojoj gornjoj strani plašta ima

8. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Čatež 2007 CIGRE ŠK A1 - 2

otvore za ulaz, te na donjoj za izlaz zraka u odvojenom ventilacionom krugu kliznih prstena i četkica.

Osnovni zadatak gornjeg pokrova je da zatvori generatorski prostor s gornje strane i da ga na taj način odvoji od strojarnice.

Pored toga dimenzioniran je tako da može nositi bez deformacija 5 kN/m2 povremenog eventualnog opterećenja.

Ukupno povremeno opterećenje pokrova iznosi 50 kN.

Gornji pokrov je izveden od određenog broja segmenata, pogodnih za jednostavnu i brzu montažu i demontažu.

Svaki segment sastoji se od nosećih okvira i pokrovnih ploča i učvršćuje se na gornji nosač i gornji unutarnji rub generatorske jame.

Zasloni odnosno usmjerivači rashladnog zraka smješteni su sa gornje i donje strane kućišta statora. Osnovna im je uloga formiranje ventilacijskog kruga. Pravilnim usmjeravanjem zraka pomoću zaslona smanjuju se ventilacijski gubici, sprječavaju recirkulaciona – parazitna strujanja zraka, povećava učinkovitost hlađenja itd.

Zasloni su izrađeni od čeličnog lima debljine 5 mm. Radi lakše montaže i demontaže izvedeni su iz 36 segmenata koji su međusobno spojeni vijcima i maticama.

Gornji zaslon se oslanja i vijčanim spojem vezuje na gornju prirubnicu kućišta statora. Njegovim pričvršćivanjem za ruke gornjeg nosača sprečava se mogućnost pojave povećanih vibracija.

Donji zaslon se oslanja i vijčanim spojem je vezan na donju prirubnicu kućišta statora.

B.5 Zvijezda rotora

Zvijezda rotora je zavarene konstrukcije, sastavljena od

diskova i rebara. Čelični limovi koji se koriste za izradu glavine su čelici visokog stupnja zavarljivosti. Odabrani proces zavarivanja osigurava minimalne deformacije i visoku pouzdanost glavnih zavarenih spojeva. Nakon zavarivanja primijenjena je toplinska obrada radi otpuštanja unutarnjih napetosti.

Na vanjskom obodu zvijezde nalaze se letve koje su strojno obrađene kako bi se ostvario učinkovit spoj sa lančanim prstenom. Sistem zaklinjavanja omogućava slobodno radijalno gibanje uz istovremeno odlično centriranje, u bilo kojem eksploatacijskom režimu.

Zvijezda se prirubničkim spojem učvršćuje na turbinsku osovinu. Odabranim vijcima i momentom za njihovo stezanje prenose se svi momenti i opterećenja što se u pogonu mogu pojaviti. Na donjoj strani zvijezde, na njezinom obodu, smješten je kočni prsten.

B.6. Lančani prsten

Lamelirani (lančani) prsten izrađen je od segmentnih

limova debljine 2,2 mm. Segmentni limovi izrađeni su

laserskim rezanjem iz valjanog lima, garantiranih mehaničkih i magnetskih svojstava, definiranih standardom IEC 404-8-5. Njihovim slaganjem u krug sa određenim preklopom, koristeći sistem vođenja koji osigurava pravilno slaganje, formiran je paket. Na gornjoj i donjoj strani lančanog prstena postavljene su segmentne krajnje ploče, koje zajedno s aksijalnim steznim svornjacima i maticama, omogućuju formiranje kompaktne cjeline.

Lamelirani prsten je "lebdeće" izvedbe, što znači da sistem zaklinjavanja lančanog prstena i glavine rotora omogućava slobodno radijalno gibanje uz istovremeno odlično centriranje u bilo kojem eksploatacijskom režimu.

B.7 Polovi

Polovi kompletirani sastoje se od: polne jezgre, polnog i

prigušnog namota. Polni namot sastoji se od polnih svitaka i međupolnih veza.

