книги / Надежность и диагностика энергетических электромашин

причин, признаков и развитии начальных дефектов гидрогенераторов.-

Сравнительная оценка значимости начальных дефектов гидрогенера­

УДК 621.313.322

Б .В . Кислицкий, В.М.Надточий, Ю.В.Петров, В.А.Дветков, Ю.М.Элькинд

ВИБРАЦИИ И СТАТИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ СТАТОРОВ ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ

Внастоящее время в области исследования механических харак­ теристик статоров гидрогенераторов достигнуты значительные успе­ хи, что позволило электропромышленности создать гидрогенераторы мощностью до 640 МВт. Однако требования к надежности эксплуатации современных высокоиспольэованных генераторов постоянно возрастают, поэтому углубленное изучение физических свойств матёриалов и кон-" струкций генераторов ставит новые исследовательские задачи, а в ряде случаев по-новому оовещает постановку известных задач.

Вданной статье рассматриваются некоторые из таких задач, воз­ никающих в процессе исследования и эксплуатации гидрогенераторов.

Вибрации стальных конструкций статора. Конструкция мощных гидрогенераторов (разъемный статор, малая длина полюсного деления,

свойств статора, как колебательной системы. Одной из известных при­ чин вибрации является совместное действие основного магнитного потока и добавочных полей реакции якоря, тлеющего дробную обмэтку. Дробные обмотки выгоднее используют магнитный поток, однако в р я д е ,,

41

ет , по-видимому, искать на пути оптимизации проектирования обмоток с учетом, требований обеспечения как формы ЭДС, так и виброзащгаценнооти статора. Серьезной причиной возникновения повышенных вибра­ ций составного статора является ослабление плотности стыковки сек­ торов сердечника . При этом макет возникать вибрация как общего, так и местного характера. Особенно больших величин (до 500 мкм) может достигать вибрация вблизи стыков и з -за ослабления плотности стыковки -при одновременном наличии неравномерной жесткости крепле­ ний сердечника в корпусе.

Радикальным мероприятием, устраняющим этот источник повышен­

СССР большинство гидрогенераторов имеют разъемные статоры . Нерав­ номерная жесткость креплений сердечника может быть, по-видимому, самостоятельной причиной повышенной вибрации, в частности, в слу­ чае бесстыковой сборки сердечника.

Основная трудность решения проблемы заключается в тол, что не выяснен механизм спонтанного ухудшения плотности стыкового сое­

динения,' недостаточно изучены -условия возникновения местных вибра­ ций, физические свойства шихтованного сердечника и его креплений. Поэтому в настоящее время существенная роль в боробе с повышенной вибрацией статора принадлежит эксплуатационному контролю вибраций и своевременному выполнению ремонтно-профилактических мероприятий. Необходимо решить также проблему оптимизации эксплуатационного контроля.

Вибрация обмоток статоров. В настоящее время изучены многие свойства статорных обмоток гидрогенераторов, как колебательных систем 3 . 4 / . Повышение вибростойкости обмотки статора достигается на трех основных направлениях: улучшение динамических свойств ко­ лебательной системы, снижение электродинамических уоилий (ЭДУ) и оптимизации обслуживания генератора. В отношении динамических свойств успехи достигнуты при исследованиях и разработке конст­ рукции лобовых частей обмотки статора . Теоретически оцениваются

42

резонансные свойства лобовых дуг, а на макетах проверяются уровня, вибрация при номинальном токе статора и номинальной частоте. В эксплуатации динамические свойства лобовых дуг оцениваются по амп­ литудно-частотным характеристикам в диапазоне частот 30 - 120 Гц

Эффективность снижения электродинамических усилий, действую­ щих на обмотку статора, зависит от возможностей выбора достаточно большого числа параллельных ветвей . Особенные трудности могут воз­ никнуть при конструировании высокооборотных гидрогенераторов боль­ ший мощности. Величина ЭДУ несомненно должна учитываться при раз­ работке систем крепления статорной обмотки. Однако следует подчер­ кнуть, что только на основании величины ЭДУ, без учета динамичес­ ких свойств обмотки, системы крепления выбирать нельзя: известны случаи, когда при достаточно малых ЭДУ вибрации обмоток достигали существенной величины вследствие близости резонанса к рабочей час­ тоте 100 Гц.

Таким образом,' овыбор системы крепления статорной обмотки является оптимизационной задачей, причем среди параметров оптими­ зации должны быть как ЭДУ. так и динамические свойства с аз темы.

Третьим направлением, обеспечивающим высокую надежность экс­ плуатации, является организация обслуживания обмотки статора, ко­ торая должна учитывать реальные вибрационные характеристики. Т а - ' кие данные получают при испытаниях головных образцов гидрогенера­ торов. По результатам исследований головного образца принимается решение об организации эксплуатационного контроля вибраций серий­ ных машин. Процедура принятия решения базируется на ситуационных оценках, учитывающих, помимо динамических свойств обмоток, новизну конструкции и материалов, наличие и опыт эксплуатации конструкцийаналогов, число агрегатов данного типа на ГЭС н др .

