книги / Надежность электрических машин

271

P = 0,5 +Φ1(2,69) = 0,9964 ,

однако при дальнейшем снижении прочности отказ его становится всё более вероятным.

12.3. Повышение надёжности синхронных машин

Отказы СМ в значительной степени обусловлены недоработками конструкции, недостаточной прочностью применяемых материалов, дефектами изготовления деталей машин и их сборки, несовершенством методов контроля, а также погрешностями при монтаже и низким качеством ремонта. Поэтому повышение эксплуатационной надёжности СМ может быть достигнуто главным образом за счёт повышения их конструкционной надёжности путём разработки новых, высоконадёжных конструкций, улучшения технологии производства и системы контроля.

Естественно, что параллельно необходимо совершенствовать эксплуатацию машин в направлениях разработки систем защиты, управления и контроля, повышения качества ревизий, плановопредупредительных ремонтов и испытаний, квалификации обслуживающего персонала и т. д.

Обеспечение надёжной работы СМ усложняется по мере увеличения их мощности и интенсивности использования активных и конструкционных материалов. Решение этой проблемы возможно лишь на основе глубоких теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных и тепловых процессов в машинах, свойств применяемых материалов, вопросов прочности и вибростойкости, а также на основе систематического изучения эксплуатационного опыта, статистики отказов, тщательного анализа повреждений и неисправностей, процессов старения и износа.

Рассмотрим повышение надёжности основных узлов СМ с учётом интенсивности их отказов в следующей последовательности: статор, ротор, подпятники гидрогенераторов, масляные уплотнения турбогенераторов, снижение вибрации.

272

Статор. Большая часть повреждений обмотки статора высоковольтных машин связана с отрицательными свойствами микалентной изоляции (неоднородность, усыхание, вытекание компаунда и др.).

Применение же термореактивной изоляции требует существенного повышения точности изготовления стержней, так как их форму и размеры после затвердевания связующего изменить уже нельзя. Крепление же обмотки в пазах и в лобовых частях становится ещё более актуальной задачей, ибо термореактивная изоляция не разбухает, но с увеличением электрических нагрузок возрастают элетромагнитные усилия, действующие на стержни как в радиальном, так и в тангенциальном направлении. Фиксация стержней в пазах может быть осуществлена путём применения различных упругих прокладок, находяшихся после заклиновки пазов в напряжённом состоянии. Такие прокладки предотвращают ослабление стержней в пазу, уменьшают амплитуды их вибрации и демпфируют усилия, действующие на стержни, исключая возможность ударов стержней о стенки паза. Разработаны различные конструкции упругих прокладок, требующие проверки в эксплуатации.

Надёжное крепление стержней в пазах особенно важно в крупных турбогенераторах, в которых действующие усилия значительны, а зубцы статора подвержены поперечным колебаниям с частотой 100 Гц в результате деформации сердечника под действием магнитного тяжения полюсов ротора.

Крепление лобовых частей обмотки статора в крупных машинах тоже должно быть усилено, но для этого необходимы новые конструктивные решения. Шнуровая вязка стержней не является достаточно надёжным способом крепления. В гидрогенераторах желательна замена шпилек массивными и жёсткими кронштейнами.

Применяемые схемы транспозиции не исключают возможности появления в обмотке значительных циркуляционных токов, наводимых магнитными полями в зоне лобовых частей. Эти

273

токи вызывают добавочные потери, повышенный нагрев отдельных элементарных проводников и могут привести к серьёзному повреждению обмотки при появлении электрического контакта между элементарными проводниками.

Требуется разработка методов транспозиции проводников как в пазовой, так и в лобовых частях обмотки, которые обеспечили бы необходимое уменьшение циркуляционных токов и соответственно добавочных потерь.

При изготовлении стержней, их транспортировке и хранении, а также во время укладки обмотки должны приниматься меры по исключению деформации стержней и повреждения их изоляции. Стержни должны храниться и перевозиться в специальных контейнерах, а подача стержней в статор и укладка в пазы должны производиться без применения значительных усилий.

Например, соответствующее оборудование, внедрённое

вЛенинградском электрообъединении «Электросила», позволило сократить количество пробоев стержней при испытаниях на 40 %. Качество и надёжность обмоток при этом были существенно повышены.