Jezgra pola je lamelirane izvedbe. Limovi su debljine 1,5 mm složeni na svornjake između krajnjih polnih ploča. Kompaktnost polova ostvarena je krajnjim polnim pločama i pritezanjem matica na navojnim svornjacima.

Oblikovanjem polnih stopala postiže se praktično sinusan raspored polja u zračnom rasporu.

Učvršćenje polova za jaram rotora (lančani prsten) ostvareno je "lastinim repom", a vrši se pomoću kosih klinova koji osiguravaju čvrsto nalijeganje polova na jaram rotora.

Polni namot je u obliku svitaka. Svitak je izrađen iz profilnog bakra, prema standardu DIN 46433 ECu F20. Oblik je dobiven visokobridnim savijanjem profilnog bakra.

Za međuzavojnu izolaciju upotrijebljen je NOMEX izolacioni materijal. Izolirani svitak izlaže se prešanju i grijanju, pri čemu dolazi do polimerizacije izolacije, što osigurava kompaktnu cjelinu s garantiranim mehaničkim i električnim svojstvima. Izolacija svitaka prema jezgri ostvarena je izolacijskim okvirom od tvrdog staklenog tkanja.

Međupolni spojevi su izvedeni s bakrenim spojnicama lako dostupnim i jednostavnim za montažu i demontažu.

Prigušivanje inverzne komponente polja i njegovih viših harmonika, utorskog i u odnosu na njega viših harmonika, te prigušivanje oscilacija rotora ostvareno je prigušnim namotom, koji je izveden u obliku kaveza. Izrađen je od okruglih bakrenih šipka, odgovarajuće mehaničke čvrstoće, međusobno povezanih segmentima prigušnog namota. Segmenti prigušnog namota su međusobno spojeni tvoreći potpuno spojen prigušni kavez. Šipke se ulažu u utore raspoređene duž polnog stopala i spajaju se tvrdim lemljenjem sa segmentima prstena, tako da je omogućeno aksijalno pomicanje uslijed toplinskih dilatacija. Za spajanje segmenata prstena upotrijebljene su elastične spojnice koje omogućavaju toplinsko rastezanje segmenata.

8. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Čatež 2007 CIGRE ŠK A1 - 2

B.8 Nastavak osovine

Nastavak osovine dimenzioniran je za: - osiguranje krutosti s aspekta proračuna kritičnih brzina, - osiguranje kontinuiteta osovinskog sklopa generatora, - smještaj sekundarnih dijelova generatora, kliznih prstena,

vodova uzbudne struje itd.

Nastavak osovine je zavarena konstrukcija iz debelih čeličnih limova i strojno obrađen. Sastavljen je iz diskova, koji su zavarivanjem povezani koničnim stožcem.

Pravilno odabranim brojem vijaka i momentom potrebnim za njihovo stezanje nastavak osovine je prirubničkim spojem spojen sa zvijezdom rotora u jedinstvenu cjelinu.

Preko gornje prirubnice, određenim brojem vijaka i odgovarajućom momentom spojen je nosač kliznih koluta.

Nosač kliznih koluta je izrađen postupkom zavarivanja iz kvalitetnih čeličnih limova. Sastavljen je iz donje i gornje prirubnice te debelostijene cijevi odgovarajuće duljine.

Dovodi struje rotoru od kliznih prstena do polnog namota izvedeni su iz izoliranih bakrenih šina. Vođeni su i učvršćeni izolacionom steznicima, od svornjaka na kliznim prstenima po nosaču kliznih prestena, zatim kroz otvor na donjoj prirubnici ventilatora, po nastavku osovine, zvijezdi rotora i lameliranom – lančanom prstenu do polova. Spoj dovoda i polnog namota dodatno je učvršćen za lamelirani-lančani prsten svornjacima.

