книги / Надежность электрических машин

241

те [17] сделана попытка оценить повышение надёжности, получаемое только за счёт перехода от беспорядочного расположения проводников в пазу, имеющего место в случае всыпной обмотки, к рядовой укладке проводников в секции при открытых пазах. Уравнение (161) при этом приобретает следующий вид:

Расчёт для Рв = 0,8 показывает, что в результате перехода от всыпной обмотки к шаблонной только за счёт упорядочения расположения проводников в пазу время безотказной работы должно увеличиться на 28 %.

Заметный процент от общего числа отказов составляют повре-

ждения, связанные с разрушением паяных соединений. Поэтому в процессе проектирования и изготовления машины конструкции паяного соединения и выполнению паек следует уделять надлежащее внимание. Конструкция паяного узла и технология пайки должны обеспечивать хорошее затекание припоя в зазоры между

в процессе эксплуатации. Для машин с изоляцией высоких классов следует применять пайку твёрдыми припоями, учитывая при этом хрупкость фосфористой меди, обычно применяемой в качестве твёрдого припоя. Для повышения надёжности выводных концов на нихследует устанавливать штуцера всех двигателей.

Для защиты подшипников от преждевременного разрушения из-за попадания в них пыли и грязи с содержанием абразивных частиц рекомендуется установка пружинных шайб и внедрение шприцевой смазки. Шприцевая смазка практически полностью предотвращает загрязнение подшипников, облегчает их обслуживание, и на многих двигателях она внедрена.

242

Совершенствование методов контроля. Процесс производ-

ства ЭМ завершается типовыми и контрольными испытаниями, целью которых является проверка качества машины и степень соответствия её показателей требованиям нормативной документации. Определённая часть этих испытаний непосредственно связана с обеспечением надёжности машины в работе и её долговечности. Например, для асинхронных двигателей это испытания изоляции обмоток на электрическую прочность, испытания на нагревание, на кратковременную перегрузку по току, испытания при повышенной частоте вращения, измерение вибрации.

Типовые испытания проводятся раз в 2–3 года (в зависимости от требований стандартов и технических условий), а также при изменениях конструкции, материалов или технологических процессов, если эти изменения могут оказать влияние на характеристики или работоспособность двигателей. Этим испытаниям подвергаются не менее двух двигателей каждого типоразмера. Периодичность типовых испытаний и количество образцов для их проведения являются недостаточными, так как за 2–3 года показатели двигателей могут претерпеть такие изменения, которые невозможно обнаружить при контрольных испытаниях. Например, программа контрольных испытаний АД не предусматривает измерения вибраций, определения минимального вращающего момента при пуске и других данных.

В работе [16] показано, что если принять допустимым отклонение средних арифметических значений параметров машин от их номинальных значений не более среднеквадратичного отклонения в генеральной совокупности, то количество двигателей, подвергаемых типовым испытаниям, равно, как минимум, четырём. Поэтому сокращение промежутков между типовыми испытаниями и увеличение количества испытываемых образцов только способствовало бы повышению качества и надёжности машин, стабилизации и уменьшению разброса их показателей, ускорению накопления так необходимого для проектирования статистического материала.

243

Электромашиностроительные заводы недостаточно используют данные, получаемые в процессе контрольных испытаний. При выходе какого-либо параметра за пределы норм двигатель бракуется, при повторении брака принимаются меры к обнаружению причин его появления и того звена технологического процесса, в котором произошло его нарушение. Естественно, что разладка процесса происходит постепенно, поэтому контроль технологического процесса и управление им возможны только на базе статистической обработки накопленных данных контрольных испытаний. При большесерийном производстве АД на заводах сосредоточивается огромный статистический материал, полученный при контрольных испытаниях двигателей, обработка и анализ которого даёт возможность решить ряд важных вопросов, связанных с качеством и надёжностью АД.

Программа контрольных испытаний нуждается в отдельных изменениях. Наиболее неотложной является проблема усовершенствования испытаний межвитковой изоляции повышенным напряжением. Согласно ГОСТ 183–74 межвитковая изоляция испытывается путём повышения на 30 % сверх номинальной величины подводимого к двигателю напряжения. В подразд. 11.2 указывалось, что перенапряжения при работе двигателя могут достигать десятикратной величины по отношению к номинальному напряжению. Поэтому очевидно, что испытания по ГОСТ 183–74 являются неэффективными. Практически прочность межвитковой изоляции при испытаниях не контролируется. Требуется увеличение испытательного напряжения, например, до величины, определяемой эмпирической зависимостью (178). Это достигается использованием либо источника напряжения повышенной частоты, либо импульсного источника напряжения. Импульсное напряжение более эффективно, так как по своей природе импульсные воздействия ближе ккоммутационным перенапряжениям, которым обмотка двигателей периодически подвергается в условиях эксплуатации.