Значительную работу по повышению надёжности обмоток статора с водяным охлаждением ТГ серии ТВВ выполнило ЛЭО «Электросила». Например, вместо мягкой меди марки М1 для изготовления полых проводников применили медь марки М1р, которая имеет несколько большее удельное сопротивление, но обладает лучшими механическими свойствами. В поточную линию изготовления полых проводников встроен дефектоскоп для отбраковки заготовок. Полые проводники отжигаются в среде водорода с проверкой на водородную хрупкость, так как не допускается образование трещин при сплющивании образца в холодном состоянии. Разработана и внедрена новая конструкция наконечника стержня, которая позволяет контролировать прохождение воды по каждому полому проводнику. Пайка штуцера к наконечнику производится

всреде аргона. Для удаления из воды ферромагнитных частиц на входе в обмотку статора устанавливаются магнитные фильтры.

274

Давление опрессовки системы водяного охлаждения поднято до 100 Н/см2, что позволяет выявлять неисправности из-за дефектов материала соединительных трубок, ниппелей, выводных шин и других элементов водяного тракта [32].

Работающие в тяжёлых условиях (высокие температуры, давление, вибрация) резиновые водоподводящие шланги, низкая надёжность которых была выяснена в процессе эксплуатации, заменены шлангами из фторлона-4 (фторопласта-4Д), обладающими более высокой прочностью. Несмотря на исключительную стойкость фторопласта, он довольно легко повреждается при случайных механических соприкосновениях с твёрдыми предметами. Особенно часто повреждаются шланги в местах контактов их между собой и в местах их трения о затвердевший наполнитель изоляционных коробочек. Трещины в шлангах образуются чаще всего на расстоянии 30–50 мм от наконечника шланга, подключённого к стержню.

Повышение надёжности обмотки требует развития систем теплового контроля и защиты. Вместо шести термометров сопротивления, устанавливаемых в обмотке статора ТГ серии ТВВ первых выпусков, сейчас они устанавливаются во всех пазах. Максимальная допустимая температура стержня 75 ºС, максимальная разность температур стержней 20 ºС. При отклонении указанных температур за допустимые значения имеется возможность обнаружить повреждение в системе охлаждения обмотки прежде, чем оно получит аварийный характер. Опыт эксплуатации мощных генераторов показал, что при замыкании на корпус обмотки статора уже при токах около двух ампер возникало оплавление активной стали. Поэтому для крупных генераторов желательно иметь защиту от замыканий на землю, действующую на отключение. После срабатывания защиты следует оперативно определить место повреждения, и при замыкании в обмотке статора генератор немедленно отключают. Этим можно существенно снизить количество и размеры повреждений обмотки статора и активной стали. Это же правило следует ввести для всех гене-

275

раторов с изношенной изоляцией. Ионизационный износ опасен тем, что ослабляет изоляцию наиболее напряжённых стержней. В этих случаях при замыкании на корпус одной из фаз повышается вероятность замыкания между фазами. В эксплуатации такие случаи наблюдались, поэтому считается целесообразным для генераторов с наработкой более 70 000 ч перевод действия защиты от замыканий на землю на отключение независимо от величины тока на землю и наличия дугогасящей катушки.

К другим мерам повышения надёжности обмотки статора можно отнести переполюсовку выводов, тщательный и регулярный осмотр изоляции с оценкой её состояния, систематическую проверку и восстановление креплений, бандажировки лобовых частей, плотности заклиновки пазов, наконец, частичную или полную перемотку.

Наиболее распространённым и опасным дефектом активной стали статора является ослабление её прессовки. Плотность прессовки имеет особое значение для ТГ в связи с требованиями к жёсткости сердечника, необходимой для того, чтобы частота собственных его колебаний достаточно отличалась от 100 Гц.

Некоторое повышение плотности прессовки сердечников ТГ достигается нагреванием собранного сердечника перед последней прессовкой или длительной выдержкой его под давлением. Возможно также повышение давления при первых прессовках до 140–160 Н/см2. Жёсткость сердечника статора зависит от качества используемой листовой стали, от степени её разнотолщинности и коробоватости, поэтому повышение качества стали является необходимым условием повышения качества сборки сердечника.

Существенное повышение монолитности сердечника достигается применением пакетной сборки. При этом сегменты, покрытые специальным лаком, собирают в пакеты, прессуют и выпекают. В процессе выпечки сегменты склеиваются, а все промежутки и неровности заполняются лаком. Хорошо спрессованные монолитные пакеты собирают на рёбрах корпуса.

276

Ротор. Наиболее напряжённым во всех отношениях узлом является ротор ТГ. Разрушение ротора нередко сопровождается крайне тяжёлыми авариями, поэтому вопросам надёжности ротора всегда уделялось и уделяется большое внимание.