Više vijčanih rastavnih mjesta omogućuju demontažu i ponovnu montažu pojedinih dijelova generatora za koje su dovodi polova učvršćeni. C. Projektne i konstrukcijske značajke

Odabran je stroj s promjerom provrta statorskog paketa 6,45 m, što pri nazivnoj brzini vrtnje daje 42,07 m/s, a pri brzini vrtnje u pobjegu daje 117,8 m/s. S aspekta zamašnog momenta, koji je više od 37 % iznad prirodnog zamašnog momenta i isto toliko iznad zamašnog momenta prijašnjeg generatora, logično je da se taj zahtjev nastoji ostvariti povećanjem promjera rotora. Promjer je kod novih generatora ograničen obodnom brzinom, odnosno naprezanjima u rotirajućim dijelovima uslijed centrifugalne sile. U ovom slučaju, s obzirom da se radi o zamjenskim generatorima, treba imati u vidu da je generatorska jama postojeća, te su stoga mogućnosti povećanja promjera ograničene i sa građevinskog aspekta. Da bi se osigurao potreban razmak između hladnjaka i betonske jame, promjer provrta statora 6,45 m je maksimalno ostvariv. Aktivna dužina željeza, odabrana nakon detaljne analize elektromagnetskih, mehaničkih i termičkih opterećenja, je 1200 mm. Paket je izrađen od visokokvalitetnog dinamo lima, debljine 0,5 mm specifičnih gubitaka 2,7W/kg kod 1,5 T.

Polna papuča je lučnog oblika, kojim se postiže raspodjela magnetskog polja u zračnom rasporu bliska sinusoidi. Zračni raspor u simetrali pola je 11 mm, a na periferiji polnih papuča u cirkularnom smjeru je 17,6 mm.

Ventilacija generatora je dvostrana, radijalna, ostvarena ventilacijskim djelovanjem rotora, bez posebno prigrađenih ventilatora na krajevima rotora (gledano u aksijalnom smjeru). Ventilacijski kanali u lančanom prstenu ostvareni su ugradnjom odstojnih uložaka. Optimiranjem otvora u čelu statorskog paketa iza tlačnih prstiju i radijalnih kanala duž paketa osigurana je pravilna raspodjela struje zraka u svim aktivnim dijelovima generatora.

Optimiranjem elektromagnetskih, mehaničkih i termičkih opterećenja postignuta je optimalnost masa pojedinih dijelova generatora i visoki stupanj korisnosti.

U ovom sažetom pregledu osnovnih konstrukcijskih značajki treba napomenuti da je masa rotora velikim dijelom (oko 17 % iznad prirodne mase) uvjetovana visokim zamašnim momentom 4100 tm2, što se očituje i preko inercione konstante H (prirodna inerciona konstanta za ovu snagu generatora je 2,41 kWs/kVA, a na zamjenskom generatoru je 2,88 kWs/kVA). Specifična masa generatora izražena kao omjer ukupne mase generatora snage sveden na istu brzinu vrtnje (kg x min-1/ VA) = 1,02. Od ove specifične mase samo na specifičnu masu rotora otpada 0,57 kg min-1/VA, što je posljedica zahtijevanog zamašnog momenta. Po istom izrazu specifična masa statorskog namota i paketa iznosi 0,2125 kg min-1/VA.

Poradi što nižih gubitaka i zbog relativno velike visine lančanog prstena (zbog velike dužine lančanog prstena, dužina polova i dužina statorskog paketa je veća od prirodne za ove parametre), elektromagnetska opterećenja, su relativno niska. Gustoća struje u statorskom namotu 2,71 A/mm2, u uzbudnom namotu 1,49 A/mm2. Linijska gustoća struje na provrtu statorskog paketa (strujni oblog) je 49834 A/m. Indukcija, za prazni hod / nazivno opterećenje, u zubu statorskog paketa je 1,46T / 1,58 T, u jarmu 1.3T / 1,38 T, u korijenu pola (najveća gustoća magnetskog polja u polu) 1,54T / 1,73 T.

Linijsko opterećenje je 25% niže od uobičajenog za ovu vrst generatora, gustoća struja statorskog namota je na razini 80% one koja bi odgovarala granici klase zagrijavanja B, a gustoća struje uzbudnog namota je na razini 45% gustoće struje koja odgovara granici zagrijavanja klase B. Magnetska opterećenja u svim feromagnetskim dijelovima su također niža od uobičajenih 10÷25%.

8. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Čatež 2007 CIGRE ŠK A1 - 2

C.1 Korisnost generatora

Vrlo je važno da generator kao pretvornik mehaničke u električnu energiju, radi sa što manje gubitaka. Čim manji gubici generatora, znači da će biti više energije u sistemu. Osim financijskog učinka za elektranu, može se govoriti i o doprinosu hidro generatora na zaštiti okoliša. Više energije iz hidro izvora znači manje energije iz termo ili nuklearnih elektrana. U tablici I i II dati su izmjereni gubici snage za faktor snage 1,0 i 0,9, nazivnu snagu i napon.

TABLICA I Gubici i korisnost za nazivnu snagu i cos ϕ = 1,0

Mjer. jed.

Ugov. Vrij.

Mjer. vrijed.

Konstantni gubici - aktivno željezo kW 128 124,4 Konstantni gubici – ventilacija kW 53 48 Gubici ovisni o teretu – I2R namota statora kW 138,3 136,5

Gubici ovisni o teretu – I2R uzbudni namot kW 44,3 61,48

Dodatni gubici kW 52,6 36,9 Gubici uzbude kW 5,6 5,42 Ukupni gubici kW 427,1 412,66 Korisnost generatora % 98,596 98,643

TABLICA II Gubici i korisnost za nazivnu snagu i cos ϕ = 0,9

Mjer. jed.

Ugov. Vrij.

Mjer. vrijed.

Konstantni gubici - aktivno željezo kW 128 124,4 Konstantni gubici – ventilacija kW 53 48 Gubici ovisni o teretu – I2R namota statora kW 138,3 136,5

Gubici ovisni o teretu – I2R uzbudni namot kW 69,6 82,8

Dodatni gubici kW 52,6 36,9 Gubici uzbude kW 6,9 5,8 Ukupni gubici kW 448,4 434,32 Korisnost generatora % 98,347 98,42

Izmjerene vrijednosti korisnosti generatora neznatno se razlikuju u odnosu na ugovorene vrijednost, ali su ipak veće. Gubici ventilacije mogli bi biti i manji da je protok rashladnog zraka bliže izračunatoj vrijednosti. Ovako izmjerene je posljedica većeg protoka zraka pa samim

tim i nešto većih gubitaka ventilacije. Ugovorena korisnost generatora je 98,596 % za cos ϕ = 1,0, to jest 98,347 % za cos ϕ = 0,9. Ugovorena ponderirana korisnost je 98,241 %, a izmjerena je 98,3213 %.

TABLICA III Porast temperature pri temperaturi rashladne vode 20°C i nazivnom

opterećenju

Mj. Jed.

Gr. „B“ Nadtem

Izrač. Vrij. Izmj. Vrij.

Namot statora K 80 68 43,2 Statorski paket K 80 64 36,2 Uzbudni namot K 80 65 Rashl. voda na izlazu K - 5 4(1878

l/min)

TABLICA IV Uzbudni podaci generatora

Mjer. Jed.

Ugov. Vrij.

Izrač. Vrij.

Izmj. Vrijed.

Uzbudni napon pr. hoda kod 75°C V 81 81 97,6

Uzb. struja pr. hoda kod A 280 280 325 Uzbudni napon za nazivno opterećenje kod 75°C V 137,7 137.7 145,17

