книги / Надежность и диагностика энергетических электромашин
..pdfАКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР
ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
НАДЕЖНОСТЬ И ДИАГНОСТИКА
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
ЭЛЕКТРОМАШИН
СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ
КИЕВ НАУКОВА ДУМКА 1984
УДК 621.313.322-81.019.3
Надежность |
и |
диаг ностика энергетических: |
1ин: С б.на- |
|
у ч .тр . / |
Р ед.лол. |
: г . 1'. счастливый (о т в .р е д ^ |
|
|
ун.дуык^, |
1984. |
-1 |
9 2 с . |
|
Рассмотрены физико-технические проблемы надежности современ ных и перспективных турбогенераторов и электрических машин других типов. Освещены вопросы управления электромагнитными и тепловыми процессами в режимах изменения активной и реактивной мощности, но вые принципы контроля температуры и диагностики интенсивности ох лаждения. Предложены отруктурные схемы устройств контроля и диаг ностики электричеоких машин.
Для научных и инженерно-технических; работников, занимающихся расчетом, конструированием и эксплуатацией электрических машин.
Библиогр. в конце отатей. |
|
Р е д а к ц и о н н а я |
к о л л е г и я |
Г .Г . Счастливый (ответственный редактор), К.Н.Вакуленко, Б.Г.Марченко, М.В.Мыслович (ответственный секретарь), С.Г.Таранов, А.И.Титнс, Г.М.Федоренко
Редакция информационной литературы
Н 2302030000-256 312-^4 |
(с)И здательство "Наукова дум ка",I9B4 |
M22I(04)-84 |
W |
УДК 621.313-81.001
И.А .Глебов, В.Д.Амбросович, В.М.Быков, Я.Б.Давидович
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СИСТШАМ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ'
Возрастающая сложность основного оборудования и автоыатжзированных систем управления и контроля в энергетике уже в насто ящее время приводит к значительному увеличению объемов работ, свя занных с ремонтами, а также эксплуатационным обслуживанием, профи лактикой, проверками и др. Сократить затраты на эти работы можно с помощью автоматизированных-средотв технической диагностики сос тояния оборудования.
Важнейшей задачей технической диагностики состояния турбоге нераторов является выявление возможных неисправностей на ранней стадии их возникновения.
Принятый в настоящее время подход к обеспечению эксплуатаци онного контроля генераторов основывается на независимом сложении за различными технологическими параметрами, характеризующими его состояние и работу вспомогательного оборудования, т . е . направлен практически только на слежение э& точностью функционирования.
При этом соответствующая аппаратура и устройства (в большинстве случаев одноцелевая) предупреждают эксплуатационный персонал о вы ходе данного частного параметра эа заранее заданную предупреди тельную уставку (предупредительный сигнал), и , воли параметр про должает иаменятьоя в опасном направлении и выходит за второй конт рольный (также задаваемый заранее) предел, то появляется аварий ный сигнал. Возможности применяемой при этом контрольной аппара тур.. и принятый порядок задания уотавок сигналя задай црактичес ки
определяет появление |
предупредительных, сигналов тоЛьксг тогда, |
к о г |
да дефект уже полностью определился-к продолжает прогрессивно |
р аз |
|
виваться. При этом, |
очевидно, не может быть получена информации о |
|
раннем аярпждяниш дефекта, характерная и необходимая для диагно-
стщюванжя.
Концепция диагностического подхода к проблеме эксплуатацион ного контроля генераторов не исключает рассмотренного традиционно го птггадя к технологическому контролю, но существенно дополняет
е г о . Технические требования к сястеме технической диагностики должны включать перечень контролируемых (обследуемых) узлов, дета лей или элементов турбогенераторов; параметры, характеризующие предельные состояния узлов я элементов; методы их контроля. Пере чень намечаемых для контроля методами технической диагностики уз лов, деталей или элементов турбогенераторов определяется слож ности) возможных повреждений нашив. Обзор имевших место серьезных повреждений, известных в мировой практике турбогенераторо строения А , 2 / шприводен в табж .1. Из возможных повреждений наиболее тя желые последствия шею? механические разрушения вала и бандажных колец ротора, повреждения сердечника статора, ыежфазные (внутрен ние) короткие замыкания обмотки статора.
