Гидрогенератор: устройство, принцип работы, диагностика и ремонт

Гидрогенератор состоит из неподвижного статора и вращающегося явнополюсного ротора. На роторе расположены полюса с обмотками возбуждения постоянного тока, которые создают магнитное поле. Гидравлическая турбина вращает ротор — магнитное поле полюсов пересекает трёхфазную обмотку статора и индуцирует в ней переменное напряжение.

Синхронная скорость определяется формулой:

n = 120f / p

где:

• n — частота вращения, об/мин;
• f — частота электрического тока, Гц;
• p — число полюсов.

Чем ниже скорость турбины, тем больше полюсов должен иметь генератор.

Термин «гидрогенератор» означает синхронный генератор, первичным двигателем которого является гидравлическая турбина. Механическую энергию для генерации создаёт поток воды, обладающий определённым напором, расходом, потенциальной и кинетической энергией. Гидравлическая турбина преобразует энергию воды в вращающий момент, а гидрогенератор преобразует этот момент в электрическую мощность.

Энергия на гидроэлектростанции преобразуется последовательно:

1. 01Вода накапливается в водохранилище или поступает из реки.
2. 02Под действием напора вода движется по водоводу.
3. 03Поток поступает к гидротурбине.
4. 04Рабочее колесо турбины начинает вращаться.
5. 05Вал турбины передаёт момент ротору генератора.
6. 06Магнитное поле ротора вращается относительно статора.
7. 07В обмотке статора индуцируется трёхфазное напряжение.
8. 08Электрическая энергия передаётся на повышающий трансформатор.
9. 09После повышения напряжения электроэнергия поступает в сеть.

Теоретическая гидравлическая мощность потока определяется приблизительно как:

Pгидр = ρgQH

Электрическая мощность агрегата: Pэл = ρgQHη

где ρ — плотность воды, g — ускорение свободного падения, Q — расход воды, H — полезный напор, η — общий КПД турбины, генератора и механической передачи. Таким образом, мощность гидроагрегата зависит от напора, расхода, КПД турбины и генератора, гидравлических потерь и режима работы.

На полюсах ротора расположена обмотка возбуждения, к которой подаётся постоянный ток от системы возбуждения. Ток создаёт магнитный поток, который проходит через полюс ротора, воздушный зазор, зубцы статора, спинку сердечника и соседний полюс. Во время вращения ротора магнитный поток периодически меняется относительно проводников обмотки статора, и в трёх фазах возникают электродвижущие силы, смещённые друг относительно друга на 120 электрических градусов.

После синхронизации с сетью:

• скорость ротора определяется частотой сети;
• активная мощность зависит от подачи воды на турбину;
• реактивная мощность зависит от тока возбуждения;
• напряжение регулируется системой возбуждения;
• частота изолированной системы регулируется турбинным регулятором.

Гидрогенераторы классифицируют по положению вала, конструкции опор, способу охлаждения, типу турбины, скорости, мощности, режиму работы, способу возбуждения, конструкции ротора и способу монтажа.

Вертикальный гидрогенератор

Вал генератора расположен вертикально — это наиболее распространённое исполнение для крупных и средних гидроэлектростанций. Преимущества: удобная компоновка над турбиной, возможность применения больших диаметров ротора, компактность машинного зала в плане, прямое соединение с вертикальной турбиной, пригодность для больших мощностей.

Основные узлы: верхняя и нижняя крестовины, подпятник, верхний и нижний направляющие подшипники, вал, ротор, статор, тормозные домкраты, система охлаждения.

Горизонтальный гидрогенератор

Вал расположен горизонтально. Такое исполнение применяется на малых ГЭС, деривационных станциях, с турбинами Френсиса небольшой мощности, с турбинами Пелтона, с капсульными и некоторыми трубными агрегатами.

Преимущества: более простая конструкция опор, более удобный доступ к подшипникам, более простой демонтаж ротора, меньшая высота машинного зала. Недостатки: ограничение диаметра, большая площадь размещения, более сложные условия для очень больших мощностей, чувствительность длинного валопровода к центровке.

Подвесной и зонтичный гидрогенератор

В подвесной конструкции подпятник расположен выше ротора; масса ротора, вала и рабочего колеса передаётся через вал, упорный диск или втулку на сегменты подпятника, верхнюю крестовину и фундаментные конструкции. Преимущества — удобный доступ к подпятнику и хорошая стабильность валопровода; недостатки — значительные нагрузки на верхнюю крестовину и большая высота агрегата.

В зонтичном исполнении подпятник расположен ниже ротора — ротор как бы «накрывает» подпятник. Возможные варианты: с верхним и нижним направляющими подшипниками, без верхнего направляющего подшипника, с подпятником на нижней крестовине или на крышке турбины. Преимущества — меньшая общая высота и снижение нагрузки на верхнюю часть конструкции; недостатки — более сложный доступ к подпятнику и высокие требования к нижней опорной системе.

Капсульный гидрогенератор

Капсульные агрегаты применяются при малых напорах, больших расходах, горизонтальном или наклонном потоке и использовании осевых турбин. Генератор располагается внутри герметичной капсулы в водяном тракте — ограниченное внутреннее пространство, сложное охлаждение, повышенные требования к герметичности, сложный доступ для ремонта и высокая ответственность уплотнений.

Двигатель-генератор ГАЭС и агрегат переменной скорости

На гидроаккумулирующей электростанции электрическая машина работает в двух режимах: как генератор во время производства электроэнергии, и как синхронный двигатель во время перекачивания воды в верхний водоём. Такую машину называют обратимым двигателем-генератором, мотор-генератором или синхронным двигателем-генератором. Она должна выдерживать частые пуски, изменение направления вращения, моторный и генераторный режимы, частые тепловые циклы и повышенные электродинамические нагрузки.

В современных ГАЭС могут применяться машины с переменной скоростью: асинхронизированный двигатель-генератор, синхронная машина с полномощным преобразователем, машина двойного питания или статический преобразователь частоты. Преимущества: регулирование мощности в насосном режиме, оптимизация КПД турбины, более быстрое регулирование сети, поддержка частоты и лучшая работа при переменном напоре.