Импульсная прочность доброкачественной витковой изоляции весьма высока. Для испытанных машин с номинальным напряжением 380 В средняя импульсная прочность составила

244

8,6 кВ или 26,4 Uф, а минимальная – 5,0 кВ или 15,2 Uф. Таким образом, запасы электрической прочности настолько велики, что ни испытания, ни эксплуатационные перенапряжения не могут повредить витковую изоляцию, если в ней отсутствуют дефекты. Количество импульсов также не оказывает вредного воздействия на изоляцию. Экспериментально установлено, что после 1 млн импульсов старение изоляции обмоточного провода марки ПЭТВ отсутствует при амплитуде импульсов меньше половины среднего пробивного напряжения [17].

Повышение испытательного напряжения позволяет существенно увеличить надёжность обмоток двигателей за счёт отбраковки их с дефектной изоляцией. На рис. 26 это соответствует усечению левой части кривой f (Uв) , причём вероятность по-

вреждения изоляции в процессе работы двигателя снижается. Расчёт, выполненный в работе [17], показал, что при повышении испытательного напряжения между витками до 100 В при Рв = 0,8 время безотказной работы обмотки возрастает на 31 %.

Важным показателем надёжности АД является степень равномерности воздушного зазора. Стандарты не предусматривают контроля этой величины ввиду того, что в большинстве случаев он связан с практическими трудностями. Поэтому большое значение для контроля этой величины приобретают косвенные методы. Опубликованные методы контроля неравномерности воздушного зазора по величине максимального момента при работе в однофазном режиме с использованием статистических данных позволяют производить отбраковку двигателей с величиной неравномерности зазора, превышающей допустимую по ТУ. При серийном производстве однотипных двигателей выполнение таких испытаний не связано с ка- кими-либо трудностями. Включение данного метода в программу контрольных испытаний позволило бы также существенно повыситькачество и надёжность АД.

Численность контрольной службы на предприятиях составляет от 5 до 20 % общей численности производственных рабочих, что связано с большими расходами и, соответственно, влия-

245

ет на себестоимость продукции. Сокращение трудоёмкости контроля возможно путём расширения механизации и автоматиза-

ции производственных процессов с обеспечением высокого каче-

ства и однородности выполнения операций. Этому способствует также повышение ритмичности производства, сокращение номенклатуры изделий на предприятии, совершенствование стандатизации выпускаемой продукции и методов контроля, моральное стимулирование и повышение материальной заинтересованности рабочих в повышении качества продукции.

Другой путь состоит в механизации и автоматизации самих контрольных испытаний. Кроме увеличения производительности труда, это позволяет качественно изменить характер контроля, например ввести 100%-ный контроль, исключить субъективный фактор при выполнении контрольных операций. При использовании контрольных приспособлений, контрольно-сортировочных автоматов, автоматических испытательных станций и т. д. значительно снижается трудоёмкость контроля, но появление непригодных изготовленных изделий от этого не уменьшается.

При большесерийном производстве задача состоит в контроле, регулировании, поддержании высокого качества технологического процесса, который и должен обеспечивать надлежащее качество изделий. Одним из путей решения этой задачи является широкое внедрение статистического регулирования технологических про-

цессов. Согласно ГОСТ 15895–70 под статистическим регулирова-

нием понимается «корректировка параметров технологического процесса в ходе производства с помощью выборочного контроля изготавливаемой продукции для технологического обеспечения требуемогокачестваипредупреждения брака».

Преимущества методов управления производством, основанных на законах теории вероятностей и математической статистики, заключаются не только в сокращении времени получения сведений и снижении трудоёмкости контроля, но и в предвидении (на основе исследования точности и стабильности технологических процессов) времени разладки технологических процессов и их своевре-

246

менной корректировки с целью предупреждения появления брака. Поэтому по своему воздействию на технологический процесс ста-

тистические методы относятся к активным и весьма эффектив-

нымметодам контроля. Иххарактерными признаками являются:

–строгая фиксация норм и допусков;

–систематический характер контроля;

–количественный его характер;

–статистическая обработка результатов;

–глубокий анализ причин брака или прогрессирующего ухудшения качества.

