Silniki naprawdę wysoko napięciowe

Wprowadzone ostatnio silniki synchroniczne (AC) zasilane napięciem 70 kV zmniejszają straty energii i przynoszą inne korzyści dzięki bezpośredniemu (bez użycia transformatorów) podłączeniu do sieci wysokiego napięcia. Wyobraźcie sobie Państwo silniki wykorzystujące zasilanie pochodzące bezpośrednio z sieci rozdzielczej wysokiego napięcia (WN). Pomyślcie o zaoszczędzeniu energii, o znacznej redukcji strat ciepła i mocy oraz eliminacji kosztownych, podatnych na awarie transformatorów i związanych z nimi urządzeń łączących. Wyższe napięcie umożliwia również pracę z wykorzystaniem mniejszego prądu do uzyskania takiej samej mocy wyjściowej, a mniejszy prąd – to mniejsze i lżejsze urządzenie.
Odległy sen? Jeden producent już zastosował taki silnik, a obecnie instaluje dwa urządzenia w innych miejscach – w typowo przemysłowych, trudnych warunkach pracy. Jest jeszcze inny producent, który również rozważa umieszczenie w swojej ofercie wyrobów wysoko napięciowych.
W oparciu o wcześniejsze prace, które doprowadziły do zbudowania generatora do wytwarzania wysokiego napięcia w celu bezpośredniej współpracy z wysoko napięciowymi sieciami transmisyjnymi, firma ABB Automation Technologies AB (Szwecja) wprowadziła na rynek nowoczesny, określany jako „bardzo wysoko napięciowy” („very high voltage” – VHV) synchroniczny silnik AC. Jest on w stanie pracować z bezpośrednim zasilaniem w zakresie 20–70 kV. Ten produkt, noszący handlową nazwę VHV Motorformer, łączy funkcje silnika i transformatora, eliminując potrzebę stosowania transformatora pośredniego. Przedsięwzięcie dotyczy maszyn z dwiema lub trzema parami biegunów. Jeśli prędkość obrotowa silnika nie jest regulowana, jego prędkość synchroniczna wynosi 1500/1800 obr./min (2 pary biegunów) przy częstotliwości 50/60 Hz (wykorzystywana obecnie technologia produkcji generatora ABB o nazwie Powerformer jest oparta na licencji firmy Alstom; firma ABB zbudowała i zainstalowała już kilka takich zespołów generatora). Pierwszy egzemplarz Motorformera zastosowano w napędzie kompresora w zakładzie rektyfikacji powietrza na zachodnim wybrzeżu Szwecji. Jak podaje ABB, synchroniczna maszyna dostarcza 6,5 MW czynnej mocy wyjściowej, jest podłączona bezpośrednio do szyny 42 kV i redukuje straty energii zakładu o 25%. Urządzenie pracuje od końca roku 2001, w tym czasie (a przynajmniej do chwili pisania tego artykułu) nie stwierdzono żadnych przerw w dostawie prądu wynikłych z użycia nowego silnika WN.
Drugi przypadek użycia Motorformera to zastosowanie go w dwóch jednostkach o mocy 40 MW zasilanych napięciem 56 kV, ustawionych do pracy w module kompresora w norweskim Statoil, na platformie eksploatacji gazu „Troll A” znajdującej się na Morzu Północnym. To zastosowanie obejmuje także regulację prędkości obrotowej silników. Testy wirowania zaplanowano na jesień 2004 r. i zimę 2004/2005, rozpoczęcie ciągłej eksploatacji przewidziano na późniejszą porę 2005 r.
Opisany silnik WN firmy ABB wydaje się unikatowym opracowaniem; obecnie na rynku nie ma żadnego wyrobu, który można by z nim porównać. Duże, konwencjonalne maszyny AC (synchroniczne i indukcyjne) dostarcza na rynek wielu producentów, łącznie z ABB, ale ich maksymalne napięcie zasilania wynosi ok. 15 kV, przy czym są to kompilacje silnika z transformatorem.
Synchroniczne zamiast indukcyjnego
– Podczas opracowywania Motorformera wybrano rozwiązanie synchroniczne zamiast indukcyjnego ze względu na dostępność wyższych poziomów mocy (>100 MW w porównaniu z ponad 20 MW dla indukcyjnych), wyższą standardową wydajność oraz szerszą szczelinę powietrzną, która ułatwia zadanie oraz możliwości regulowania mocy biernej – wyjaśnia Johannes Ahlinder, zajmujący się opracowywaniem maszyn AC w firmie ABB. – Silnik indukcyjny zawsze zużywa moc bierną.