В результате усовершенствования технологии и контроля турбороторных поковок их надёжность существенно повышена. Поломка ротора в настоящее время – это редкое явление. По мере увеличения линейной нагрузки ТГ значительно возрастают потери на поверхности ротора, особенно в асинхронном режиме и при несимметричной нагрузке. В связи с этим необходима разработка надёжной системы водяного охлаждения головок зубцов и клиньев ротора дляобеспечения его термостойкости в указанных режимах.

Серьёзной проблемой остаётся надёжность бандажного узла. Выше указывалось, что напряжения в бандаже создаются главным образом центробежной силой от собственной массы бандажного кольца. Эта составляющая напряжения пропорциональна плотности материала бандажа и квадрату его диаметра. Единственным способом снижения напряжений в бандажном кольце является использование высокопрочных, но обладающих меньшей плотностью по сравнению со сталью материалов.

Исследуется возможность использования для изготовления бандажных колец сплавов титана, не уступающих по прочности легированным сталям. Трудности в данном случае возникают в связи с малым термическим коэффициентом линейного расширения титана, что связано с необходимостью нагрева титанового бандажа для горячей посадки до высоких температур (около 500 ºС), небезопасных для изоляции обмотки ротора. К тому же модуль упругости титана меньше модуля упругости стали.

Для повышения надёжности бандажей из аустенитной стали требуется совершенствование способов наклёпа и исследование возможности улучшения её механических свойств за счёт дополнительного легирования. Необходима защита бандажей от коррозионного растрескивания и разработка аустенитных сталей, не подвергающихся этому опасному явлению. Необходимо дальнейшее совершенствование конструкции бандажного узла.

277

Обмотка ротора с косвенным охлаждением ТГ c крупными габаритами испытывает деформации под действием изменения температуры. Для устранения этого явления наиболее действенным является применение непосредственного охлаждения обмотки и использование легированной меди.

Опыт эксплуатации ТГ серии ТВФ показал, что для надёжной работы обмотки возбуждения большое значение имеет прочность подклиновых прокладок в пазу ротора. Замена в ТГ серии ТВВ текстолита стеклотекстолитом, способным выдерживать нагрузки от центробежных сил в обмотках меди в пазу при высоких температурах, привела к существенному снижению повреждаемости обмотки ротора. Однако высокие электрические нагрузки роторов с непосредственным охлаждением и открытые участки меди в местах подвода водорода требуют постоянного внимания к качеству сборки обмотки и кнадёжности эксплуатационного контроля.

Роторы с непосредственным охлаждением более чувствительны к колебаниям нагрузки и различным нарушениям в работе системы охлаждения. Поэтому надёжная работа машины становится возможной лишь при постоянном контроле температуры ротора во многих точках. Желателен регистрирующий контроль, так как его непрерывность даже важнее точности регистрирующих приборов. При этом особенно важно своевременно выявлять местные повышения температуры вследствие замыканий, перекрытия вентиляционных каналов и других причин.

Для защиты обмотки ротора от чрезмерных тепловых нагрузок время действия форсировки возбуждения в машинах с непосредственным охлаждением ротора должно быть ограничено. Форсировка должна автоматически сниматься по истечении допустимого промежутка времени. Вредное действие на изоляцию обмотки ротора оказывают частые пуски. Целесообразно не допускать охлаждения ротораприкратковременныхостановках, подогреваяегоискусственно.

В процессе эксплуатации СМ большого внимания требуют устройства токоподвода к обмотке возбуждения, через которые протекают токи, в крупных машинах измеряемые тысячами ампер. Разрыв токоподвода сопровождается возникновением мощ-

278

ной дуги, способной вызвать серьёзные повреждения, поэтому важно своевременно обнаружить начавшееся разрушение токоподвода и ликвидировать неисправность его, не допуская аварии.

Нередки случаи ускоренного износа контактных колец и щёток турбогенераторов. Чаще это обусловлено наличием аэродинамической подъёмной силы, приподнимающей щётки над поверхностью контактных колец, что вызывает повышенное искрение. Электроэрозионный процесс при этом быстро разрушает контактные поверхности колец и щёток. Наличие винтовой нарезки на контактной поверхности колец позволяет устранить этот эффект. Для уменьшения износа контактных колец иногда целесообразно изготовлять ихиз стали повышенной твёрдости, как в ТГсерии ТВВ.

Подпятники гидрогенераторов. Подпятник является одним из наиболее ответственных узлов ГГ, поэтому его надёжная работа

взначительной мере определяет надёжность машины в целом. Разработанные в нашей стране конструкции подпятников успешно эксплуатируются как в нашей стране, так и за рубежом, однако имеются определённые возможности для дальнейшего повышения надёжности подпятников и срока их службы. Коэффициент трения

вподпятнике при пуске зависит от чистоты поверхности скольжения диска пяты. Со снижением класса чистоты поверхности коэффициент трения при пуске быстро возрастает, одновременно ускоряется износ баббитовой поверхности сегментов. На отечественных предприятиях обработка поверхности пяты ведётся до девятого класса чистоты. На ряде ГЭС надёжность работы подпятников повышена за счёт дополнительной обработки поверхности скольжения до более высокого класса чистоты [33].