Uzb. struja za nazivno opterećenje A 476 476 502

C.2 Ventilacija i zagrijavanje generatora

U projektiranju i konstrukcijskoj razradi generatora vrlo je važno što bolje iskoristiti rashladni zrak u odvođenju topline. Da bi se taj postavljeni cilj ostvario nužno je u izračunu ventilacije i zagrijavanja generatora imati što preciznije algoritme, koji su potvrđeni kroz praksu.U ovom slučaju izmjerene protok zraka je veći od izračunate vrijednosti, ali su zato i zagrijavanja generatora niže od izračunatih. U tablici III prikazane su izmjerene temperature generatora. S obzirom da su temperature statorskog i rotorskog namota znatno niže od granice dopuštene temperaturnom klasom izolacije Bmože se razmotriti i smanjenje gubitaka u bakru oba namota. Primjerice, smanjenje gubitaka snage uslijed smanjenih temperatura u bakru statorskog namota je 3×I2 R75×∆θ×αt = 3×16502×0,0154 × (80-43,2)×0,00392 = 18,14 kW, što je više od 14% gubitaka u bakru statora. Po istom izrazu, smanjenje gubitaka snage u bakru uzbudnog namota je 15,9 kW. S naslova radne temperature smanjenje gubitaka u bakru statorskog i rotorskog namota je 34,04 kW, što za 200000 sati rada iznosi 6808MWh ušteđene energije.

8. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Čatež 2007 CIGRE ŠK A1 - 2

TABLICA V Ostali važniji podaci generatora

Mjer. Jed.

Ugov. Vrij.

Izrač. Vrij.

Izmj. Vrijed.

Sinkr.reaktancija Xd nezasićena % 106 104,5 92,3

Sinkr. reaktancija Xd zasićena % 100 98,6 80,2 Sinkr. reaktancija Xq % 61 58 51 Prijelazna reaktancija Xd

’ % 26 26 27,2 Početna reaktancija Xd

” nezasićena % 20 20 18

Omski otpor statorskog namota kod 750C Ω 0,015 0,015 0,0154

Omski otpor rotorskog namota kod 750C Ω 0,29 0,29 0,30

Prijelazna vremenska konstanta kratki spoj Td’

s 1,56 1,56 1,61

Početna vremenska konstanta u uzdužnoj osi – kratki spoj Td”

s 0,05 0,05 0,03

Telefonski faktor utjecaja (THF) % 1,5 0,25 0,164

Faktor oblika napona % 5 2,1 1,69 Omjer kratkog spoja (SCR), ne manje od 0,98 1,01 1,24

Porast napona generatora pri rasterećenju bez djelovanja regulatora uzbude

% 29 23,5 21,53

Tolerancija zračnog raspora izražena u procentima prema prosječnom zračnom rasporu

% ± 5% <±5% <±5%

Razina buke dB(A) 85 81 - Protok rashladnog zraka m3/s - 14,6 22,7 Broj kočnica 6 6 6 Radni tlak kočnica bar ≤ 10 6 -

Sl. 1 – Pogonski dijagram generatora

C.3 Ostali podaci

Struja i napon uzbude za prazni hod i nazivni teret prikazani su u tablici IV. Iz izmjerenih vrijednosti struje i napona uzbude može se zaključiti solidna podudarnost izračuna magnetskog kruga s izvedenim stanjem. Treba imati u vidu da kod mjerenja uzbude pod teretom nisu se mogli dobiti nazivni parametri generatora, jer mreža nije mogla apsorbirati reaktivno snagu koju je generator davao te je došlo do povećanja napona generatora. Struja uzbude uslijed povećanog zasićenja magnetskog kruga znatno više raste s porastom napona generatora u odnosu na struju, to jest opterećenje.

Na temelju snimljenog oblika napona generatora, faktor izobličenja sinusoide je oko 1,69%, čime se može potvrditi pravilnost oblika polne papuče. Od ostalih važnijih podataka generatora prikazanih u tablici V valja uočiti i porast napona kod naglog rasterećenja – bez djelovanja regulatora uzbude (inherent voltage regulation). Unatoč relativno niskim indukcijama u magnetskom krugu porast napona je 21,53 % -izmjerena vrijednost, što je znatno ispod garantiranih 29 %. Da je izmjereni porast napona niži od izračunatog posljedica je zasićenja pojedinih dijelova magnetskog kruga, odnosno razlike u karakteristici magnetiziranja željeza (projekt – stvarno stanje). Stanovite razlike između izračunatih i izmjerenih vrijednosti postoje za prelaznu i početne reaktancije i vremenske konstante, što je posljedica mjerenja struja kratkih spojeva sa sniženim naponima. Napominjemo da su na ovom generatoru izmjerene vrijednosti reaktancija metodom kratkih spojeva bile ispod izračunatih vrijednosti, a metodom zakretanja rotora iznad izračunatih vrijednosti. Neke od veličina prikazanih u tablici V nisu mjerene, jer nisu bili stvoreni uvjeti za njihovo ispitivanje.

8. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Čatež 2007 CIGRE ŠK A1 - 2

Sl. 2 – Krivulja magnetiziranja u praznom hodu i pod

opterećenjem, pravac kratkog spoja

Sl. 3 – V – krivulje

Na slici 1. Prikazan je pogonski dijagram

generatora, iz kojega se vidi njegovo radno područje u naduzbuđenom – induktivnom području i poduzbuđenom – kapacitivnom području.

Na slici 2 prikazana su krivulje magnetiziranja generatora u praznom hodu i pod opterećenjem (nominalno – za nominalni cos ϕ = 0,9 i za čisto induktivno opterećenje – cos ϕ = 0).

Na slici 3 prikazane su takozvane V krivulje koje daju ovisnost struje statora o uzbudnim strujama kada se radna snaga javlja kao parametar. Na slici 4 prikazan je oblik linijskog napona iz koje se vidi da je maksimalno odstupanje od sinusoide 1,69% i to u točki prorade tiristora. Faktor odstupanja vala linijskog napona u odnosu na sinusni oblik vala je znatno manji za slučaj kada se koristi nezavisna uzbuda ili ako se snimi inducirani linijski napon uslijed remanentnog magnetizma.

Sl.: 5 – Valni oblik linijskog napona generatora

IV. USPOREDBA S PRIJAŠNJIM GENERATORIMA

Kao što je u uvodu kazano generatori Vuhred i Ožbalt su instalirani i pušteni u pogon od 1955 ÷ 1961 godine.

Osnovni podaci generatora su: 22 MVA, 10,5 kV +10 / -5%, 50 Hz, 125 rpm / 335 rpm, mD2 = 3000 tm2. Ispitivanja korisnosti rađena su 09.04.1958 za ½, ¾ i 4/4 opterećenja, kalorimetrijskom metodom, na temelju izmjerenih protoka, ulazne i izlazne temperature rashladne vode. Na tako određene gubitke dodani su gubici odvoda na okolni prostor generatora i gubici uzbudnika. Parcijalni gubici (u željezu u praznom hodu, ventilacije, gubici kratkog spoja…) nisu mjereni. U tablici VI prikazani su gubici u navedene tri točke.

TABLICA VI Korisnost prijašnjih generatora

Opterećenje P Pg Pdod Puzbudnika Koris. Rel. Jed. MW kW kW kW % 1/2 11,35 450 0,947 12,25 96,0 3/4 15,75 470 1,06 15,0 97,0 4/4 20,7 588 1,109 17,85 97,2

Radi usporedbe u tablici VII navedeni su gubici i

korisnost zamjenskih genratora za ½, ¾ i 4/4 opterećenja (naravno u odnosu na snagu zamjenskih generatora 27 MW =30×cosϕ). Ispitivanja stupnja korisnosti generatora rađena su također kalometrijom. Kalorimetrija zamjenskih

8. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Čatež 2007 CIGRE ŠK A1 - 2

generatora rađena je za prazni hod bez uzbude (mehanička vrtnja na nazivnoj brzini vrtnje), prazni hod sa uzbudom i za kratki spoj. Uz izmjerene otpore statorskog i uzbudnog namota te uz izmjerene gubitke uzbudnog sustava, uzimajući u obzir gubitke koji se prenose na okolni prostor, gubici i korisnost generatora se mogu odrediti u bilo kojoj točki.