Opatentowany wentylowany stojan powoduje, że projekt Motorformer jest unikatowy. Pokazano instalację kompresora w zakładach rektyfikacji powietrza w Stenungsund (Szwecja)

Energetycy dobrze wiedzą, że sterowanie mocą bierną to kwestia ważna dla stabilizowania i ochraniania (przed znacznym spadkiem współczynnika mocy) sieci elektrycznej, w której podczas pracy dużej liczby zakładów przemysłowych uruchamia się dużą ilość silników, bardzo często obciążonych daleko poniżej ich mocy znamionowej.
– Może się wydawać zaskakujące, że projekt Motorformera został oparty na konwencjonalnej technice silników synchronicznych. Ale w ten sposób w modelu znajduje się wiele sprawdzonych części, takich jak identyczny wirnik o wysuniętych biegunach i konwencjonalne łożyska (patrz: zdjęcie na str. 35). Dzięki takiemu podejściu w nowym wyrobie wykorzystano spore doświadczenie i wynikającą z niego wiarę w poprawność rozwiązań – mówi J. Ahlinder. – Zasadnicze różnice są w stojanie.
Kluczem jest projekt uzwojenia
ABB zastosowało unikatowy kształt uzwojenia stojana Motorformera oraz żłobków w rdzeniu stojana. Projektowanie przewodów uwzględniało obszerne analizy, symulacje oraz testowanie, obejmujące elektromagnetyczne analizy metodą elementów skończonych, symulacje termiczne oraz modelowanie obliczeniowe dynamiki płynów (opis matematyczny pola magnetycznego jest identyczny jak dla mechaniki płynów, która wcześniej została teoretycznie dopracowana w branży lotniczej). Jednakże kryteria dla gęstości strumienia indukcji magnetycznej rdzenia stojana są takie same jak w przypadku silników konwencjonalnych, co zmniejsza element niepewności dotyczący opracowywania nowego wyrobu.
– Typowy system izolacji stosowany w silnikach konwencjonalnych ma ograniczenie napięcia na poziomie ok. 15 kV. Przy zastosowaniu specjalnej techniki projektowej można to napięcie podnieść do zakresu 22–25 kV. Powyżej tego punktu nie można wykonać uzwojenia stojana za pomocą technik konwencjonalnych – zauważa J. Ahlinder. – Wiązki uzwojenia stojana (dla Motorformera) mają cylindryczny przekrój, co generuje jednorodny rozkład natężenia pola elektrycznego i umożliwia zwiększenie poziomów napięcia zasilania w porównaniu z uzwojeniem konwencjonalnym o przekroju prostokątnym. Kształt uzwojeń konwencjonalnych powoduje, że przy zasilaniu wysokim napięciem najwyższe natężenie pola elektrycznego występuje przy narożach przekroju wiązki przewodów uzwojenia.
Cylindryczne uzwojenie posiada warstwę izolacyjną z usieciowanego polietylenu (cross-linked polyethylene – XLPE), ale nie zastosowano w nim ekranowania metalicznego. W obecnym stanie stojan może przyjąć napięcie dochodzące do 70 kV. Jednakże projektowany przewód pozwala na osiągnięcie granicy wynoszącej 150 kV. – Doszliśmy do przekonania, że z ekonomicznego punktu widzenia dolna granica napięcia (co zależy również od obciążenia) powinna wynosić około 20 kV – dodaje J. Ahlinder.
Rozmiary silnika typu Motorformer różnią się znacznie w zależności od mocy znamionowej. Nawet takie parametry jak wysokość wału silnika w znacznym stopniu zależą od konkretnego przeznaczenia. Podczas gdy sam silnik jest większy od silników konwencjonalnych o tej samej mocy znamionowej, całkowita przestrzeń montażowa dla systemu silnika i wyłącznika WN jest zdecydowanie mniejsza niż w przypadku silnika konwencjonalnego wyposażonego w transformator i towarzyszący im osprzęt.
Wyzwania projektowe