Статор — неподвижная часть генератора, которая состоит из корпуса или рамы, сердечника, трёхфазной обмотки, пазовых клиньев, системы крепления, лобовых частей, фазных соединений, выводов, датчиков температуры и системы охлаждения. Крупный статор часто изготавливается разъёмным из нескольких секторов для транспортировки и монтажа.

Корпус воспринимает массу сердечника, электромагнитный момент, силы короткого замыкания, вибрацию, тепловое расширение и реактивные нагрузки от крепления к фундаменту. Он может быть сварным, секционным, составленным из нескольких сегментов, с упругим или жёстким креплением сердечника.

Сердечник статора и его сборка

Сердечник набирается из тонких сегментов электротехнической стали с изоляционным покрытием для ограничения вихревых токов и состоит из зубцов, пазов, спинки, вентиляционных пакетов, нажимных плит и пальцев, стяжных шпилек и замковых элементов. Из-за большого диаметра сердечник обычно собирают непосредственно на станции.

Основные операции сборки: контроль корпуса, установка направляющих и базовых элементов, укладка сегментов стали, формирование вентиляционных каналов, контроль стыков и пазовой геометрии, установка нажимных элементов, прессовка, контроль высоты пакетов, плотности и круглости, испытание активной стали. Нарушение сборки может вызвать локальный перегрев, вибрацию зубцов, ослабление пакетов, повышенные потери и повреждение обмотки.

В секционных статорах особого внимания требуют стыки между сегментами корпуса и сердечника: возможные проблемы — неравномерное магнитное сопротивление, смещение зубцов, увеличенный пазовый зазор, ослабление прессовки, локальная вибрация и нагрев.

Обмотка статора и изоляция

Обмотка статора гидрогенератора обычно трёхфазная, высоковольтная, двухслойная, стержневая или катушечная, распределённая, с укороченным или полным шагом. Для крупных машин применяют формованные стержни или катушки с термореактивной изоляцией.

Стержень состоит из элементарных медных проводников, транспозиции, витковой и главной изоляции, полупроводящего пазового покрытия, градиентного покрытия и выводных частей — преимущества: точная геометрия, контроль толщины изоляции, возможность заводского испытания, эффективное использование паза, пригодность для высокого напряжения. Катушечная обмотка (две пазовые стороны, соединённые лобовыми частями) применяется в машинах меньшей мощности и в некоторых старых гидрогенераторах.

В стержнях большого сечения элементарные проводники занимают разные положения относительно пазового поля — без транспозиции возникают неравномерные индуцированные напряжения, циркуляционные токи, добавочные потери и локальный перегрев. Транспозиция периодически меняет положение каждого проводника и выравнивает условия.

Главная изоляция должна выдерживать рабочее напряжение, импульсные перенапряжения, частичные разряды, тепловые циклы, вибрацию, электродинамические силы, влажность и старение. Типовая современная изоляционная система содержит слюдяные ленты, стеклотканевую основу, эпоксидную смолу, проводящее пазовое покрытие и полупроводящее градиентное покрытие.

Проводящее покрытие на пазовой части обеспечивает электрический контакт поверхности изоляции с заземлённым сердечником, выравнивает потенциал и предотвращает пазовые разряды. На выходе стержня из паза применяется градиентное покрытие, уменьшающее напряжённость электрического поля в торцевой зоне — дефекты этих покрытий могут вызывать поверхностные разряды, озон, эрозию, трекинг и пробой изоляции.

Пазовые клинья удерживают обмотку в пазу и могут изготавливаться из стеклотекстолита, композиционных или немагнитных материалов. Клиновая система может включать основной клин, прокладки, волнистые пружины, боковые уплотнители и подпазовые прокладки. Ослабление клиньев (из-за усадки материалов, тепловых циклов, вибрации или старения) приводит к движению стержня, истиранию пазового покрытия, частичным разрядам и повреждению главной изоляции.

Лобовые части соединяют пазовые стороны обмотки и должны выдерживать электродинамические силы короткого замыкания, вибрацию, тепловое расширение, электромагнитные силы двойной частоты и циклические нагрузки. Система крепления включает опорные кольца, дистанционные прокладки, бандажи, кронштейны, стяжки и фазные распорки.

К ответственным зонам фазных соединений и выводов относятся межкатушечные соединения, фазные перемычки, нейтральные соединения, выводные шины и кабельные наконечники — типовые дефекты: ослабление, перегрев, трещины, плохая пайка, вибрационная усталость и коронные разряды.

Ротор гидрогенератора обычно состоит из вала, втулки, крестовины (спайдера), обода, полюсов, обмоток возбуждения, демпферной обмотки, вентиляционных элементов, тормозного диска, токоподвода и контактных колец или бесщёточного возбудителя. В отличие от цельнокованого ротора турбогенератора, гидрогенератор имеет отдельные выступающие полюса.

Вал передаёт вращающий момент, осевую и радиальные нагрузки, гидравлические возмущения и переходные моменты при коротких замыканиях. Проверяют биение, прямолинейность, шейки, фланцы, болтовые отверстия, галтели, шпоночные соединения, трещины, коррозию и остаточную намагниченность.

Крестовина и обод

Крестовина, или спайдер, передаёт момент между валом и ободом и состоит из центральной втулки, радиальных спиц, обода и сварных или болтовых соединений. Она должна быть достаточно жёсткой, геометрически стабильной, сбалансированной, стойкой к усталости и способной компенсировать тепловое расширение.

Обод — массивная кольцевая конструкция, на которой закреплены полюса; он может быть составленным из сегментов, набранным из листов, собранным на шпильках или посаженным с натягом на крестовину. Функции обода: крепление полюсов, формирование магнитного пути, создание махового момента, обеспечение механической прочности и передача момента.

Полюса, обмотка возбуждения и крепление

Каждый полюс состоит из сердечника, полюсного наконечника, обмотки возбуждения, изоляции, крепёжных элементов, демпферных стержней и межполюсных соединений. Полюсный наконечник распределяет магнитный поток, формирует воздушный зазор, влияет на форму напряжения, удерживает демпферные стержни и воспринимает центробежные силы; его геометрия влияет на гармоники поля, реактивные характеристики, пульсации момента и магнитный шум.

