Турбогенератор: устройство, охлаждение, диагностика и ремонт

Турбогенератор состоит из неподвижного статора и быстроходного ротора. В роторе размещена обмотка возбуждения постоянного тока, которая создаёт магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. В пазах сердечника статора размещена трёхфазная обмотка — вращающееся магнитное поле пересекает её проводники и индуцирует трёхфазную электродвижущую силу.

Синхронная скорость:

n = 120f / p

где:

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

Мощность турбогенератора регулируется двумя основными действиями: подачей пара или газа на турбину регулируют активную мощность, а током возбуждения — реактивную мощность и напряжение.

Название «турбогенератор» указывает не на отдельный электромагнитный принцип, а на тип первичного двигателя и конструктивное исполнение генератора — это синхронный генератор, рассчитанный на совместную работу с паровой или газовой турбиной.

По сравнению с гидрогенератором он имеет:

• значительно более высокую скорость;
• меньшее число полюсов;
• цилиндрический неявнополюсный ротор;
• меньший диаметр ротора и большую осевую длину;
• иную систему вентиляции;
• более высокие механические напряжения;
• специальные бандажные кольца;
• более сложную систему уплотнения вала в водородных машинах.

В паротурбинном блоке преобразование происходит последовательно:

1. 01Химическая или ядерная энергия преобразуется в тепло.
2. 02Тепло создаёт пар высокого давления.
3. 03Пар расширяется в турбине.
4. 04Турбина создаёт механический момент на валу.
5. 05Ротор турбогенератора вращается.
6. 06Магнитное поле ротора индуцирует напряжение в обмотке статора.
7. 07Электрическая энергия передаётся через трансформатор в сеть.

В газотурбинной установке механическую энергию создают горячие газы, расширяющиеся в газовой турбине.

Ротор турбогенератора имеет обмотку возбуждения, к которой подводится постоянный ток и которая создаёт магнитное поле с северным и южным полюсами. Во время вращения ротора магнитный поток меняет своё положение относительно пазов статора, и в трёхфазной обмотке статора индуцируются три синусоидальные ЭДС, смещённые друг относительно друга на 120 электрических градусов.

После синхронизации генератора с сетью:

• скорость ротора жёстко связана с частотой сети;
• активная мощность зависит от механического момента турбины;
• реактивная мощность зависит преимущественно от возбуждения;
• угол между полем ротора и результирующим полем статора меняется с нагрузкой.

Магнитное поле ротора вращается с механической скоростью ротора, а магнитное поле токов статора — с синхронной скоростью. В установившемся режиме эти поля вращаются с одинаковой скоростью, поэтому ротор не имеет скольжения относительно основного вращающегося поля, как у асинхронного двигателя.

К паспортным параметрам турбогенератора относятся:

• номинальная полная мощность, МВА; активная мощность, МВт;
• номинальное напряжение, кВ; ток статора, А; частота, Гц; частота вращения, об/мин;
• коэффициент мощности; ток и напряжение возбуждения; КПД;
• тип охлаждения; давление водорода; расход охлаждающей воды;
• класс изоляции; допустимые температуры; схема соединения обмотки статора;
• число фаз и полюсов; критическая скорость; допустимый уровень вибрации; масса статора и ротора.

Полная мощность трёхфазного генератора:

S = √3UI

Активная мощность: P = √3UI cos φ

Реактивная мощность: Q = √3UI sin φ

Связь между мощностями: S² = P² + Q²

где U — линейное напряжение, I — линейный ток, cos φ — коэффициент мощности. Турбина определяет, сколько активной мощности поступает в сеть; система возбуждения в значительной мере определяет обмен реактивной мощностью.

• корпус, сердечник и обмотка статора, лобовые части обмотки, токовыводы, концевые выводы;
• цилиндрический ротор, обмотка возбуждения, пазовые клинья ротора, бандажные кольца;
• контактные кольца или бесщёточная система возбуждения;
• подшипники, уплотнение вала, вентиляторы;
• газоохладители, водяные коллекторы, система дистиллята;
• система подачи водорода, система углекислого газа, масляная система уплотнения;
• система контроля температуры и вибрационного мониторинга;
• система защиты, система возбуждения, нейтраль генератора;
• трансформаторы тока и система заземления нейтрали.

Статор — неподвижная часть машины, которая состоит из внешнего корпуса, элементов крепления сердечника, сердечника, трёхфазной обмотки, системы крепления лобовых частей, вентиляционных каналов, датчиков температуры, токовыводов и газовых или водяных коммуникаций.

Статор должен выдерживать электромагнитные силы, силы при коротком замыкании, тепловое расширение, вибрацию сердечника и лобовых частей, внутреннее давление водорода и динамические нагрузки при авариях.