TABLICA VII Korisnost zamj. generatora za cosϕ = 0,9

Opterećenje 1/2 (13,5 MW)

3/4 20, 25 MW

4/4 27 MW

Gubici (kW) 268,26 332,64 434,317 Korisnost 98,051 98,384 98,417

Uspoređujući gubitke snage i faktore korisnosti može se

zaključiti slijedeće:

- Unatoč povećanoj snazi za 36,4 % gubici generatora na zamjenskom gneratoru su manji u odnosu na prijašnji generator za 172 kW ili za 28,4%. Ako bi se usporedba napravila na istoj snazi onda se može zaključiti da su gubici na zamjenskom generatoru manji za 270 kW ili za oko 45%, to jest, gubici su na zamjenskom generatoru gotovo upola manji u odnosu na gubitke prijašnjeg generatora.

- Korisnost zamjenskih generatora je za preko 1,2% veća od korisnosti prijašnjeg generatora na punoj snazi. Na manjoj snazi ta je razlika još i veća.

Radi usporedbe, navodimo još neke značajke prijašnjih generatora. Uzbudna struja praznog hoda je 274 A, kratkog spoja 353 A, za nazivno opterećenje (22 MVA) 590 A, omjer kratkog spoja 0,77, otpor uzbudnoog namota kod 20°C je 0,227 Ω, statorskog namota 0,0244 Ω. Nadtemperature su: statorskog namota 57 K, paketa 50,5 K, rotora 51 K. Sve su to izmjerene vrijednosti.

Na jednom generatoru pronašli smo mjerene vrijednosti zračnog raspora. Srednji zračni raspor je 8,32 mm, odstupanje od srednje vrijednosti ± 7,5%, ekscentričnost statora 0,9 mm, ekscentričnost kliznih koluta je 0,35 mm.

Uspoređujući zamjenske s prijašnjim generatorima, vidi se da su unatoč povećanju snage, uzbudne struje manje, omjer kratkog spoja je znatno veći – što je naravno povoljnije s naslova statičke stabilnosti i veličine radnog

područja. Zračni raspor je veći, odstupanja zračnog raspora su manja kao i ekscentričnost statora, kliznih koluta, što je naravno povoljnije. Jednostavno rečeno, zamjenski generatori su u svim značajkama koje karakteriziraju kvalitetu generatora znatno bolji u odnosu na prijašnje generatore. Posebno, ako se uzmu u obzir povećanje snage, smanjeni gubici pa i ostalih značajki, može se procjenjivati financijski učinak zamjene generatora.

V. ZAKLJUČAK - Rad pokazuje da su ostvarene izbalansirane

računske veličine parametara, izuzetno visok stupanj korisnosti η i niska zagrijavanja.

- Izmjerene vrijednosti na realiziranom generatoru su očekivane ili još povoljnije.

- Zbog ograničenja gabarita generatorske jame , jer je u postojećoj trebalo smjestiti novi generator s novim parametrima i zbog zahtjeva za slobodnim prolazom između hladnjaka i zida jame, stroj se nije mogao koncipirati na većem promjeru provrta statora, iako su obodna brzina i mehanička naprezanja to dopuštala. Stoga, zahtjev za relativno visokim zamašnim momentom (GD2 = 4100 tm2) ostvaren je dijelom povećanjem radijalne širine lančanog prstena i dijelom njegova produljenja. Zbog ovog zahtjeva masa rotora je više od 17 % veća od mase rotora sa prirodnim GD2 (oko 3000 tm2) – prirodna konstanta inercije H za snagu generatora 30 MVA je 2,14 kWs/kVA.

- U odnosu na prijašnje generatore, unatoč povećanju snage za 36,4%, zamjenski imaju znatno manje gubitke. Za nazivno opterećenje jednog i drugog generatora gubici na zamjenskom generatoru su manji za 172 kW ili za 28,4%. Ako se gledaju gubici na istom opterećenju, onda se može zaključiti da su gubici na zamjenskom generatoru gotovo upola manji u odnosu na prijašnji. Uspoređujući ostale karakteristične značajke, može se zaključiti da su zamjenski generatori u svemu bolji od prijašnjih.