Обмотка возбуждения может изготавливаться из медной ленты, профильной меди, изолированных витков или сборной катушки, намотанной на ребро, и должна выдерживать постоянный ток, центробежные силы, тепловое расширение, вибрацию и кратковременное форсирование. Изоляция полюсной катушки включает межвитковые прокладки, изоляцию от сердечника, торцевые и боковые прокладки, пропитывающие лаки, стеклоткань и слюдяные материалы.

Полюса крепятся к ободу с помощью Т-образных хвостов, клиньев, болтов или шпилек и должны выдерживать центробежную силу, электромагнитный момент, силы при сбросе нагрузки и максимальную разгонную скорость.

Демпферная обмотка

В полюсных наконечниках расположены проводящие стержни, соединённые на концах сегментами или кольцами. Демпферная обмотка уменьшает колебания ротора, демпфирует качания, участвует в переходных процессах, ограничивает влияние гармоник, воспринимает токи обратной последовательности и помогает во время асинхронного пуска двигателя-генератора в отдельных схемах. Повреждение (трещины стержней, обрыв межполюсных перемычек, перегрев, выплавление пайки) уменьшает демпфирование и может вызвать локальный перегрев и колебания мощности.

Воздушный зазор между полюсами ротора и статором — один из ключевых геометрических параметров. Он должен быть равномерным, достаточным для безопасной работы, минимальным в пределах расчёта и стабильным во всех режимах. Неравномерность зазора создаёт одностороннюю магнитную силу, повышенную вибрацию, неравномерный нагрев, асимметрию магнитного поля и риск трения ротора о статор.

Причины неравномерного зазора: смещение статора, эксцентриситет ротора, деформация обода, неравномерная посадка полюсов, смещение направляющих подшипников, прогиб вала, ослабление фундамента, термическая деформация или неправильная центровка.

При статическом эксцентриситете минимальный зазор остаётся примерно в одном месте статора; при динамическом эксцентриситете минимальный зазор вращается вместе с ротором — возможны и комбинированные формы. Диагностика включает измерение зазора, анализ вибрации и магнитного потока, измерение токов, контроль геометрии и медленное проворачивание ротора.

Подпятник, или упорный подшипник, — один из наиболее ответственных узлов вертикального гидроагрегата. Он воспринимает массу ротора генератора, вала, рабочего колеса, осевую гидравлическую силу турбины и динамические осевые нагрузки. Общая нагрузка может составлять сотни или тысячи тонн.

В состав подпятника могут входить упорный диск, сегменты, баббитовый слой, опорные и упругие элементы, балансирные опоры, гидравлическая система выравнивания, масляная ванна, охладители, подъёмная масляная система и датчики температуры, уровня и вибрации.

Каждый сегмент образует гидродинамический масляный клин: во время вращения диск захватывает масло в зазор между диском и сегментом, и давление масляной плёнки поддерживает нагрузку без прямого контакта металлических поверхностей. Сегмент должен иметь возможность установиться под небольшим углом для формирования клина. Применяют жёсткие, винтовые, балансирные опоры, упругие мембраны и диски или гидравлическое выравнивание — цель системы состоит в равномерном распределении нагрузки и компенсации деформации.

На низкой скорости гидродинамическая плёнка ещё не сформирована, поэтому для пуска, остановки и медленного вращения применяют систему масла высокого давления (подъёмное масло), которое подаётся под сегменты, поднимает упорный диск, уменьшает сухое трение и защищает баббит.

Неисправности подпятника: перегрев сегмента, неравномерная нагрузка, разрушение баббита, недостаточный зазор, загрязнение масла, низкая вязкость, отказ подъёмного масла, нарушение охлаждения, перекос диска, ослабление опоры и кавитация масляной плёнки.

Направляющие подшипники

Направляющий подшипник удерживает вал в радиальном направлении. В вертикальном агрегате могут быть верхний генераторный подшипник, нижний генераторный подшипник и турбинный направляющий подшипник, каждый со своими сегментами или цельным вкладышем, баббитовым слоем, опорными винтами, масляной ванной, уплотнениями, охладителем и датчиками. В некоторых малых или специальных агрегатах применяют водосмазываемые подшипники, полимерные вкладыши или резиновые сегменты с иными требованиями к качеству воды, зазору и абразивному загрязнению.

После отключения от сети крупный ротор долго вращается по инерции. Для сокращения времени остановки применяют механические тормоза — тормозные колодки или башмаки прижимаются к тормозному диску ротора. Тормоза могут также использоваться как домкраты для подъёма ротора, разгрузки подпятника, технического обслуживания и регулировки сегментов.

Неисправности тормозов: неравномерный контакт, загрязнение маслом, износ накладок, заклинивание, неисправность пневматики, перегрев диска, неполное растормаживание и неравномерный подъём ротора. Не полностью отведённая колодка может вызвать нагрев, пыль, вибрацию, пожар и повреждение тормозного диска.

Обмотка ротора питается постоянным током. Основные типы: электромашинная система возбуждения, бесщёточная система, статическая тиристорная система и комбинированная система.

Традиционная электромашинная система может включать возбудитель постоянного тока, вспомогательный возбудитель, контактные кольца, регулятор и коммутационный аппарат. Недостатки: износ коллектора, щёточная пыль, потребность в регулярном обслуживании, более низкое быстродействие.

Бесщёточная система включает возбудитель переменного тока, вращающийся выпрямительный мост, вспомогательный возбудитель и автоматический регулятор напряжения. Преимущества: отсутствие силового щёточного контакта, меньше обслуживания, более чистая зона генератора. Недостатки: более сложная диагностика вращающихся диодов, более сложный доступ к цепи ротора, ограниченные возможности прямого измерения тока витков.

Статический тиристорный преобразователь питает ротор через контактные кольца. Преимущества: высокое быстродействие, быстрое форсирование, точное регулирование, эффективное гашение поля, поддержка устойчивости сети. Недостатки: щёточный аппарат, износ колец, потребность в контроле распределения тока между щётками.

Автоматический регулятор напряжения (АРН) регулирует ток возбуждения для поддержания напряжения, регулирования реактивной мощности и коэффициента мощности, форсирования возбуждения, ограничения тока ротора и статора, стабилизации энергосистемы и гашения колебаний.

Гидрогенераторы преимущественно охлаждаются воздухом. Возможные системы: открытая вентиляция, замкнутая воздушная система, воздушно-водяные теплообменники, непосредственное водяное охлаждение обмотки и комбинированное охлаждение.