Корпус статора

Корпус изготавливают преимущественно как жёсткую сварную конструкцию, которая поддерживает сердечник, воспринимает механические нагрузки, герметизирует газовый объём, размещает охладители и передаёт массу на фундамент. Для водородного турбогенератора корпус является газоплотным сосудом, поэтому его состояние нельзя оценивать лишь как состояние обычного корпуса электрической машины — проверяют сварные швы, фланцевые соединения, уплотнения, смотровые крышки, трещины, коррозию, деформацию и герметичность.

Сердечник статора

Сердечник набирается из сегментов электротехнической стали, изолированных друг от друга для ограничения вихревых токов, и включает зубцы, пазы, спинку, вентиляционные каналы, нажимные пальцы, нажимные плиты и стяжные элементы. Сердечник подвергается переменному магнитному потоку, электромагнитной вибрации, локальному нагреву, осевым и радиальным силам и влиянию потоков рассеяния в торцевых зонах.

Типовые дефекты сердечника: ослабление прессовки, разрушение межлистовой изоляции, локальные короткие замыкания между листами, оплавление зубцов, механические следы от ротора, вибрация пакетов, ослабление нажимных пальцев, перегрев торцевых пакетов. Межлистовое замыкание создаёт локальный контур вихревого тока, что может вызвать интенсивный локальный нагрев, разрушение изоляции обмотки, оплавление активной стали и аварию статора.

Обмотка статора и транспозиция

Обмотка статора — трёхфазная высоковольтная обмотка, выполненная в виде стержней, полукатушек или формованных катушек. В мощных турбогенераторах обычно используются стержневые двухслойные обмотки. Стержень состоит из транспонированных элементарных проводников, главной изоляции, полупроводящего пазового покрытия, коронозащитных покрытий, водоохлаждающих каналов (в водоохлаждаемых конструкциях), выводных наконечников и водяных штуцеров.

Элементарные проводники в стержне расположены в разных положениях относительно пазового поля. Без транспозиции в них возникали бы разные индуцированные напряжения и циркуляционные токи. Транспозиция обеспечивает периодическую смену положения каждого проводника и уменьшает циркуляционные токи, добавочные потери и неравномерный нагрев. Одна из распространённых схем — транспозиция типа Roebel.

Изоляция, коронозащита и градиентное покрытие

Изоляционная система должна выдерживать рабочее фазное напряжение, импульсные перенапряжения, частичные разряды, тепловые циклы, электромагнитную вибрацию, радиальные и осевые силы, влагу, загрязнение, длительный нагрев и аварийные токи. Главная изоляция обычно выполняется на основе слюдяных лент, стеклоткани, эпоксидной связующей системы и полупроводящих и градиентных покрытий.

На прямолинейной пазовой части стержня применяется проводящее или полупроводящее коронозащитное покрытие, которое обеспечивает равномерный контакт с заземлённым сердечником, уменьшает локальную напряжённость поля и предотвращает пазовые разряды. Его повреждение может вызвать пазовые частичные разряды, образование озона, эрозию изоляции, белый или серый порошкообразный налёт.

В зоне выхода стержня из паза потенциал поверхности должен постепенно переходить от потенциала сердечника к потенциалу проводника — для этого применяется полупроводящее градиентное покрытие. Дефекты этой зоны могут приводить к коронным разрядам, поверхностной эрозии, трекингу и локальному нагреву.

Лобовые части и их вибрация

Лобовые части соединяют пазовые стороны стержней и формируют трёхфазную схему. Они подвергаются значительным электродинамическим силам, особенно при внешних коротких замыканиях, несинхронном включении, межфазных повреждениях, больших переходных токах и частых пусках энергоблока. Система крепления может включать опорные кольца, стеклотекстолитовые кронштейны, дистанционные прокладки, шнуровые бандажи, композитные элементы и стяжки.

Ротор турбогенератора имеет цилиндрическую неявнополюсную конструкцию и обычно изготавливается из цельной поковки легированной стали. В поковке формируются бочка ротора, пазы обмотки, зубцы, шейки подшипников, хвостовики, посадки бандажных колец, вентиляционные каналы и посадки муфты. Цельнокованая конструкция необходима из-за чрезвычайно высоких центробежных нагрузок.

Центробежное напряжение растёт с увеличением радиуса и квадрата угловой скорости. Поэтому для скорости 3000 или 3600 об/мин ротор делают относительно малого диаметра и большой осевой длины, из высококачественной поковки, с тщательно контролируемыми переходными радиусами и минимальными концентраторами напряжения.

Обмотка ротора и пазовые клинья

Обмотка возбуждения располагается в продольных пазах бочки ротора и изготавливается преимущественно из медных полос или профилированных проводников. В состав изоляционной системы входят пазовая и межвитковая изоляция, подкладки, боковые прокладки, изоляция лобовых частей и дистанционные элементы. Обмотка должна выдерживать постоянный ток возбуждения, центробежные силы, тепловое расширение, циклическую нагрузку, вибрацию, форсирование возбуждения и асинхронные режимы.