Статистическая обработка результатов контрольных испытаний (оперативная автоматизированная обработка и анализ полученных данных) позволяет создать эффективную систему управления качеством продукции в процессе серийного производства ЭМ.

Важнейшими показателями качества асинхронных двигателей являются наработка на отказ и ресурс до первого капитального ремонта. Они контролируются совершенно недостаточно из-за длительности, сложности и трудоёмкости испытаний на надёжность. Из годового выпуска порядка 20–50 тыс. двигателей завод-изготовитель обычно может испытать лишь 10–20 образцов. Из 50–80 типоразмеров серии за год испытываются 2–6, на остальные типоразмеры результаты испытаний распространяются условно. Из этого следуют задачи усовершенствования, упрощения и удешевления испытаний на надёжность.

Одним из путей решения этой сложной проблемы является создание методов, позволяющих распространять результаты испытаний на надёжность одного типоразмера на другие и благодаря этому существенно сократить число подлежащих испытанию образцов. В работе [29] предложена методика статистической оценки надёжности двигателей по конструктивнотехнологическим параметрам. Она, несмотря на приближённый характер расчётов, позволяет рассчитать надёжность любого типоразмера серии двигателей по данным испытаний одного из типоразмеров, что только улучшит контроль надёжности.

247

XII. НАДЁЖНОСТЬ СИНХРОННЫХ МАШИН

12.1.Повреждения синхронных машин

Косновным видам повреждений СМ относятся:

– повреждения обмотки статора;

– повреждения активной стали;

– механические повреждения ротора;

– повреждения обмотки ротора;

– повреждения и неисправности подшипников и подпятников;

– повышенная вибрация.

Повреждения обмотки статора. Отказы СМ из-за повреж-

дения обмотки статора преимущественно происходят вследствие электрического пробоя изоляции. Основное условие возникновения пробоя состоит в наличии участков пониженной электрической прочности в изоляции обмотки. Эти участки появляются вследствие дефектов изготовления, повреждений при монтаже обмотки или возникают и развиваются в процессе эксплуатации или ремонтных работ.

Неоднородность свойств микалентной компаундированной изоляции, в частности её электрической прочности, является следствием не только каких-либо дефектов, но и неоднородности самой структуры этой изоляции, которая для данного её типа является неизбежной. В процессе эксплуатации неоднородность изоляции возрастает, появляются новые дефекты, на ослабленных участках изоляция постепенно разрушается вследствие частичных разрядов. Значительно большей однородностью структуры и свойств обладает изоляция из слюдинитовых бумаг на термореактивных связующих материалах.

На процесс постепенного разрушения изоляции ускоряющее влияние оказывают концентрации нагрузок, к которым относятся повышенные механические усилия при переходных процессах,

248

вибрация, перенапряжения, перегрузки по току и др. Опыт эксплуатации показывает, что пробои не всегда происходят на тех участках обмотки, где имеет место концентрация нагрузок. Решающее значение имеет распределение участков с пониженной прочностью, так как амплитуды практически возможных перенапряжений недостаточны для пробоя доброкачественной неповреждённой изоляции.

При изготовлении стержней участки с пониженной электрической прочностью могут появиться в результате отдельных нарушений при наложении изоляции. Неизбежная неоднородность изоляции возникает в зонах изгиба стержней. Возможны также отступления от заданных размеров и формы стержней, выходящие за пределы допусков. Изоляция стержней увеличенного размера повреждается при укладке стержней в пазы. Укладка же стержней с большим зазором обусловливает возможность перемещения их в пазах, что также приводит к повреждениям изоляции. Эти явления усугубляются слабым заклиниванием пазов.

Допускаемым дефектом изготовления обмотки является также

попадание на поверхность изоляции ферромагнитных частиц, виб-

рация которых в магнитном поле приводит к постепенному разрушению изоляции. Аналогичные явления происходят при слабой прессовке активной стали, при которой изоляция разрушается в результате образования веера и вибрации листов стали в зубцовой зоне. Это сопровождается поломкой листов вследствие усталости металла, что представляет опасностьдля изоляции.