В замкнутой вентиляции воздух циркулирует внутри генератора, а нагретый воздух проходит через воздухоохладители, где отдаёт тепло воде. Преимущества: меньше загрязнения, контролируемая температура, ограничение попадания влажности и стабильные условия для изоляции.

В состав воздухоохладителей входят трубные пучки, водяные камеры, коллекторы, уплотнения, дренаж и датчики температуры. Типовые дефекты: загрязнение, коррозия, утечка воды, засорение трубок, недостаточный расход и воздушные пробки.

Утечка воды из охладителя может попасть на обмотку статора, сердечник, ротор, в подшипниковые системы или на изоляцию выводов, вызывая снижение сопротивления изоляции, коррозию, частичные разряды, замыкание на корпус и аварийное отключение.

Воздух в роторе перемещается с помощью лопаток ротора, вентиляторов, радиальных и осевых каналов, вентиляционных окон в полюсах и каналов в ободе. Нарушение вентиляции может быть вызвано загрязнением, перекрытием каналов, повреждением лопаток или неправильной установкой полюсов.

Полная мощность: S = √3UI. Активная мощность: P = √3UI cos φ. Реактивная мощность: Q = √3UI sin φ.

Активная мощность регулируется открытием направляющего аппарата, расходом воды, углом лопастей рабочего колеса (в поворотно-лопастных турбинах) и режимом турбинного регулятора. Реактивная мощность регулируется током возбуждения.

Некоторые гидрогенераторы могут работать без активной выработки электроэнергии как синхронные компенсаторы — рабочее колесо турбины разгружают от воды, например вытеснением воды сжатым воздухом или закрытием направляющего аппарата. В таком режиме машина потребляет небольшую активную мощность, вырабатывает или потребляет реактивную мощность, поддерживает напряжение, повышает инерцию сети и обеспечивает мощность короткого замыкания.

Генератор испытывает нагрузки, возникающие в турбине: пульсации давления, гидравлический дисбаланс, кавитацию, вихревые жгуты, нестабильную работу направляющего аппарата, неравномерный поток, осевые и радиальные силы и гидравлические удары. Вибрация генератора не всегда имеет электрическую или механическую причину — источник может находиться в проточной части турбины.

Кавитация возникает, когда локальное давление воды снижается до давления насыщенного пара: образуются парогазовые пузырьки, которые разрушаются в зоне более высокого давления, вызывая эрозию, шум, вибрацию, снижение КПД и пульсации момента. Эти колебания через вал передаются на генератор и могут влиять на подшипники, крепления, воздушный зазор и вибрацию статора.

В турбинах Френсиса при работе вне оптимальной точки в конусе отсасывающей трубы может возникать неустойчивая вихревая структура (вихревой жгут), создающая низкочастотные пульсации давления, колебания мощности, вибрацию вала и нестабильность агрегата.

Современные ГЭС часто работают в манёвренном режиме для балансирования энергосистемы. Частые пуски создают тепловые циклы статора и ротора, циклические силы в лобовых частях, износ тормозов, нагрузку на подпятник, механическую усталость соединений, изменения натяга обода и старение изоляции. Число пусков должно учитываться при оценке ресурса так же, как наработка в часах.

При внезапном отключении генератора от сети электромагнитный момент резко исчезает, турбина продолжает получать энергию воды, скорость начинает расти, регулятор закрывает направляющий аппарат, и агрегат проходит переходный процесс — возможные последствия: разгон до повышенной скорости, осевые и радиальные колебания, гидравлический удар и нагрузка на полюса и обод.

Ток обратной последовательности при несимметричной нагрузке создаёт поле, которое вращается относительно ротора с высокой относительной скоростью и индуцирует токи в демпферных стержнях, полюсных наконечниках, ободе и креплениях, вызывая перегрев, трещины и повреждение демпферной системы.

При потере возбуждения генератор может потреблять реактивную мощность, терять синхронизм, переходить в асинхронный режим, перегревать ротор и перегружать демпферную обмотку. Причины: обрыв цепи ротора, отказ преобразователя, неисправность щёток, обрыв межполюсного соединения, повреждение вращающихся диодов или ошибка АРН.

Если приток воды или момент турбины недостаточен, но генератор остаётся подключённым к сети, он может перейти в двигательный режим — сеть начинает вращать агрегат. Для некоторых режимов это допустимо кратковременно, но бесконтрольная моторизация может привести к повреждению турбины, перегреву, опасному гидравлическому режиму и кавитации.

Неисправности статора

Старение изоляции, пазовые и поверхностные частичные разряды, ослабление клиньев, движение стержней, повреждение лобовых частей, ослабление фазных соединений, межвитковое и межфазное замыкание, замыкание на корпус, локальный перегрев, загрязнение и увлажнение — могут возникать во внутренних полостях изоляции, между слоями, в зоне отслоения от меди, в пазовом зазоре или на поверхности лобовой части. Признаки: белый порошок, озон, характерный запах, поверхностная эрозия, почернение и трекинг.

Типовые дефекты сердечника: межлистовое замыкание, ослабление прессовки, вибрация пакетов, повреждение зубцов, следы трения ротора, оплавление, коррозия и повреждение нажимных пальцев. Межлистовое замыкание создаёт контур вихревого тока и может вызвать интенсивный локальный нагрев.

Неисправности ротора

Межвитковое замыкание полюсной катушки, замыкание катушки на полюс, обрыв межполюсного соединения, ослабление полюса, повреждение крепёжных клиньев, деформация обода, ослабление стыков обода, трещина крестовины, смещение полюса, повреждение демпферных стержней и загрязнение вентиляционных каналов.

Межвитковое замыкание полюсной катушки уменьшает магнитодвижущую силу полюса, создаёт асимметрию магнитного поля, неравномерный нагрев, увеличение вибрации и изменение тока возбуждения.

Одно замыкание цепи возбуждения на корпус не всегда создаёт большой ток, однако второе замыкание может закоротить часть полюсов или витков и вызвать магнитную асимметрию, локальный перегрев, вибрацию и дуговое повреждение.

Ослабление полюса (из-за недостаточной затяжки, износа клиньев, фреттинга, деформации обода, частых разгонов) проявляется металлической пылью, изменением зазора, повышенной вибрацией и локальным нагревом.