Ситуационная оценка применена при решении вопроса обЭксплу­ атационном контроле вибраций лобовых частей обмотки отатора прак­ тически на всех крупнейших гидрогенераторах, например, на Красно­ ярской,. Нурексной, Усть-Илимской, Чиркейсюй ГЭС. Аналогичные ра­ ботыведутся на Саяно-Шушенской и Ингури ГЭС.

Основу эксплуатационного контроля составляют профилактичес­ кие осмотры на каждом гидрогенераторе и выборочный инструменталь­ ный контроль вибраций’ обмотки на одном или нескольких генераторах

43

данной ГЭС. Эксплуатационный контроль позволяет следить за ста­ бильностью сиотем прениения обмотки и своевременно назначать про­

филактические работы.

Таким образом, для решения проблемы создания и обслуживания вялйяннт конструкций лобовых частей обмотки статора гидрогенерато­

ра необходимо выполнить и внедрить в практику ряд типовых разрабо­ ток: типовую программу расчета колебаний статорных обмоток, типо­ вую программу зкспериментальной оценки механических параметров об­ мотки, типовую схему оснащения головных гидрогенераторов измери­ тельными средствами для эксплуатационного контроля вибраций, мето­ дику оценки эксплуатационного состояния и оптимизации обслуживания гидрогенераторов.

. Вопросы нормирования вибраций. Существующие нормы вибрации статора представляют экспертные оценки, основанные на обобщении опыта эксплуатации [Ъ]. Более точное обоснование норм возможно на основе оптимизационного подхода, учитывающего, с одной сторонн.вероятность повреждения узлов и ущерб вследствие их о тказа, с дру­ гой - увеличение издержек эксплуатации в случае слишком частого превышения нормативного уровня вибраций. Подобный подход применял­ ся для предварительного обоснования временных норм вибрации сер­ дечника л обмотки статора гидрогенератора / § 7 .

Кроме того, с точки зрения нормирования важно иметь данные о предельно допустимых величинах вибраций, определяемых несущей спо­ собностью конструктивных узлов, в том числе предельно допустимыми напряжениями материалов. Поэтому важнейшей задачей остается уста­ новление статистических связей между вибрационным и напряженным состояниями элементов статора. В первую очередь требуется получе­ ние более достоверных данных о пределах выносливости обмоток стато­ ра как в отношении изоляции, так и в отношении элементарных про­ водников.

Контроль состояния крайних пакетов сердечника. Распушения и повреждения зубцовой зоны крайних пакетов сердечника статора наблю­ далось на ряде гидрогенераторов различных мощностей. Как и у тур­ богенераторов, распущенно связано с образованием зазоров между крайними пакетами и нажимными пальцами, однако источники появле­ ния данного дефекта у гидрогенераторов более разнообразны. В ка­ честве воз южных причин распушения Можно у казать, в частности, на образование волны пакетов активной стали, перетяжку стыков секто­ ров сердечника при ш итаяе с возникновением "домиков" в зоне сты­

44

ков, тепловые деформации стержней обмотки статора в аксиальном на­ правлении, неэффективную передачу усилий прессовки на сердечник (неточная установка нажимных пальцев, отжимных болтов и д р .) .

Эксплуатация генераторов без контроля состояния крайних паке­ тов в ряде случаев приводила к выкрашиванию листов зубцовой зоны, повреждению стержней обмотки и выгоранию активной стали сердечника. Вместе с тем установлено, что периодический осмотр крайних пакетов позволяет своевременно выполнять профилактические мероприятия,обес­ печивающие надлежащую плотность пакетов в процессе длительной экс­ плуатации. Поэтому актуальной проблемой является организация обслу­ живания статора, уточнение объема и периодичности осмотров и ре­ монтно-профилактических мероприятий, регламентируемых эксплуатаци­ онным циркуляром. Контроль состояния крайних пакетов сердечника не уменьшает важности исследований, связанных с выяснением механизма повреждения крайних пакетов и разработкой рекомендаций по предо­ твращению и устранению этих повреждений. Результаты подобных иссле­ дований, проводившихся применительно к турбогенераторам / 7 /, могут в значительной мере быть использованы и для гидрогенераторов.

Статические деформации статора. С ростом единичных мощностей гидрогенераторов повышается роль воздействия статических нагрузок, возникающих при сборке, нагреве статора и действии сил магнитного тяжения. Статические воздействия могут привести к ряду недопусти­ мых явленiiг. чапример к потере устойчивости пакетов-сердечника и перегреву Астаной стали, к чрезмерному изменению воздушного зазо ­

технологии сборки в условиях строящейся ГЭС, которые могут при­ вести к возникновению остаточных напряжений и деформаций в элемен­ тах статора.