Пазовые клинья удерживают проводники в пазах и могут участвовать в формировании демпферных контуров, отводе тепла и распределении механических нагрузок. Дефекты клиньев: ослабление, смещение, трещины, эрозия, перегрев, нарушение контакта.

Бандажные кольца

Лобовые части обмотки ротора выходят из пазов и подвергаются большим центробежным силам, поэтому их удерживают массивные бандажные кольца — один из наиболее ответственных элементов турбогенератора. Кольцо должно иметь высокую механическую прочность, достаточную пластичность, стойкость к усталости и коррозионному растрескиванию, стабильность посадки и контролируемые остаточные напряжения.

Возможные дефекты: трещины, коррозионное растрескивание, фреттинг, ослабление посадки, деформация, локальный перегрев, электрические подгары, механические повреждения при демонтаже, усталостное разрушение. Разрушение бандажного кольца на рабочей скорости может иметь катастрофические последствия, поэтому его контроль выполняется методами неразрушающего контроля в соответствии с конструкцией, материалом и требованиями производителя.

В системе со статическим возбуждением постоянный ток подаётся к ротору через контактные кольца, щётки, щёткодержатели и токовыводы ротора. Типовые дефекты контактных колец: износ, овальность, биение, канавки, подгар, загрязнение, перегрев щёток.

Бесщёточная система возбуждения

Бесщёточный возбудитель устанавливается на одном валу с турбогенератором и может включать вспомогательный возбудитель, основной возбудитель переменного тока, вращающуюся якорную обмотку, вращающийся диодный мост, токовыводы к обмотке ротора и автоматический регулятор напряжения.

Преимущества: отсутствие силовых щёток, меньше угольной пыли, ниже эксплуатационные затраты. Недостатки:

• более сложная диагностика вращающихся диодов;
• ограниченная доступность к роторной цепи;
• сложнее быстро снять ток возбуждения;
• потребность в специальных системах контроля.

Статическая система возбуждения и АРН

Статическая система питает обмотку ротора через контактные кольца от управляемого полупроводникового преобразователя и может включать трансформатор возбуждения, тиристорный мост, автоматический регулятор напряжения, систему форсирования, защиту от перенапряжения, устройство гашения поля и разрядный резистор. Преимущества: высокое быстродействие, быстрое форсирование, точное регулирование, эффективное гашение поля и хорошее влияние на устойчивость энергосистемы.

Автоматический регулятор напряжения (АРН) регулирует ток возбуждения для поддержания напряжения на выводах, реактивной мощности, коэффициента мощности и заданного режима обмена реактивной энергией. Дополнительные функции: ограничение минимального и максимального возбуждения, ограничение тока ротора и статора, стабилизатор энергосистемы, защита от потери возбуждения, форсирование при аварийном снижении напряжения.

Магнитная ось ротора и результирующее поле статора имеют определённый угловой сдвиг, который называют углом нагрузки, углом мощности, внутренним углом или углом δ. При увеличении механической мощности турбины угол увеличивается; если он превышает допустимый предел, генератор может потерять синхронизм.

В упрощённой модели активная мощность синхронной машины связана с синусом угла нагрузки:

P ≈ EU/X · sin δ

где E — внутренняя ЭДС, U — напряжение сети, X — синхронное реактивное сопротивление, δ — угол нагрузки. Это упрощённое уравнение полезно для понимания устойчивости, но не заменяет полный расчёт реального турбогенератора.

При увеличении возбуждения генератор обычно отдаёт больше реактивной мощности в сеть; при уменьшении возбуждения он может потреблять реактивную мощность. Однако допустимый режим ограничивается нагревом ротора, статора и торцевой зоны, устойчивостью, минимальным возбуждением, максимальным током и ограничениями турбины.

Capability curve (диаграмма возможностей) показывает допустимые комбинации активной и реактивной мощности. Границы могут определяться номинальным током статора, допустимым током ротора, нагревом торцевых пакетов, пределом устойчивости, минимальным возбуждением, максимальной мощностью турбины и параметрами охлаждающей среды. Работа вне допустимой диаграммы может не привести к немедленному срабатыванию защиты, но ускоряет старение машины.

В зависимости от мощности и конструкции применяют воздушное охлаждение, водородное охлаждение, непосредственное водородное охлаждение ротора, водяное охлаждение статора и комбинированное водородно-водяное или воздушно-водяное охлаждение. IEC 60034-3 охватывает специальные требования к воздушным, водородным и жидкостно-охлаждаемым турбогенераторам.