Обод может терять круглость из-за ослабления стыков, тепловых циклов, недостаточного натяга, смещения пакетов или разгонных режимов — последствия: неравномерный воздушный зазор, вибрация, смещение полюсов, дисбаланс, односторонняя магнитная сила и риск трения.

Критические зоны для трещин крестовины: сварные швы, переходы спиц, зона втулки, места крепления к ободу и концентрации напряжений; причины — усталость, термические циклы, вибрация, дефекты сварки, аварийные моменты и разгонные режимы.

Вибрация и напряжение на валу

Источники вибрации гидрогенератора могут быть механическими, электромагнитными, гидравлическими, структурными или тепловыми. Типовые причины: дисбаланс, несоосность, неравномерный воздушный зазор, деформация обода, смещение полюса, дефект подшипника, гидравлический дисбаланс, кавитация, вихревой жгут, ослабление статора, резонанс, короткозамкнутый полюс и трещина крестовины.

Магнитное поле создаёт радиальные силы, действующие на зубцы и спинку сердечника — основные составляющие вибрации могут быть связаны с удвоенной частотой сети, пазовыми гармониками, числом полюсов, неравномерным зазором и магнитной асимметрией.

Напряжения на валу (из-за магнитной несимметрии, неравномерного зазора, остаточной намагниченности, асимметрии полюсов или статического заряда) могут вызывать ток через подшипник, приводящий к точечной эрозии, подгару баббита, повреждению поверхности и разрушению масляной плёнки. Для ограничения тока применяют изоляцию подшипника, заземляющую щётку вала и контроль напряжения на валу.

Комплексная диагностика включает анализ истории эксплуатации, визуальный осмотр, электрические испытания, диагностику сердечника, контроль пазовых клиньев, измерение частичных разрядов, диагностику ротора, проверку полюсов, контроль воздушного зазора, вибрационный анализ, контроль подпятника, анализ масла, проверку охлаждения, контроль системы возбуждения и функциональную проверку защит.

Необходимо собрать наработку в часах, число пусков и сбросов нагрузки, случаи разгона, работу при несимметрии, перегрузки, максимальные температуры, тренды вибрации, данные воздушного зазора, историю частичных разрядов, состояние подпятника, ремонты полюсов и предыдущие дефекты сердечника.

Визуальный осмотр

Для статора проверяют чистоту, влажность, следы воды, пазовые клинья, поверхность стержней, коронозащиту, лобовые части, фазные соединения, сердечник и воздухоохладители. Для ротора — полюсные катушки, изоляцию, межполюсные соединения, крепление полюсов, демпферные стержни, обод, стыки обода, крестовину, сварные швы, балансировочные грузы и контактные кольца.

Электрические испытания

Сопротивление изоляции измеряют для обмотки статора относительно корпуса, отдельных фаз, обмотки ротора, системы возбуждения и подшипниковой изоляции с учётом температуры, влажности и предыдущих результатов. Индекс поляризации помогает оценивать загрязнение, влажность и абсорбционные процессы, однако высокое значение само по себе не исключает локального дефекта.

Активное сопротивление измеряют для фазных обмоток статора, полюсных катушек, цепей ротора и межполюсных соединений, сравнивая фазы и полюса между собой и с паспортными значениями — отклонение может свидетельствовать о плохом контакте, обрыве, короткозамкнутых витках или дефекте пайки.

Испытание повышенным напряжением подтверждает электрическую прочность изоляции (переменное напряжение промышленной частоты, резонансное испытание или постоянное напряжение по предусмотренным методикам). Измерение tan δ позволяет оценивать состояние главной изоляции, расслоение, влажность, загрязнение и полости.

Частичные разряды диагностируют офлайн, онлайн, периодически или непрерывно, оценивая амплитуду, фазовую картину, форму импульсов, полярность, зависимость от активной и реактивной мощности и тренд. Одного числового уровня недостаточно для вывода о состоянии обмотки.

Контроль пазовых клиньев, сердечника и воздушного зазора

Пазовые клинья проверяют простукиванием, механической проверкой, автоматизированным картированием, электромагнитными системами и измерением перемещения. Сердечник диагностируют кольцевым намагничиванием, тепловизионным контролем, низкопоточной электромагнитной диагностикой, методами EL CID или аналогичными и локальными измерениями.

При кольцевом испытании временная обмотка создаёт магнитный поток в сердечнике, и во время испытания контролируют температуру — локальный перегрев может указывать на межлистовое замыкание. Воздушный зазор измеряют в неподвижном состоянии, при медленном проворачивании и во время различных тепловых состояний, анализируя среднее значение, минимум, максимум, овальность и изменение при вращении, нагрузке и температуре.

Диагностика полюсных катушек и демпферной обмотки

Для полюсных катушек применяют измерение сопротивления, падения напряжения, импульсные испытания, испытание на корпус, тепловизию и контроль межвитковой изоляции. Через последовательную цепь полюсов пропускают контрольный ток и измеряют падение напряжения на каждой катушке — отклонение может указывать на короткозамкнутые витки, плохой контакт или дефект межполюсного соединения.

При импульсном испытании полюсной катушки сравнивают реакцию катушек на импульсный сигнал — короткозамкнутый виток меняет индуктивность, затухание, частоту колебаний и форму импульса. Демпферную обмотку контролируют визуальным осмотром, капиллярным контролем, измерением сопротивления, ультразвуковым контролем соединений и тепловизией.

Неразрушающий контроль ротора может включать ультразвуковой контроль вала, магнитопорошковый и капиллярный контроль, ультразвуковой контроль сварных швов, контроль болтов, полюсных хвостов, обода и крестовины.

Вибрационная диагностика и подпятник

Контролируют вибрацию подшипников, перемещение вала, орбиту, фазу, спектр, осевое положение, пульсации зазора, вибрацию сердечника и крестовин и зависимость от нагрузки и возбуждения.

Два взаимно перпендикулярных датчика перемещения позволяют построить орбиту центра вала — форма орбиты помогает выявлять дисбаланс, несоосность, трение, нестабильность масляной плёнки и гидравлическое возмущение. Во время разгона и выбега записывают скорость, амплитуду, фазу, орбиту, зазор, температуру подшипников, момент включения возбуждения и момент синхронизации — это позволяет отделить механические дефекты, электромагнитные воздействия, гидравлические возмущения и структурные резонансы.