Т а б ж и ц а |
I . |
Наиболее |
серьезные повреждения (о т - |
|
к авн ), жзвестные в |
практике |
турбогенераторостроеняя/1, 2/ |
||
Узел . | |
|
|
' |
Вид повреждения |
|
|
Поломка вала |
||
|
1. 2. Разрушение бандажных колец |
|||
|
1 .3 . Трещины на |
поверхности ротора |
||
|
1 .4 . ___* - „ ____и деформация витков лобовых |
|||
Ротор |
|
частей катушек обмотки |
||
1 .5 . Повреждение элементов тоноподвода |
||||
|
1. 6. Витковые короткие замыкания в катушках |
|||
|
|
обмотки возбуждения |
||
|
1 .7 . Повышенная вибрация ротора |
|||
|
1. 8. Нарушения в работе щеточно-контактного |
|||
|
|
узла |
|
|
|
2. 1. Повреждение крайних пакетов сердечника |
|||
|
|
статора |
|
w |
|
2. 2. Повреждение изоляция обмотки статора |
|||
Статор |
2 .3 . Межфаэвое короткое аамыканш |
|||
2 .4 . Течи шз системы водяного охлаждения об |
||||
|
|
мотки статора |
||
|
2 .5 . Утечки водорода через выводы обмотки |
|||
|
|
статора |
|
|
Дрочив |
3 .1 . Повреждения-уплотнений вала ротора |
|||
|
3 .2 . Повреждения подшипников |
|||
Анализ протекания самих тяжелых аварий показывает, что ава рийное положения возникает не мгновенно, а имеет свою предысторию.
4
Поэтому при непрерывном или даже периодическом наблюдении аа ха рактером изменения состояния основных узлов и элементов имеется возможность предотвратить аварийную остановку блока. В большин стве случаев для наблюдения также могут быть использованы режим ные или плановые остановки агрегатов. Системы диагностики должны учитывать скорость развития повреждения, вплоть до наступления предельного состояния, при котором генератор отключается от сети автоматически.
ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ РОТОРА
Разрушение вала. Появление трещин в роторе, приводящее в ря де случаев к разрушению вала, периодически рассматривается в на учно-технической литературе- /3 ,4 ,5 7 . В частности, в работе / 5 / ува зывается, что были обнаружены трещины в центральной чаоти ротора
турбогенератора мощностью 660 МВт, 3000 |
об/мин, установленного на |
||
ТЭС Драке (Великобритания). В работе / 4 / |
отмечаютоя |
олучая 'появле |
|
ния трещин в ряде турбогенераторов мощностью 63-150 |
МВт, |
||
3000 об/мин. В указанных |
случаях трещины имели усталостный харак |
||
тер и возникали в местах |
концентраторов |
напряжения, |
как правило, |
сразу нескольких. Характерной особенностью этого типа нарушений в работе является появление повышенной вибрации ротора, изменяющейся скачкообразно по величине и имеющей частоту вращения. По данным работы /5 7 , повышение амплитуды вибрации составляло 40-50 мкм при глубине трещины до 300 мм.
Разрушение бандажных колец. В практике эксплуатации турбоге нераторов отмечаются случая коррозионного растрескивания бандаж ных колец при совместном воздействии температуры, близкой к рабо чей для бандажного кольца, и механических напряжений в атмосфере влажного водорода или воздуха / б / . Учитывая свойства материалов,' применяемых для бандажных сталей (18Г4Х), для которых критическая величина трещины соотавляет 4 мм, а скорость распространения Ю ~^ м/с, для своевременного выявления опасных коррозионных т р е -
шин могут быть использованы средства апостериорной диагностики во время плановых остановок блока. Современные возможности ультра звуковой дефектоскопии позволяют обнаруживать трещины размером 0 ,5 мм в.толщине 100 мм. Используя эти возможности, трещины на
внутренней поверхности бандажа могут быть своевременно обнаружены даже без снятия бандажного кольца.