Ненадёжное крепление лобовых частей обмотки создаёт усло-

вия для повреждений изоляции преимущественно у выхода стержней из пазов. При слабом креплении со временем происходит опускание корзинки лобовых частей обмотки турбогенератора, в связи с этим появляются дополнительные напряжения, а лобовые части подвергаются нежелательным для них силовым воздействиям вибраций и ударам под действием внезапных электродинамических усилий. Ослаблению креплений способствует усадка изоляции вследствие вытекания компаунда, что происходит в случаях повышенногонагрева обмотки при перегрузках генератора.

249

Конструкции крепления лобовых частей, применяемые в гидрогенераторах (шпильки, бандажи, шпагатная вязка), являются ненадёжными. Льнопеньковые шпагаты имеют недостаточную прочность на растяжение и большое относительное удлинение. Шнуры из стекловолокна имеют лучшую прочность и меньшее удлинение, но обладают недостаточной стойкостью к изгибам и истиранию. Эти недостатки в ходе эксплуатации ведут к ослабеванию вязки лобовых частей обмотки. Кроме этого, существующая система крепления бандажного кольца не ограничивает перемещения лобовых частей в тангециальном направлении.

Указанные выше дефекты имеют место и в последующих разработках машин, но они возникают преимущественно в ходе эксплуатации и ремонтных работ. Например, компаундированная изоляция разбухает в процессе работы машины, причём происходит некоторое выпучивание её в вентиляционных каналах. В таких условиях подъём стержней и повторная их укладка при частичном ремонте обмотки требуют больших усилий и нередко сопровождаются повреждениями изоляции. Разбухания термореактивной изоляции не происходит, поэтому крепление в пазах стержней с такой изоляцией чаще имеет тенденцию к ослаблению в процессе работы машины. Стержни приобретают некоторую свободу перемещения, что способствует истиранию изоляции и повреждениям её вследствие электродинамических ударов, возникающих при внезапных коротких замыканиях.

Лобовые части обмоток статора крупных СМ подвергаются наибольшей опасности при переходных процессах, сопровож-

дающихся большими токами (коротких замыканиях и несинхронных включениях генераторов, пусках и реверсах двигателей). Это в особенности относится к двухполюсным машинам с корзиночной обмоткой в связи со значительной длиной лобовых частей. Под действием электродинамических сил, обусловленных токами в обмотке, корзинка лобовых частей увеличивает свой радиус с последующим перемещением в тангенциальном направлении. Возникающие при этом усилия могут вызвать раз-

250

рывы шнуровых бандажей, деформацию лобовых частей обмотки, появление трещин и вмятин в изоляции. При этом наиболее вероятно повреждение изоляции на выходе из пазов, чему способствует вибрация машины, особенно интенсивная при несимметричных коротких замыканиях. Наиболее опасной деформацией изоляции является ударное смятие, при котором резко снижается электрическая прочность компаундированной изоляции, особенно в горячем состоянии. Под действием электродинамических усилий и вибрации происходят также ослабления креплений, нарушения герметичности водяного тракта в машинах с водяным охлаждением и другие повреждения.

Плотность заклиновки пазов в процессе работы машины снижается вследствие усадки изоляции, радиальной вибрации стержней и тангенциальной вибрации зубцов. При этом длина участка стержня с ослабленным креплением может быть различной, что создаёт условия для возникновения резонансных явлений. Вибрация вызывает усталостные повреждения меди элементарных проводников и истирание изоляции. На некоторых отечественных ТГ мощностью 200 и 300 МВт наблюдались поломки элементарных проводников вблизи транспозиционных переходов, приводившие каварийным повреждениям корпусной изоляции.

Электрическая прочность микалентной компаундированной изоляции существенно снижается в результате даже кратковременных тепловых перегрузок. Тепловые перегрузки возникают при превышении допустимых рабочих температур из-за нарушений нормальных условий охлаждения и при работе машины с повышенным током статора. Значительной опасности изоляция обмотки подвергается также при тепловых перегрузках по причинам местного характера. Например, при разрушении изоляции листов и местном замыкании сегментов активной стали температура в области замыкания может достигать 200 −300 °С. Значительные местные

превышения температуры (150 −200 °С) возникают при замыка-

нии элементарных проводников и вентиляционных трубок в ТГ с непосредственным водородным охлаждением обмотки статора.