Контроль подпятника включает температуру каждого сегмента, температуру и уровень масла, давление подъёмной системы, состояние баббита, толщину масляной плёнки, осевое положение, нагрузку сегментов и анализ масла (вязкость, кислотное число, содержание воды, механические примеси, продукты износа) — наличие баббита, стали или бронзы в пробе может указывать на повреждение подшипника.

Тепловизор применяется для контроля фазных соединений, контактных колец, щёток, полюсных катушек, подшипников, охладителей, токовыводов и соединений системы возбуждения — температуры нужно сравнивать при одинаковой нагрузке и схожих условиях охлаждения.

• дифференциальная защита статора, поперечная дифференциальная защита;
• защита от замыкания на землю статора, стопроцентная защита обмотки статора;
• защита ротора от замыкания на землю;
• защита от потери возбуждения и от асинхронного режима;
• защита от обратной мощности;
• защита от токов обратной последовательности;
• защита от перегрузки, перенапряжения и снижения напряжения;
• защита от повышения или понижения частоты;
• защита от перевозбуждения;
• защита от несинхронного включения;
• защита от превышения скорости;
• контроль температуры и вибрации;
• защита подпятника, контроль охлаждения.

Разгон (превышение скорости) может быть вызван сбросом нагрузки, неисправностью направляющего аппарата, отказом регулятора, ошибкой управления или заклиниванием сервопривода. Защита может включать электрический датчик скорости, механическое устройство, резервный независимый канал, аварийное закрытие турбины и аварийный затвор.

Объём планового ремонта зависит от мощности, конструкции, наработки, числа пусков, режима ГЭС или ГАЭС, состояния изоляции, результатов вибрационного мониторинга, состояния подпятника и ротора, рекомендаций производителя и истории дефектов. Ремонт может выполняться без выемки ротора, с подъёмом ротора, с полным демонтажем ротора, с демонтажем полюсов, заменой отдельных катушек, перемоткой статора или реконструкцией сердечника, обода либо крестовины.

1. 01Анализируют документацию.
2. 02Фиксируют эксплуатационные параметры.
3. 03Отключают генератор и гасят поле.
4. 04Заземляют электрические цепи.
5. 05Блокируют подачу воды и закрывают затворы.
6. 06Обеспечивают защиту от случайного пуска.
7. 07Сливают или изолируют масло.
8. 08Устанавливают механические стопоры.
9. 09Маркируют кабели и трубопроводы.
10. 10Выполняют измерения до разборки.
11. 11Проверяют грузоподъёмные средства.
12. 12Готовят место для ротора и разрабатывают технологическую карту.

Крупный вертикальный ротор поднимается мостовым краном. Перед подъёмом необходимо отсоединить токоподводы и вал, проверить центр тяжести, установить траверсу, проверить грузоподъёмность и обеспечить синхронный подъём, не допуская перекоса, удара полюсов о статор, нагрузки на изоляцию или контакта с лобовыми частями.

Полюса часто демонтируют для ремонта обмотки статора, проверки креплений, ремонта катушек, уменьшения массы ротора, балансировки или реконструкции обода. Перед демонтажем необходимо зафиксировать номер полюса, положение, полярность, сопротивление катушки, зазоры, балансировочные грузы и состояние крепления — полюса нельзя переставлять произвольно без повторного контроля магнитной и механической симметрии.

Ремонт сердечника и обмотки статора

Ремонт сердечника может включать очистку, подтяжку прессовки, ремонт нажимных пальцев, разделение замкнутых листов, восстановление межлистовой изоляции, ремонт зубцов, установку локальных вставок, перепаковку участка или полную замену сердечника. После ремонта выполняется повторное электромагнитное испытание.

Ремонт обмотки статора может включать очистку, сушку, восстановление пазового и градиентного покрытия, переклиновку, ремонт бандажей и фазного соединения, локальное восстановление изоляции, замену катушки, стержня, группы катушек или полную перемотку.

Замена стержня или катушки: маркировка, демонтаж крепления, распайка или разъединение, удаление пазовых клиньев, извлечение элемента, осмотр паза, ремонт сердечника, контроль нового элемента, укладка, восстановление подклинивания, выполнение соединений, восстановление коронозащиты, крепление лобовых частей, электрические испытания.

Полная перемотка статора требуется при системном старении, большом количестве дефектов, аварийном повреждении, недостаточном остаточном ресурсе, модернизации мощности или повышении напряжения. Во время реконструкции могут модернизироваться изоляционная система, транспозиция, пазовая геометрия, схема обмотки, крепление лобовых частей, клиновая система и коронозащита.

Ремонт полюсных катушек и изготовление новой катушки

Ремонт полюсных катушек может включать очистку, сушку, восстановление межвитковой изоляции, ремонт выводов, перепайку соединений, восстановление прижимных элементов, замену прокладок, перемотку катушки, пропитку, формование и электрические испытания.

Изготовление новой полюсной катушки: измерение старой катушки, определение марки и сечения меди, фиксация числа витков, изготовление шаблона, намотка, укладка межвитковой изоляции, формирование геометрии, прессовка, пропитка или запекание, механическая обработка, контроль размеров, измерение сопротивления, испытание межвитковой изоляции и испытание на корпус. Новая катушка должна соответствовать другим полюсам по числу витков, сопротивлению, массе, геометрии и тепловым характеристикам.

Ремонт обода, крестовины и демпферной системы

Ремонт обода может включать подтяжку стяжных шпилек, ремонт стыков, замену повреждённых сегментов, восстановление круглости и натяга, устранение ослабления и балансировку. Изменение натяга обода должно выполняться на основании расчёта и документации производителя.

Ремонт крестовины может включать дефектацию сварных швов, удаление трещины, ремонтную сварку, термообработку, упрочнение, замену элементов и контроль геометрии и жёсткости. Ремонт сварной крестовины без инженерного анализа может изменить распределение напряжений, жёсткость, собственные частоты и ресурс конструкции.

Ремонт демпферной системы может включать замену стержней, восстановление пайки, замену межполюсных перемычек, ремонт короткозамыкающих сегментов и проверку сопротивления и трещин.