5
Повреждения вследствие крутильных колебаний валопровода Результаты проводимы* в настоящее время исследований показа
ли, '{то при*'анормальных режимах работы (короткие замыкания, пов |
|
торные включения, асинхронные режимы и др J возникают |
крутильные |
колебания валопровода турбогенератора, которые могут |
вызвать яв |
ления мвлоцякдовой уоталости вала ротора / ^ , 8/ . |
Разработаны |
мето |
ды регистрации накопления усталостных явлений в валопроводе |
/ § / , |
|
что при извеотных значениях предельных состояний материалов, |
при |
|
меняемых в конструкции ротора (клинья, бандажная |
сталь, поковки), |
|
обеспечивает возможность своевременного предотвращения разрушения ротора и з-за малошшдовой усталости.
Витковые короткие замыкания в обмотке ротора. В связи со зна чительным усовершенствованием конструкции витковой изоляции и при меняемых материалов, витковые короткие замыкания крайне редки.
При возникновении витковых коротких замыканий возможны повышение вибрации вала ротора, тепловой небалано, возникновение подшипни-
гновых токов. По данным работы Л / повышение вибрации может иметь иди внезапный характер, или же изменяться с нагрузкой генератора. Выявление витковых коротких замыканий можно обеспечить с высокой
точностью с помощью датчика неподвижной катушки, расположенной в за воре вблизи ротора /1 0 /, Диагностика витковых коротких замыка
ний в обмотке ротора возможна также по данным намерений изменения амплитуды и фазы вибрации ротора / \/ .
Нарушения в |
работе щеточно-контактного |
у зл а . Выполненные ис |
следования С\0/ |
поеволили существенно усовершенствовать щеточно- |
|
контактаый узел, |
следовательно, обеспечить |
надежную работу гене |
ратора о током ротора 5 -6 кА при окружной скорости на контактных
кольцах до |
60 м /с . Для удобства эксплуатации' используется |
щеточ |
ный аппарат |
со оъемными щеточными брикетами. Однако случаи |
отказа |
в работе щеточного контакта встречаются, хотя длительность простоя
при этом |
невелика. Как правило flO 7 , нарушения в работе |
узла начи |
наются с повышенного нокрения щеток. Известны устройства |
, поз |
|
воляющие |
своевременно обнаруживать повышенное искрение. |
Принцип |
работы устройства основан на пропорциональности напряжения радио частоты степени ясцренин.
Сводные данные по диагностике оостояния .элементов ротора В таб л .2 приведены сводные данные с характерными признаками
наступления возможных предельных соотояний элементов ротора. Из данных указанной таблицы следует, что диагностика состояния ротора
6
Т а б л и ц а 2 . Характерные причины и сопутствующие им основные признаки наступления предель ных состояний элементов ротора
Элемент или узел ротора
Вал
Бандажные
кольца
Обмотка
ротора
Щеточноконтакт ный узел
Уплотнения м л я рото ра
Причина доедельного состо яния
I . I . Трещины в различных частях ротора
2 .1 . Коррозионное раст рескивание
3 .1 . Витковые замыкания
Признаки |
Возможные методы выявления |
I . I . I . Появление повышенной Регистрация величины, часто вибрации оборотной частоты ты и фазы .изменения вибра
ции ротора
2 . I . I . Появление трещин |
Периодическая ультразвуко- - |
|
вая дефектоскопия бандажных |
|
колец |
3.1 Л . Появление повышенной Регистрация величины, час вибрации оборотной частоты, тоты и фазы изменения виб изменяющейся с нагрузкой рации, измерение подщипли—
новых токов
3 .1 .2 . Появление подшип |
Обнаружение витковых замы |
никовых токов |
каний с помощью испы татель-' |
|
вой катушки в зазоре |
3 .2 . Износ полых проводил- 3 .2 .1 . ТТпяяляняр. продуктов Периодический химический
ков (при водяном охлажде- |
износа в дистилляте |
анализ дистиллята |
|
НЯИ |
3 .2 .2 . Тепловой небаланс |
Регистрация величины ( час |
|
|
ротора |
тоты и фазы изменения виб |
|
4 .1 . Повышенный или нерав |
4 . 1 .1 . Повышенное искрение |
рации- |
|
Регистрация радиоили ин-, |
|||
номерный износ контактных |
4 .1 .2 . Нагрев |
фракрасного излучения |
|
колец- и щеток |
4 .1 .3 . Чрезмерный износ |
|
|
5 .1 . Износ баббитового |
5 .1 .1 . Нагрев |