У гидрогенераторов больших диаметров возникает проблема обес­ печения постоянства воздушного зазора при изменениях режиш рабо­ ты. Номинальный зазор мало зависит от размеров гидрогенератора, тогда как механические характеристики статора прямо связаны с та­ кими параметрами, как диаметр ротора, число полюсов. Напршер, с увеличением полюсного деления увеличивается толщина спинки сердеч­ ника, т .е . его тангенциальная жесткость на растяжение. При этом уменьшается влияние сил магнитного тяжения на радиальное сжатие сердечника, однако возрастает возможность более свободного тепло­

45

вого расширения статора, поскольку относительная податливость кор­

пуса и фундамента может оказаться слишком большой. Нельзя допус­ кать и чрезмерных ограничений теплового расширения статора, что­ бы не вызвать недопустимых тепловых напряжений в активной стали

статора. Существуют различные подходы к решению этой проблемы,при­ чем различие подходов во многом определяется технологией произ­ водства. За рубежом широко применяется предварительное растяжение

сердечника статора для компенсации тепловых напряжений в активной ссели гидрогенераторов, шихтуемых в кольцо на месте установки. Для статоров с посекторной сборкой такие меры не применяются.

В отечественном электромашиностроении накоплен определенный

опыт бесстыковой оборки сердечника в условиях ГЭС при перешихтовке старых машин. При этом какие-либо специальные меры по компенса­ ции статических (прежде всего тепловых) деформаций не принимались. Опыт показал, что в течение 15-17 лет такие отаторы работают нор­

мально. Однако шихтовка первых же крупных отечественных гидроге­

нераторов в условиях строящейся ГЭС показала, что возникают проб­ лемы, связанные с принятием решений по предотвращению вредного влияния статических усилий.

Разработка конструктивных, технологических и эксплуатацион­ ных мероприятий в этом направлении затруднена вследствие того,что большое число вопросов, связанных с деформационной способностью

статоров, исследовано частично. Необходимо уточнить модуль упру­ гости и коэффициент температурного расширения шихтованного сер­ дечника во всех ортогональных направлениях, определить распреде­ ление деформаций внутри сердечника, выяснить упругие характерис­ тики узлов связи сердечника и корпуса, установить оптимальные со­ отношения податливостей сердечника, корпуса, фундамента. Требу­ ется более строгая оценка соответствия конструкции и технологии сборки гидрогенераторов, например процесса шихтовки бесстыково­

го сердечника, условий затяжки отыков при посекторной сборке и др.

Таким образом, для повышения надежности эксплуатации совре­

менных высокоиспользованных гидрогенераторов необходимо сосредото­ чить усилия на решении следующих задач: уточнение динамических свойств сердечника и обмотки статора, использование комплексного оптимизационного подхода при выборе схемы обмотки и системы ее крепления; изучение физичеоких характеристик 'статора гидрогене-

46

ванного сердечника, упругие свойства узлов крепления и д р .), тео­ ретические исследования, разработка методики я экспериментальное изучение воздействия статических усилий в натурных условиях; по­ лучение достоверных данных о пределах выносливости обмоток стато­ ра, установление количественной связи между напряженным и вибраци­ онным состояниями конструктивных узлов гидрогенератора для оценки верхней границы допустимых вибраций; использование контроля вибра­ ционного и напряженного состояния статоров гидрогенераторов для оптимизации их обслуживания.

/ЦК 621.313.322

З.Т.Мануйлова, X.С.Фишман

ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕШЮСТИ КРУПНЫХ садовых ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ машин

НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Эффективность судовых электроэнергетических сиотем, гребных - электрических установок и ряда других оудовых систем в значитель­ ной мере определяется надежностью крупных судовых электрических машин (КСЭМ). Проблема обеспечения надежности КСЭМ на стадии про­ ектирования включает комплекс научно-технических и организационных задач, среди которых важное место занимает разработка и внедрение

47

(3)

является восстанавливаемым объектом и при устранении отказа ее ра­ ботоспособность восстанавливается полностью (до начального уровня). Наработка на отказ КСЭМ в сборе ориентировочно определяется на гра­ фике функции Р ( t ) при Р (Т0 ) = 0 ,6 3 .

Оценка гамма-лроцентног.) ресурса КСЭМ проводится на основе следующих критериев ее предельного состояния : необходимость за ­ мены обмотки якоря (например, по причине пробоя на корпуо или межвиткового замыкания) или предельный износ коллектора. Гамма-про­

надежности основных узлов КСЭМ постоянного тока. Щеточно-коллвк- торный узел электрической машины конструктивно объединяет токо­ съемный узел (ТУ) и коллектор (У). Щетка являетоя невоостанавлива­ емым элементом ТУ и в основном'определяет его яадежног-ь. Распре­ деление' окорости износа щеток с достаточной степенью точности опи— сын зтся нормальным распределением & ] .

- ВЕР ТУ на наработку t определяется как вероятность недостнг» жения максимально допустимого износа (уменьшения массы) всеми щет­ ками КСЭМ за наработку t

40

ловий работы (степень искрения, температура меди) и материала тру­ щихся тел (марки меди и щеток) и ю жет быть описана нормальной функцией распределения.

ВБ? коллектора определяется как вероятность недостижения пре­ дельного износа коллектора за наработку / . На стадии разработки среднее значение наработки на отказ К определяется так же как для щеток, аналогично формуле (6) .

ческий припуск, необходимый для получения заданной чистоты обра­

50