Ремонт подпятника и перезаливка баббита

Ремонт подпятника может включать демонтаж сегментов, осмотр баббита, капиллярный и ультразвуковой контроль сцепления, перезаливку баббита, механическую обработку, шабрение, регулировку опор, восстановление масляных каналов и ремонт подъёмной системы.

Перезаливка баббита: удаление старого баббита, очистка основы, контроль трещин, подготовка поверхности, лужение, заливка нового сплава, контроль сцепления, механическая обработка, формирование масляных канавок, шабрение, контроль геометрии и неразрушающий контроль.

Центровка гидроагрегата

Центровка включает не только совмещение геометрических осей — нужно согласовать ось статора, ротора, направляющих подшипников, подпятника, турбины, положение рабочего колеса, уплотнений, воздушный зазор и гидравлические зазоры.

Для измерения вертикальности вала применяют механические струны, лазерные системы, высокоточные уровни, индикаторы и оптические приборы, проверяя положение в разных углах поворота, биение фланцев, смещение шеек, наклон и форму орбиты при медленном вращении.

Дисбаланс ротора может быть вызван различной массой полюсов или катушек, перестановкой полюсов, ремонтной сваркой, изменением обода, отсутствием груза или деформацией. Балансировка может включать статическую балансировку, низкоскоростную балансировку, балансировку на рабочей скорости, пробные грузы и векторный анализ амплитуды и фазы.

Комплекс испытаний может включать сопротивление изоляции, индекс поляризации, активное сопротивление фаз и полюсов, tan δ, частичные разряды, испытание повышенным напряжением и импульсные испытания, проверку сердечника, пазовых клиньев и воздушного зазора, проверку полюсов и демпферной системы, контроль изоляции подшипников, проверку системы возбуждения, тормозов, подъёмного масла и подпятника, проверку охлаждения, функциональную проверку защит, пусковые испытания, анализ вибрации и проверку под нагрузкой.

Перед первым пуском проверяют завершение монтажа, отсутствие посторонних предметов, зазоры, крепление полюсов и статора, сопротивление изоляции, заземление, масляную систему, подъёмное масло, охлаждение, тормоза, направляющие подшипники, подпятник, возбуждение, защиты, регулятор турбины, аварийные затворы, систему синхронизации, направление вращения и каналы вибрационного контроля.

Во время пуска контролируют давление подъёмного масла, момент отрыва диска, работу тормозов, температуру сегментов и направляющих подшипников, вибрацию, осевое положение, воздушный зазор, ток возбуждения, напряжение, частоту, разгон, работу регулятора, синхронизацию и изменение параметров при нагрузке.

1. 01Разборка без фиксации воздушного зазора.
2. 02Отсутствие маркировки полюсов.
3. 03Перестановка полюсов без балансировки.
4. 04Игнорирование массы полюсных катушек.
5. 05Ремонт статора без проверки сердечника.
6. 06Неконтролируемая переклиновка.
7. 07Использование случайного коронозащитного материала.
8. 08Чрезмерно жёсткое крепление лобовых частей.
9. 09Недостаточная очистка перед испытанием.
10. 10Повреждение стержня при извлечении.
11. 11Неправильный ремонт межполюсных соединений.
12. 12Отсутствие контроля демпферных стержней.
13. 13Ремонт трещины крестовины без расчёта.
14. 14Изменение натяга обода без инженерного обоснования.
15. 15Неправильная центровка.
16. 16Неравномерное регулирование сегментов подпятника.
17. 17Пуск без подъёмного масла.
18. 18Работа с невыведенным тормозом.
19. 19Оценка изоляции только мегомметром.
20. 20Игнорирование тренда частичных разрядов.
21. 21Пуск без проверки защиты от разгона.
22. 22Игнорирование гидравлического источника вибрации.
23. 23Балансировка без фазового анализа.
24. 24Отсутствие контроля воздушного зазора после монтажа.
25. 25Неправильное заземление вала.

Чего нельзя делать:

• поднимать ротор без рассчитанной траверсы;
• оставлять агрегат без защиты от случайного пуска;
• демонтировать полюса без маркировки;
• менять положение балансировочных грузов без фиксации;
• работать с ослабленным полюсом;
• эксплуатировать машину с критически малым воздушным зазором;
• запускать агрегат без подъёмного масла, если оно предусмотрено;
• допускать трение тормозных колодок во время работы;
• шунтировать защиту подпятника;
• игнорировать перегрев одного сегмента;
• менять конструкцию крепления лобовых частей без расчёта;
• ремонтировать сердечник без повторного испытания;
• выполнять сварку крестовины без технологического процесса;
• доводить агрегат до разгонной скорости без специальной программы испытаний;
• продолжать работу при быстром росте вибрации;
• делать вывод о состоянии обмотки по одному показателю.

После ремонта возросла вибрация на частоте вращения

Возможные причины: полюса установлены не на свои места, изменены балансировочные грузы, катушка имеет другую массу, ротор установлен с эксцентриситетом, смещён направляющий подшипник или изменена геометрия обода. Проверяют амплитуду, фазу, воздушный зазор, массу полюсов, положение грузов, центровку и орбиту вала.

Вибрация растёт только после подачи возбуждения

Вероятные причины: короткозамкнутые витки полюса, неправильное число витков, обратная полярность полюса, неравномерный зазор, дефект межполюсного соединения или магнитная асимметрия сердечника.

Один сегмент подпятника перегревается

Возможные причины: неравномерная нагрузка, неправильная регулировка опоры, загрязнение масляного канала, дефект баббита, деформация упорного диска или недостаточная подача масла. Недопустимо оценивать состояние только по средней температуре масла.

Высокий уровень частичных разрядов после переклиновки

Проверяют плотность прилегания стержня, повреждение пазового покрытия, контакт с сердечником, градиентную зону, чистоту, неправильные материалы прокладок и заземление измерительной системы.

После сброса нагрузки изменился воздушный зазор

Возможные причины: перемещение полюса, деформация обода, ослабление крепления, смещение направляющего подшипника или механическая деформация ротора. Требуется полная геометрическая проверка до следующего пуска.