Воздушное охлаждение

Воздушные турбогенераторы конструктивно проще: отсутствует водородное хозяйство, проще уплотнение, ниже риск взрывоопасной смеси, проще обслуживание. Недостатки — большие вентиляционные потери, более низкая теплоотводящая способность и большие габариты при одинаковой мощности.

Водородное охлаждение и его чистота

Водород применяется как охлаждающий газ внутри герметичного корпуса. По сравнению с воздухом он имеет малую плотность, меньшие вентиляционные потери, высокую теплопроводность, хорошую теплоёмкость и более низкий аэродинамический шум. GE Vernova отмечает низкую плотность, высокую удельную теплоёмкость и теплопроводность водорода как основные причины его применения в крупных генераторах.

Эффективность охлаждения и вентиляционные потери зависят от чистоты водорода. Снижение чистоты из-за проникновения воздуха увеличивает плотность газовой смеси, повышает вентиляционные потери, снижает КПД и создаёт взрывоопасную смесь. Поэтому контролируют чистоту водорода, давление, температуру, влажность и утечку.

Газоохладители и водяное охлаждение статора

Нагретый водород или воздух проходит через теплообменники (газоохладители), содержащие трубные пучки, водяные камеры, коллекторы, уплотнения и систему отвода конденсата. Типовые дефекты: загрязнение трубок, коррозия, протечки, воздушные пробки, недостаточный расход воды.

В мощных машинах стержни статора могут содержать полые проводники или трубки, через которые циркулирует специально подготовленная вода. Прямой отвод тепла позволяет увеличить допустимый ток, уменьшить температурный градиент, повысить единичную мощность и уменьшить габариты. Siemens Energy указывает, что водоохлаждаемые стержни уменьшают термомеханические напряжения в лобовых частях, а сочетание GVPI-статора с водяным охлаждением обеспечивает равномерные температуры.

Охлаждающая вода должна иметь контролируемые электропроводность, pH, содержание кислорода, температуру, расход, давление и чистоту. Повышенная электропроводность увеличивает токи утечки, низкий расход вызывает локальный перегрев, а загрязнение или продукты коррозии могут сужать или блокировать каналы. Вода подводится к стержням через кольцевые коллекторы, изоляционные шланги, штуцеры и полые выводы, которые должны одновременно обеспечивать гидравлическую герметичность, электрическую изоляцию и стойкость к вибрации.

Утечка воды в статоре (из-за усталостной трещины полого проводника, дефекта пайки, повреждения штуцера или вибрации) может привести к снижению сопротивления изоляции, замыканию на корпус, загрязнению водородной среды и тяжёлой аварии статора. В водородно-водяной машине давление водорода может быть выше давления воды, поэтому из-за дефекта полого проводника водород может проникать в контур охлаждения статора — признаки: появление газа в расширительном баке, изменение давления, работа газоотделителя. Для стареющих водоохлаждаемых генераторов проникновение водорода в стержни статора является известным риском, поэтому применяются специализированные системы мониторинга утечек.

В водородном турбогенераторе вал выходит из герметичного корпуса, и для удержания водорода применяют масляные уплотнения. Масло подаётся к уплотнению под давлением, выше давления газа. Система должна не допускать выхода водорода, ограничивать попадание воздуха, поддерживать стабильный перепад давления и обеспечивать резервирование насосов.

Неисправности системы уплотнительного масла: низкое давление, нестабильный перепад, загрязнение масла, износ уплотнительных вкладышей, засорение каналов, отказ насоса, проникновение водорода в масляную систему. Неисправность уплотнений может быстро создать опасную ситуацию, поэтому система имеет резервные источники питания и аварийные алгоритмы.

Подшипники и масляная плёнка

Турбогенераторы преимущественно имеют подшипники скольжения, состоящие из корпуса, вкладыша, баббитового слоя, масляных каналов, уплотнений, системы подачи масла и датчиков температуры и вибрации. Во время вращения вал формирует гидродинамическую масляную плёнку и не должен непосредственно контактировать с баббитом в нормальном режиме. Нарушение плёнки возможно из-за низкого давления масла, недостаточной вязкости, загрязнения, перегрузки, несоосности или неправильного зазора.

В некоторых установках при медленном вращении и валоповоротном режиме применяют подъёмное масло высокого давления, которое поднимает вал и уменьшает риск сухого трения, повреждения баббита и задиров.

Напряжения на валу (из-за магнитной асимметрии, остаточной намагниченности, системы возбуждения или статических зарядов) могут создавать токи через подшипники, вызывающие точечную эрозию, подгар баббита и разрушение масляной плёнки. Для разрыва контура один из подшипников или его элементы могут быть электрически изолированы.