Wirnik, łożyskowanie, bezszczotkowe wzbudzenie i obudowa stanowią sprawdzone rozwiązania w projekcie Motorformer VHV opartym na standardowej koncepcji silników synchronicznych

Uruchamianie dużego silnika WN pochłania tak wiele energii, że powoduje przejściowe zakłócenia w sieci  zasilającej, co przeszkadza inny klientom elektrowni znajdującym się w pobliżu. Firma ABB opracowała specjalne metody opóźniające, aby uniknąć groźby przerwań w zasilaniu. W skład rozwiązania wchodzi dławik, który wydłuża czas uruchamiania o ok. 20 sekund, oraz dodatkowe kondensatory w celu ochrony sieci podczas uruchamiania silnika. Zdolność do pracy przy wysokich napięciach oznacza również, że dla stojana uzwojonego kablem w koszulce XLPE granica temperatury musi być zapewniona odpowiednim chłodzeniem. Przy niższych poziomach mocy chłodzi się nadmuchem powietrza, natomiast przy wyższych – wodą.  Konstrukcja stojana Motorformera jest dostosowana do obu rodzajów chłodzenia.
ABB dostrzega kilka ograniczeń silników WN. – Każde ograniczenie jest związane z opracowywaniem wyrobów konwencjonalnych, na przykład konstrukcji wirnika – zaznacza J. Ahlinder. Najpoważniejsza jednak jest granica temperatury kabla, szczególnie przy instalacji silnika WN w środowiskach gorących, gdzie chłodzenie wodą może być niedostępne. Control Engineering zapytał kilku głównych producentów silników, czy rozważali wytwarzanie silników WN. Niektórzy nie odpowiedzieli. Inni twwierdzili, że analizowali to rozwiązanie, lecz doszli do wniosku, że nie jest to „opcja dla ich firmy”. Z zapytanych jedynie TECO – Westinghouse oraz Emerson Motor Technologies zaprezentowały spojrzenie perspektywiczne.
Zastosowania dzisiaj i jutro
– Obecnie największe zainteresowanie urządzeniami WN (zarówno silnikami, jak i generatorami) wykazuje przemysł wydobywczy przybrzeżno-morski, w którym widać trend do zastępowania urządzeń z napędem turbinowym napędami elektrycznymi – wyjaśnia J. Ahlinder. Docelowo przewiduje się użycie silników WN do napędu kompresorów, ale też generatorów dla pływających systemów składowania, systemów przeładunkowych oraz innych jednostek pływających używanych jako nawodne elektrownie. Te jednostki pływające mogłyby zasilać kilka przybrzeżno-morskich platform wydobywczych, z którymi byłyby połączone przez odpowiedni system zasilania WN.