1. 01Вести тренды вибрации.
2. 02Контролировать воздушный зазор.
3. 03Анализировать число пусков.
4. 04Фиксировать все сбросы нагрузки.
5. 05Контролировать температуру каждого сегмента подпятника.
6. 06Проводить регулярный анализ масла.
7. 07Проверять изоляцию подшипников.
8. 08Контролировать ток обратной последовательности.
9. 09Отслеживать частичные разряды.
10. 10Контролировать затяжку и состояние полюсов.
11. 11Проверять демпферную обмотку.
12. 12Сравнивать сопротивление полюсных катушек.
13. 13Контролировать работу тормозов.
14. 14Проверять систему подъёмного масла.
15. 15Оценивать гидравлические источники вибрации.
16. 16Хранить геометрические карты агрегата.
17. 17Не менять положение полюсов без документирования.
18. 18Проверять защиту от разгона.
19. 19Проводить комплексные испытания после ремонта.
20. 20Хранить полный ремонтный отчёт.

• производитель, тип, заводской номер, год изготовления;
• мощность, напряжение, ток, частота, скорость, число полюсов;
• тип турбины, исполнение агрегата, тип подпятника, число направляющих подшипников;
• тип возбуждения, тип охлаждения, наработка, число пусков, причина ремонта;
• результаты входной диагностики, карта воздушного зазора;
• состояние статора, сердечника, обмотки, ротора, полюсов, демпферной системы, обода, крестовины, вала, подпятника и направляющих подшипников;
• объём ремонта, использованные материалы;
• результаты электрических испытаний и неразрушающего контроля;
• балансировка, центровка, температуры, вибрация;
• результаты пуска и рекомендации.

• Синхронные электродвигатели: устройство и принцип работы
• Как устроен турбогенератор?
• Что такое частичные разряды в генераторах?
• Как диагностируют сердечник статора?
• Как ремонтируют полюсные катушки?
• Как выполняется балансировка ротора?
• Что такое подпятник и как его ремонтируют?Скоро
• Как устроено бесщёточное возбуждение?
• Как диагностируют воздушный зазор?
• Как ремонтируют направляющие подшипники?Скоро

ООО ВКФ «Электропромремонт» выполняет диагностику, ремонт, восстановление и изготовление узлов синхронных генераторов и гидрогенераторов в рамках собственных технологических возможностей, технической документации и согласованного объёма работ.

В состав работ могут входить:

• техническая дефектация, анализ причин повреждения, разборка генератора, очистка активных частей;
• осмотр статора и ротора, диагностика сердечника, проверка пазовых клиньев;
• контроль обмотки статора: сопротивление изоляции, индекс поляризации, активное сопротивление, tan δ, частичные разряды, повышенное напряжение;
• контроль фазных соединений, ремонт коронозащиты и пазового покрытия, переклиновка статора;
• ремонт лобовых частей, восстановление бандажей, ремонт межкатушечных соединений и выводов;
• изготовление стержней и катушек, замена отдельных стержней или катушек, полная перемотка статора;
• ремонт полюсных катушек, изготовление новых катушек возбуждения, восстановление межвитковой изоляции;
• ремонт межполюсных соединений, проверка и ремонт демпферной обмотки и демпферных стержней;
• ремонт полюсных креплений, восстановление токопроводов ротора, ремонт контактных колец;
• проверка воздушного зазора, геометрический контроль ротора, контроль обода и дефектация крестовины;
• неразрушающий контроль вала, восстановление посадочных поверхностей, ремонт шеек валов;
• ремонт направляющих подшипников и подпятников, перезаливка баббита, шабрение сегментов;
• ремонт тормозной системы и воздухоохладителей;
• динамическая балансировка, вибрационная диагностика, центровка, стендовые испытания, оформление технических протоколов.

Объём ремонта конкретного гидрогенератора определяется после анализа типа агрегата, мощности, конструкции, положения вала, габаритов, массы ротора, способа монтажа, технической документации, характера повреждения и требований производителя и заказчика.

Гидрогенератор — это крупная тихоходная синхронная машина, которая работает в тесной взаимосвязи с гидравлической турбиной, валопроводом, подпятником, направляющими подшипниками и системой регулирования.

Ключевые особенности гидрогенератора:

1. 01Низкая скорость и большое число полюсов.
2. 02Большой диаметр ротора.
3. 03Высокая осевая нагрузка.
4. 04Наличие сложного подпятника.
5. 05Высокая чувствительность к воздушному зазору.
6. 06Взаимное влияние турбины и генератора.
7. 07Опасность разгонной скорости.
8. 08Значительные нагрузки при частых пусках.
9. 09Необходимость контроля полюсных креплений.
10. 10Высокая стоимость аварии и простоя.

Качественный ремонт должен включать:

• анализ эксплуатационной истории и фиксацию исходной геометрии;
• полную дефектацию, проверку статора и сердечника, диагностику ротора;
• контроль полюсов, обода и крестовины, диагностику подпятника;
• контроль воздушного зазора, неразрушающий контроль, центровку и балансировку;
• электрические испытания, функциональную проверку защит;
• контролируемый пуск, анализ вибрации под нагрузкой и оформление технического отчёта.

Отказ от ответственности

Статья носит общий информационный характер и не является инструкцией по эксплуатации, монтажу или ремонту конкретного гидрогенератора. Технология разборки, подъёма ротора, демонтажа полюсов, ремонта обмотки, регулировки подпятника, центровки, балансировки и испытания должна определяться на основании документации производителя, чертежей, формуляра агрегата, результатов дефектации, применимых стандартов, инструкций ГЭС или ГАЭС, расчётов и требований промышленной безопасности.

Особую опасность представляют высокое напряжение, большая масса ротора, значительная осевая нагрузка, накопленная энергия вращающихся частей, давление воды, масло под давлением, подъёмное оборудование, тормозная система, подъём ротора домкратами, разгон агрегата и испытание повышенным напряжением.

Без специализированной организации, квалифицированного персонала и согласованной технологии не допускается поднимать ротор, демонтировать полюса, менять натяг обода, ремонтировать крестовину, регулировать подпятник, перемещать направляющие подшипники, менять воздушный зазор, ремонтировать высоковольтную обмотку, выполнять высоковольтные или разгонные испытания либо запускать агрегат после ремонта.

Фактический объём и допустимость работ ООО ВКФ «Электропромремонт» в отношении конкретного гидрогенератора определяются после получения технической документации, данных о конструкции, мощности, габаритах, массе, повреждениях и требованиях к испытаниям.