После остановки турбины ротор ещё длительное время остаётся горячим; если он неподвижен, неравномерное охлаждение может вызвать временный тепловой прогиб. Валоповоротное устройство медленно вращает вал во время охлаждения, прогрева, подготовки к пуску и технических операций.

Роторопровод турбины и генератора имеет собственные частоты изгибных колебаний. При прохождении соответствующей скорости возникает резонанс — такую скорость называют критической. Роторопровод проектируют так, чтобы рабочая скорость не совпадала с опасной критической, а критические скорости проходили контролируемо с допустимой амплитудой и достаточным демпфированием.

Ротор турбогенератора нуждается в высокоточной балансировке. Дисбаланс может возникать из-за неоднородности поковки, смещения обмотки, ремонта пазовых клиньев, замены бандажных колец, тепловой нестабильности или загрязнения вентиляционных каналов. Для крупных роторов применяют низкоскоростную и высокоскоростную балансировку, тепловую балансировку и контроль механического и электрического биения.

Ротор может иметь приемлемую вибрацию в холодном состоянии, но увеличивать её при подаче возбуждения или нагреве — это явление называют тепловым прогибом или термочувствительностью ротора. Причины: неравномерное тепловое расширение витков, межвитковое замыкание, ограниченное скольжение проводников в пазах, асимметрия вентиляции, разная жёсткость лобовых частей.

Ротор может охлаждаться поверхностно, осевыми или радиальными каналами, подпазовой вентиляцией, прямым водородным охлаждением проводников или комбинированной схемой. Засорение каналов вызывает перегрев витков, неравномерное тепловое расширение, рост вибрации и ускоренное старение изоляции.

Перед подключением генератора должны совпадать последовательность фаз, частота, величина напряжения и фазовый угол. Ошибка синхронизации создаёт большой электромагнитный удар: высокие токи, ударный момент, повреждение муфты, смещение обмотки статора, деформацию лобовых частей и нарушение центровки роторопровода.

Несимметрия фазных токов создаёт магнитное поле обратной последовательности, которое относительно ротора вращается с высокой относительной скоростью и индуцирует токи в поверхности ротора, пазовых клиньях, бандажных кольцах и зубцах — это вызывает быстрый нагрев поверхности ротора, повреждение клиньев и перегрев бандажных колец.

При потере возбуждения генератор может продолжать вращаться, потребляя реактивную мощность из сети — машина переходит в опасный асинхронный режим, вызывающий нагрев ротора и торцевой зоны статора, неустойчивость, колебания мощности и срабатывание защиты.

Неисправности можно разделить на дефекты обмотки статора, дефекты сердечника, дефекты ротора, дефекты системы возбуждения, неисправности охлаждения, неисправности подшипников, нарушения уплотнения, механические дефекты, повреждения токовыводов и неисправности защиты и автоматики.

Частичные разряды

Частичный разряд — это локальный электрический разряд, который не перекрывает всю толщину изоляции между проводником и землёй. Он может возникать во внутренней полости, между слоями, на границе изоляции и меди, в пазовом зазоре или на поверхности лобовой части. Признаки: импульсные электрические сигналы, озон, характерный запах, белый порошок, эрозия, почернение, поверхностные дорожки.

Если стержень недостаточно прижат в пазу, он вибрирует под действием электромагнитных сил, истирается полупроводящее покрытие, увеличивается зазор и возникают пазовые разряды. Причины ослабления: усадка материалов, старение клиньев, ослабление системы подклинивания, неправильный ремонт.

Замыкания статора

Замыкание обмотки статора на корпус вызывают старение главной изоляции, частичные разряды, локальный перегрев, загрязнение, влага, повреждение сердечника, вибрация или утечка воды; последствия зависят от способа заземления нейтрали, места дефекта и скорости работы защиты.

Межфазное замыкание обычно сопровождается очень большим током и может возникнуть в лобовых частях, в зоне соединений, в токовыводах или в коробке выводов — возможные последствия: разрушение обмотки, деформация лобовых частей, оплавление меди, пожар и значительный простой энергоблока.

Неисправности ротора

Межвитковое замыкание ротора уменьшает число эффективных витков части обмотки и создаёт магнитную асимметрию; признаки — увеличение вибрации при возбуждении, изменение тока возбуждения, неравномерный нагрев, изменение характеристики холостого хода, появление теплового прогиба.

Одно замыкание обмотки ротора на корпус не всегда создаёт большой ток, поскольку цепь возбуждения может быть изолирована от земли, однако оно опасно: второе замыкание в другой точке может закоротить часть обмотки и вызвать сильную магнитную асимметрию, локальный перегрев, вибрацию и дугу. Поэтому применяют защиту или контроль первого замыкания на землю в цепи ротора.

Критические зоны для трещин ротора: пазовые зубцы, шейки, галтели, центральное отверстие, посадки бандажных колец и муфтовая часть; причины — усталость, термические циклы, коррозия, дефекты поковки, превышение скорости.