Jedna z dwu jednostek Motorformer o mocy 40 MW napędzających kompresory w wieżach wydobywczych Statoil „Troll A” na Morzu Północnym

Według J. Ahlindera z ogólnej perspektywy technika silników wysoko napięciowych nadaje się do prawie każdej sytuacji, w której można dzisiaj spotkać konwencjonalne silniki synchroniczne. Podawane przykłady obejmują silniki do pomp, silniki młynów rozdrabniających do produkcji papieru, napędy kompresorów, wentylatorów, dmuchaw, wytłaczarek oraz generatorów dotąd napędzanych turbiną parową lub gazową.
Oczywiście silniki WN nie nadają się do wszystkiego, niemniej w przyszłości zapewne znajdą szersze zastosowanie. Trwają badania nad rozszerzeniem zakresu temperatury pracy uzwojenia stojana. – Ta technika prowadzi do nowych rozwiązań, jak miało miejsce w przypadku platformy Statoil – „Troll A”, gdzie silniki WN są sterowane napędem z regulacją częstotliwości (VFD) – konstatuje J. Ahlinder.
Firma ABB przyjęła rolę promotora i championa tej bardzo ciekawej nowej technologii. www.abb.pl www.alstom.pl

Co w rzeczywistości oznacza termin „wysokie napięcie”?

Cóż może być prostszego od zdefiniowania zakresu wysokiego napięcia dla silników? Wysokie napięcie jest jednak w praktyce definiowane w rozmaity sposób. W różnych środowiskach a nawet normach wysokie napięcie jest inaczej określane — w zależności od gałęzi przemysłu, globalnej lokalizacji, zastosowania, ciał ustawodawczych zatwierdzających standardy czy stowarzyszeń. Na przykład przynajmniej jeden producent nazywa swoje małe zespoły AC na napięcie 100—240 V „silnikami wysoko napięciowymi”.

Być może dotyczy to bezpieczeństwa, co jest nawet zgodne z Dyrektywą Unii Europejskiej dotyczącą Niskiego Napięcia, gdzie próg bezpieczeństwa ustalono na 75 V. Podobnie niektórzy producenci silników wspomagających (serwo) dumnie określają swoje napędy 460 V mianem wysoko napięciowych. W USA National Electric Code definiuje wysokie napięcie od 6001 V w górę, podczas gdy zakres  601—6000 V jest określany mianem napięcia średniego. Europa posługuje się innymi przedziałami wielkości; standard IEEE nr 100 definiuje wysokie napięcie dla systemów elektroenergetycznych od 100 kV aż do 230 kV. Powyżej 230 kV znajduje się klasa superwysokiego napięcia (extra-high voltage — EHV). Dla kabli elektroenergetycznych w standardzie tym określone są jednak jeszcze inne przedziały. Z kolei Polska Norma (PN-IEC/60038) napięcie poniżej 1 kV określa jako niskie, od 1 kV do 30 kV jako średnie, zaś powyżej 30 kV jako wysokie.

Górnej granicy wysokiego napięcia nie określono. Przy tym najpowszechniejsze napięcie w krajowej sieci energetycznej wynoszące 400 kV też nazywane jest wysokim. Jedynie mały odcinek sieci przy granicy (już od paru lat nieczynny), służący niegdyś do połączenia sieci krajowej z systemem energetycznym Ukrainy, pracujący pod napięciem 750 kV, był potocznie klasyfikowany jako przenoszący bardzo wysokie napięcie. Normy przedmiotowe dla konkretnych działów przemysłu i urządzeń energetycznych (a jest ich wiele) jako napięcie niskie, w rozumieniu bezpieczne, ustalają niższe od 60 V, zaś powyżej — do 1 kV jako średnie. Jak z tego wynika, brakuje jednoznaczności na tym maleńkim polu poddanym normalizacji i to nie tylko u nas.

Wysokie napięcia znajdują zastosowanie w świecie przenoszenia mocy elektrycznej oraz w obwodach połączeń sprzęgających sieci. Napięcia te mogą sięgać 500 kV, a nawet więcej, ostatnio nawet do 765 kV. Ponadto obecnie bada się linie ultrawysokiego napięcia (ultra-high voltage — UHV) dochodzące do 1,1 MV.

ABB określa swój produkt Motorformer o napięciu zasilania 20—70 kV jako silnik „bardzo wysoko napięciowy” (very-high-voltage — VHV); w tym artykule traktujemy go mniej pompatycznie — jako wysoko napięciowy (WN).