Регистрация измерения |
тем |
стяятплпя (запорного эле |
5 .1 .2 . Чрезмерный износ |
пературы баббитового |
слоя |
мента) |
1 .1 .3 . Пдгнншяняяя вибрация |
Регистрация величины, |
чис |
|
|||
|
|
тоты, фазы н характера из |
|
|
|
менения -пр»Ирятпш |
|
может бить осуществлена при сочетании методов, возможных на оста новленном роторе (в период плановых остановок с выемом или без выема ротора), и методов измерений при работе генератора. Подроб ная диагностика состояния ротора может быть проведена в период очередного капитального ремонта генератора (один раз в пять - шесть л е т ). В период таких ремонтов в работе [ \ ] рекомендуется производить осмотр всех клиньев ротора, состояния бандажных ко лец, обмотки ротора (в том числе лобовых частей ), собственно вала ротора. Эдеоь особенно тщательно следует осматривать места кон центрации напряжений. При плановых остановках генераторов без выема ротора может производиться ультразвуковая диагностика сос тояния бавдажных колец ротора. Большие возможности для диагности ки ротора имеет регистрация величины, частоты, характера и фазы изменения вибрации ротора. В сочетании с измерением величины на
грузки (током ротора), температур обмотки ротора, баббитового вкла дыша, масла и холодного г а з а , а также подшипниковых токов ротора, измерения вибрации позволяют своевременно предотвратить большин ство серьезных повреждений ротора и его элементов. При этом д л я' качественного анализа поступающих данных требуется применение со ответствую т й . ЭШ.
ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ СТАТОРА Повреждения оердечника статора . В настоящее время существен
но |
усовершенствована |
конструкция |
сердечника статора / 1 2 / . Благода |
ря |
улучшению крепления.сердечника и повышению модуля упругости |
||
(ва |
очет штамповки |
сегментов из |
листов с направлением проката |
вдоль зубцов) значительно снизился уровень вибрации (до 30 мкм). Была внедрена оклейка крайних пакетов сердечника статора, уменьше ны их перегревы (в турбогенераторе 1000 МВт, 1500 об/мин до 30 К ).
Вое это весьма благоприятно сказывается на повышении надежности сердечника. Однако известны олучаи серьезных повреждений сердечни
ка отатора, которые |
приводили к |
длительным |
простоям генератора |
|||||
/ 1 3 / . .Отмеченные |
случаи связаны |
были или |
с |
повышенной вибрацией |
||||
сердечника,или с |
местными |
нагревами, которые |
при |
повреждении |
меж- |
|||
диотовой изоляции (в |
ряде |
случаев и з -з а |
вибрации |
сердечника |
или |
|||
обмотки) приводили к |
"пожару" сердечника |
Д /.Д л я |
диагностики виб |
|||||
рационного оостояыия требуется непрерывная регистрация вибраций
'оердечника с фиксацией динамики ее изменения. При остановках тур богенератора в работе / I / рекомендуется тщательно обследовать вн у т-
8
реныость генератора для выявления "черного порошка" - продукта
нстнрашш листов сердечника. - |
|
Повышенные местные нагревы, предшествующие "повару" седоечни- |
|
ка, могут быть выявлены по продуктам раз лове ння изоляции |
листов |
/147 - Здесь результаты исследований показали, что в среде |
водоро |
да основными компонентами продуктов разложения являются метан (Н4) ,
углекислый (С02 ) и угарный (СО) газы , причем их появление начина |
||||||
ет обнаруживаться при температурах 120°С и более. Минимальное со |
||||||
держание продуктов разложения в I дм3 водорода при распаде |
I г изо |
|||||
ляционных материалов |
по данным /1 4 7 |
составляет: СН4 - 0,9%, |
С02 - |
|||
0 ,2 # |
и СО -0 ,9 % . Для |
своевременного |
выявления возникновения оча |
|||
гов |
"пожара" наличие |
СН4 должно измеряться с точностью до 0 ,1 # /г .д а 3 , |
||||
С02 |
и СО -.О .ЗЯ /г-дм3 |
/1 5 7 . |
|
|
||
|
При эксплуатации турбогенераторов встречается явление распушов- |
|||||
ки листов крайних пакетов, которое может привести к их поломке |
||||||
/1 6 7 . |
Имеются различные |
объяснения причин распупювки крайних па |
||||
кетов. |
По мнению авторов, |
наиболее вероятной причиной является |
||||