Вибрация и трение

Основные причины вибрации турбогенератора: дисбаланс, несоосность, тепловой прогиб, механическое трение, дефекты подшипников, ослабление фундамента, масляная нестабильность, трещина вала, короткозамкнутые витки ротора, электромагнитная несимметрия и резонанс.

Трение ротора возможно в уплотнениях, внутренних элементах, газовых перегородках, статоре, подшипниковых уплотнениях; признаки — появление гармоник вибрации, изменение фазы, локальный нагрев, шум, нестабильный прогиб вала.

Дефекты подшипников: повреждение баббита, усталостное выкрашивание, задиры, перегрев, ослабление вкладыша, нарушение геометрии, недостаточный зазор, электрическая эрозия, нестабильность масляного клина. Водород, проникающий в масляную систему через уплотнения, создаёт газонасыщение, пенообразование и взрывоопасные концентрации во вспомогательных системах — требуется контроль газосодержания и вентиляции.

Комплексная диагностика включает анализ истории эксплуатации, анализ аварий и пусков, визуальный осмотр, электрические испытания статора, диагностику ротора, контроль сердечника, измерение частичных разрядов, контроль водяного контура, испытание герметичности, вибрационный анализ, контроль подшипников, анализ масла, контроль системы возбуждения и функциональную проверку защит.

Перед разборкой необходимо собрать число часов и пусков, число аварийных остановок, историю перегрузок, данные о несимметрии, режимы недовозбуждения, случаи потери возбуждения, максимальные температуры, тренды вибрации, чистоту водорода, расходы воды, историю частичных разрядов и предыдущие ремонты. Отдельное значение имеет не только абсолютный результат, но и изменение параметра во времени.

Электрические испытания статора

Сопротивление изоляции измеряют для обмотки статора относительно корпуса, отдельных фаз (если схема позволяет), обмотки ротора, системы возбуждения и подшипниковой изоляции; показания приводят к сравнимым условиям с учётом температуры и влажности.

Индекс поляризации определяют как отношение сопротивления изоляции после более длительного приложения напряжения к начальному значению — он помогает оценить влажность, загрязнение и общее состояние изоляции, хотя для современных низкоёмкостных систем интерпретация должна учитывать конструкцию и инструкции производителя.

Испытание повышенным напряжением проверяет электрическую прочность изоляции — может применяться переменное напряжение промышленной частоты, постоянное напряжение, резонансная установка или very low frequency, в зависимости от допустимой методики; испытательное напряжение выбирают с учётом номинального напряжения, возраста, типа изоляции и объёма ремонта.

Измерение тангенса угла диэлектрических потерь (tan δ) помогает оценивать состояние объёмной изоляции, наличие полостей, увлажнение, расслоение и загрязнение — анализируют абсолютное значение, изменение с напряжением, разницу между фазами и тенденцию по годам.

Частичные разряды измеряют офлайн или онлайн, на отдельных фазах, под нагрузкой и на разных режимах возбуждения, оценивая амплитуду, фазовую картину, полярность, форму импульсов и тренд. Частичные разряды нельзя оценивать только по одному числовому уровню без анализа типа сигнала и истории машины.

Контроль пазовых клиньев и сердечника

Пазовые клинья проверяют простукиванием, механической оценкой, электромагнитным сканером, измерением перемещения или автоматизированной системой картирования — результатом может быть карта плотных, ослабленных и пустых зон.

Сердечник испытывают кольцевым намагничиванием, тепловизионным контролем, низкопоточным электромагнитным испытанием, методами EL CID или аналогичными и локальным измерением — цель заключается в выявлении межлистовых замыканий, локальных токов и риска перегрева.

При кольцевом испытании через временную намагничивающую обмотку создают магнитный поток в сердечнике и контролируют температуру — локальная горячая зона может свидетельствовать о межлистовом замыкании. Низкопоточные методы позволяют выявлять локальные дефектные токи при значительно меньшем уровне намагничивания, с меньшей мощностью источника и возможностью автоматизированного сканирования.

Диагностика ротора

Применяют измерение сопротивления изоляции, контроль замыкания на землю, измерение активного сопротивления, импедансное испытание, измерение падения напряжения, RSO, flux probe, тепловые испытания, неразрушающий контроль поковки, контроль бандажных колец и высокоскоростную балансировку.

Метод Recurrent Surge Oscillograph (RSO) применяется для выявления несимметрии и межвитковых замыканий в обмотке ротора — импульсный сигнал подаётся с разных концов обмотки, а сравниваются формы отражённых сигналов. При импедансном испытании к обмотке прикладывают переменное напряжение и измеряют ток, напряжение, импеданс и потери — изменение зависимости при разных положениях ротора или уровнях напряжения может свидетельствовать о межвитковом дефекте.