Скорость износа баббитовой заливки сегментов зависит от структуры баббита, которая должна быть крупнокристаллической, причём кристаллы должны не срастаться друг с другом, а оставаться изолированными. Это заставляет предъявлять особые требования как к составу баббита, так и к технологии заливки сегментов. С повышением удельных нагрузок и требований к надёжности работы подпятников антифрикционные свойства

279

баббита Б83, обычно применяемого для заливки сегментов, становятся недостаточными. Для обеспечения надёжной работы подпятника требуется гидростатическое разделение поверхностей трения перед пуском гидроагрегата. Существенный прогресс в этом направлении может быть достигнут за счёт применения самосмазывающихся антифрикционных материалов на основе композиции металла и пластмассы.

Разработанный Государственным НИИ машиноведения антифрикционный материал С-1-У позволяет существенно поднять надёжность работы подпятников, упростить их конструкцию за счёт отказа от подачи масла под давлением перед пуском. Эксплуатация подпятников, выполненных на этом материале, облегчается. При этом отпадает необходимость ограничения длительности стоянки агрегата с нагруженным подпятником и подъёма ротора на тормозах перед пуском. Испытания таких подпятников на одной из мощных отечественных ГЭСдали положительные результаты.

Для уменьшения тепловой деформации применяют сегменты двухслойной конструкции, при этом верхний (рабочий) слой делается относительно тонким (50–60 мм). При работе подпятника этот слой зажат между плоской поверхностью пяты и массивным основанием сегмента. Тепловая деформация сегмента невелика, так как из-за высокого теплового сопротивления стыка между слоями температура нижнего слоя сегмента мало отличается от температуры окружающей среды и распределена достаточно равномерно. Ещё более эффективным способом предупреждения тепловой деформации сегментов является их внутреннее водяное охлаждение. С этой целью в верхнюю (тонкую) часть сегмента заливается змеевик, по которому циркулирует охлаждающая вода.

Вращающаяся часть ГГ подвержена маятниковым колебаниям, которые обусловливают неравномерность нагрузки на подпятник. Это явление особенно сильно выражено в агрегатах зонтичного типа. В этих случаях турбинный подшипник целесообразно выполнять не резиновым с водяной смазкой, как это делается обычно, а баббитовым с масляной смазкой, за счёт чего значительно уменьшается биение вала турбины.

280

Для надёжной работы подпятника в период пуска агрегата решающее значение имеет скорость образования масляного клина. Естественно, формирование его на выходной кромке сегмента несколько запаздывает. Усилия конструкторов и работников эксплуатации направлены на всемерное сокращение времени образования масляной плёнки необходимой толщины на всей поверхности сегмента. Испытания показали, что некоторое увеличение эксцентриситета опоры сегментов против обычно принятого (5–6 %) благоприятно отражается на средней толщине масляной плёнки и быстроте её образования при пуске агрегата. При этом положение опоры балансира выбирается так, чтобы обеспечить примерное равенство средних толщин плёнки на обоих сегментах пары. Нужно учитывать, что лучшие условия образования масляной плёнки создаются на наружном сегменте, где окружная скорость выше, чем на внутреннем.

Условия работы подпятника могут быть значительно облегчены выполнением смазывающих лунок на поверхности сегментов. Такие лунки при пуске агрегата ускоряют образование масляной плёнки на выходной кромке сегмента и одновременно способствуют удалению продуктов износа с его поверхности. Время образования масляного клина на выходном крае сегмента в этом случае сокращается примерно вдвое [33].

Масляные уплотнения турбогенераторов. Масляные уп-

лотнения ТГ отечественных конструкций обладают достаточной надёжностью и могут обеспечить их длительную работу в нормальных эксплуатационных режимах. Частые пуски и остановки генераторов приводят к ускоренному износу уплотнений. Для уменьшения их износа генераторы, работающие в регулирующем режиме, рекомендуется пускать и останавливать при повышенном давлении газа в статоре. Нормальная работа уплотнений не исключает необходимости дальнейшего повышения их надёжности, особенно в аварийных режимах.

Раньше отказы уплотнений, характеризующие надёжность систем маслоснабжения, вызывались в основном различными нарушениями режима смазки. Поэтому было разра-