усилия, возникающие в результате взаимодействия радиальной состав ляющей индукции в крайних пакетах, о тангенциальными токами в ли стах, наведенными аксиальной составляющей индукции в торцевой зоне
сердечника. Для диагностики распушовки могут быть использованы д ат чики положения листов крайних пакетов, размещаемые в местах наи
больших электродинамических усилий. При плановых остановках: с |
|
выемкой ротора состояние оердечника статора с высокой отепенью |
|
точности может быть обследовано с помощью тепловиэйонного |
опособа |
Д 0 7 . |
|
Нарушения изоляции обмотки отатора. Все современные |
турбогене |
раторы выпускаются с термореактивной изоляцией, характеризующейся повышенными диэлектрическими и механическими свойствами. В резуль
тате |
резко снизилось количество отказов в работе |
турбогенераторов |
и з-за |
нарушений изоляции. Тем не менее, учитывая |
тяжесть послед |
ствий нарушения изоляции, диагностика ее состояния представляется существенной. Согласно /1 7 7 , возможны нарушения корпусной изоля ций и з-за термомеханических напряжений или вибрации обмотки ,Вит
ковой изоляция |
и протявокоронного покрытия. Кроме тог»., в |
работе |
||
/1 7 отмечается |
возможность межфазных коротких замыканий, |
например, |
||
из-d a |
увлажнения |
изоляции и попадания масла из масляных уплотне |
||
ний. |
По-видимому, |
наиболее эффективным' способом диагностики сос |
||
тояния изоляции является измерение уровня частичных разрядов /1 8 7 .
В указанной работе описано применение опособа к измерению частич ных разрядов в обмотке гидрогенератора в процессе его эксплуатации. Способ оонован на измерении высокочастотных сигналов, возникающих цри частичных разрядах в изоляции.
Нарушение витковой изоляции может быть обнаружено путем из мерений циркуляционных токов в стержнях обмотки при очередных ре монтах с выемкой ротора /1 9 7 . По-видимому, возможно также измере ние изменения характера распределения составляющих магнитной ин дукции в зоне лобовой чаоти обмотки. Разрушение противокоронного покрытия связано с увеличением интенсивности частичных разрядов и возможно может быть выявлено путем их измерения. Другой путь диаг
ностики этого нарушения - |
анализ состава примесей |
в охлаждающем |
г азе . Мейфаэяое короткое |
замыкание возможно может |
быть предотвра |
щено путем измерения сопротивления изоляции обмотки. Однако для этого требуется разработка более совершенных методов измерения, накопление необходимого статистического материала.
Повышенная вибрация обмотки. Существенным достижением отече ственного турбогенераторостроения является разработка конструкций крепления обмотки, обеопечивающих низкий и стабильный уровень виб
рации обмотки (на уровне 50 |
мкм для |
лобовой и 5-8 мкм для пазо |
|
вой части обмотки в турбогенераторе |
800 МВт при номинальной нагруз |
||
к е ), Поэтому отказы в работе |
и з-за |
вибрация обмотки отатора, отме |
|
чавшиеся в работе |
/ 207, для |
отечественных турбогенераторов являют |
|
ся маловероятными. |
В работе |
/2 0 7 отмечались следующие последствия |
|
повышенной |
вибрации обмотки: |
истирайие корпусной изоляции и проти- |
вокбронных |
покрытий, излом |
элементарных проводников, приводящий |
к течам дистиллята и возникновению микродуг.
Вопросы диагностики состояния изоляции рассматривались выше. Течи дистиллята в турбогенераторах с водородным охлаждением вы являются по появлению водорода в ловушках системы водяного охлаж дения. В турбогенераторах о воздушным заполнением, корпуса для выявления возможных микротечей необходимо применение радиоизото пов. Микродуговые разряды могут быть в принципе выявлены но про дуктам разложения изоляции или по высокочастотным сигналам.
Отдельным вопросом является ослабление заклиновки обмотки отатора. По данным выполненных исследований, ослабление заклинов ки при используемой конструкции крепления.обмотки в пазу не при водит к росту вибрации обмотки /2 1 7 . Однако для устранения ослаб ления была создана специальная конструкция с применением встречных клиньев, которая сводит .к минимуму, явление ослабления.
10