Flux probe устанавливается в воздушном зазоре и измеряет магнитный поток во время работы, позволяя выявлять асимметрию поля, короткозамкнутые витки и дефекты, проявляющиеся только при центробежной силе и рабочей температуре.

Герметичность, водяной контур и вибрация

Для водоохлаждаемых стержней применяют гидравлические, пневматические и вакуумные испытания, гелиевый контроль, контроль падения давления и индивидуальную проверку стержней — при пневматических испытаниях нужно учитывать высокую накопленную энергию сжатого газа.

Неравномерный расход через стержни может указывать на засорение, деформацию канала, газовую пробку или отложения оксидов — сравнивают абсолютный расход, перепад давления, температуру на входе и выходе и значения соседних стержней. Химический контроль воды анализирует проводимость, pH, растворённый кислород, медь, железо и продукты коррозии — резкое изменение показателей может быть первым признаком внутреннего дефекта.

Вибрационная диагностика контролирует абсолютную вибрацию корпусов подшипников, относительную вибрацию вала, фазу, орбиту, спектр, положение оси вала и изменение с нагрузкой, возбуждением и температурой — особенно важно различать механический дисбаланс, тепловой прогиб, несоосность, электромагнитный дефект и нестабильность масляной плёнки. Во время разгона и выбега записывают амплитуду, фазу, частоту вращения, прохождение критических скоростей и орбиту — эти данные часто позволяют отличить дисбаланс от резонанса или тепловой деформации.

• продольная и поперечная дифференциальная защита статора;
• 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 температур и вибрации;
• защита системы охлаждения, при потере водорода, при низком расходе воды и при неисправности уплотнительного масла.

Дифференциальная защита сравнивает токи на разных концах зоны — при внутреннем повреждении разница превышает допустимую, что позволяет быстро выявить межфазные замыкания и внутренние повреждения.

Если подача пара или газа прекращается, но генератор остаётся в сети, он переходит в двигательный режим и начинает вращать турбину, что может повредить лопатки. Защита от обратной мощности отключает генератор при устойчивом потреблении активной мощности из сети.

Защита от токов обратной последовательности оценивает ток обратной последовательности и его тепловое воздействие на ротор, обычно учитывая интегральную характеристику типа I₂²t, поскольку допустимая длительность зависит от величины несимметричного тока.

Перевозбуждение магнитопровода связано с соотношением напряжения и частоты: при повышенном V/Hz увеличивается магнитный поток, что вызывает насыщение, перегрев сердечника, нагрев конструктивных деталей и повреждение изоляции.

Объём планового ремонта зависит от конструкции, наработки, числа пусков, результатов мониторинга, состояния изоляции, вибрации, рекомендаций производителя и истории аварий. Работы могут выполняться без выемки ротора, с выемкой ротора, с частичным демонтажем обмотки, с заменой отдельных стержней или с полной заменой обмотки статора либо перемоткой ротора.

1. 01Анализируют техническую документацию.
2. 02Фиксируют параметры последнего режима.
3. 03Выводят генератор из работы и снимают напряжение.
4. 04Гасят поле и отключают электрические цепи.
5. 05Удаляют водород по установленной процедуре.
6. 06Заполняют корпус воздухом.
7. 07Отключают воду.
8. 08Сливают или изолируют масло.
9. 09Устанавливают заземление.
10. 10Выполняют газовый анализ.
11. 11Маркируют трубопроводы и кабели, фиксируют положение деталей.
12. 12Готовят такелаж и транспортные устройства.

Ротор имеет большую массу, значительную длину и малый воздушный зазор. Для выемки применяют специальные балки, тележки, скользящие опоры, удлинители вала и гидравлические устройства, не допуская удара ротора о сердечник, повреждения лобовых частей или нагрузки на шейки.

Ремонт сердечника и обмотки статора

Ремонт сердечника может включать очистку, локальное разделение замкнутых листов, восстановление межлистовой изоляции, удаление оплавленной стали, установку ремонтных вставок, замену зубцов, восстановление нажимных пальцев, повторное прессование или полную замену сердечника. После ремонта обязательно повторяют электромагнитное испытание.

Ремонт обмотки статора может охватывать ремонт коронозащиты, восстановление крепления, замену шлангов, перепайку головок, замену одного стержня или группы стержней, замену всей обмотки, восстановление фазных соединений и ремонт токовыводов.

Замена стержня: маркировка, демонтаж крепления лобовой части, разъединение электрических и водяных соединений, удаление клиньев, извлечение стержня, осмотр паза, ремонт сердечника, контроль нового стержня, укладка, восстановление подклинивания, электрическое и гидравлическое соединение, восстановление коронозащиты, крепление лобовой части, электрические и гидравлические испытания.

Полная замена обмотки статора требуется при системном старении, многочисленных дефектах, тяжёлом повреждении, недостаточном ресурсе изоляции или модернизации мощности. Во время перемотки могут модернизироваться система изоляции, транспозиция, система водяного охлаждения, крепление лобовых частей, коронозащита и конструкция пазовых клиньев.

Ремонт ротора

Может включать очистку, проверку изоляции, локальный ремонт выводов, ремонт контактных соединений, перепаковку или замену проводников, замену пазовой изоляции, перемотку, замену клиньев, ремонт лобовых частей, замену бандажных колец, ремонт вентиляции, ремонт контактных колец, балансировку и высокоскоростное испытание.

Перед демонтажем при перемотке фиксируют число пазов и витков, геометрию проводников, схему соединения, межвитковую изоляцию, вентиляционные каналы, положение подкладок и систему компенсации теплового расширения. Новая обмотка должна обеспечивать электрическую симметрию, механическую стабильность, свободное контролируемое тепловое перемещение и отсутствие теплового прогиба.

Из-за натяга бандажное кольцо нельзя демонтировать обычной механической стяжкой — в зависимости от конструкции применяют контролируемый индукционный нагрев, специальные нагреватели или гидравлические устройства с контролем температуры и перемещения. Перегрев может изменить свойства материала или повредить изоляцию.

Ремонт контактных колец может включать проточку, шлифовку, полировку, восстановление канавок, ремонт изоляции, замену колец, контроль биения и балансировку; после обработки проверяют соответствие марки щёток режиму токовой нагрузки. Ремонт газоохладителей может включать очистку, промывку, вихретоковый контроль, гидравлическое испытание, заглушение дефектных трубок или замену трубного пучка — заглушение чрезмерного количества трубок уменьшает охлаждающую способность и требует теплового расчёта.

Ремонт подшипников включает осмотр баббита, капиллярный и ультразвуковой контроль сцепления, проверку геометрии и зазоров, шабрение, перезаливку, контроль масляных каналов и центровку. Центровка роторопровода должна учитывать холодное состояние, тепловое расширение, подъём опор, масляный клин и рабочие температуры — холодное геометрическое соосное положение не всегда является правильным рабочим положением.

Комплекс испытаний может включать измерение сопротивления изоляции, индекс поляризации, активное сопротивление фаз и обмотки ротора, tan δ, частичные разряды, испытание повышенным напряжением, проверку сердечника, гидравлические испытания, измерение расхода, проверку герметичности корпуса и уплотнений, балансировку ротора, контроль биения, проверку подшипниковой изоляции и системы возбуждения, проверку защит, пусковые испытания, анализ вибрации и проверку под нагрузкой.

Герметичность водородного корпуса проверяют для корпуса, крышек, фланцев, токовыводов, газоохладителей, уплотнения вала и трубопроводов методами контроля падения давления, локального поиска утечки, мыльного раствора, газоанализатора, гелиевого метода или ультразвукового детектора.

Перед пуском проверяют завершение монтажа, отсутствие посторонних предметов, изоляцию, герметичность, масляную систему, уплотнительное масло, охлаждающую воду, газовую систему, чистоту водорода, валоповорот, возбуждение, защиты, вибрационные каналы, температурные датчики, последовательность фаз и систему синхронизации.

Во время первого пуска контролируют вибрацию на валоповороте и при разгоне, прохождение критических скоростей, температуру подшипников, давление и температуру масла, чистоту и давление водорода, расход и проводимость воды, ток возбуждения, напряжение, частоту, частичные разряды (если доступен мониторинг) и изменение вибрации при наборе нагрузки.

1. 01Разборка без анализа эксплуатационных трендов.
2. 02Извлечение ротора без специальной оснастки.
3. 03Удар ротора о сердечник.
4. 04Недостаточный контроль чистоты.
5. 05Оставление посторонних предметов.
6. 06Замена стержня без испытания сердечника.
7. 07Ремонт коронозащиты случайным материалом.
8. 08Недостаточное крепление лобовых частей.
9. 09Изменение жёсткости системы без модального анализа.
10. 10Неправильное подклинивание.
11. 11Повреждение водяного штуцера.
12. 12Отсутствие индивидуальной проверки расхода.
13. 13Неконтролируемый нагрев бандажного кольца.
14. 14Повторное использование сомнительного кольца.
15. 15Перемотка ротора без проверки тепловой стабильности.
16. 16Балансировка только на низкой скорости.
17. 17Игнорирование электрического биения.
18. 18Неправильная центровка роторопровода.
19. 19Неправильный подшипниковый зазор.
20. 20Отсутствие проверки изоляции подшипника.
21. 21Заполнение водородом без правильной газовой процедуры.
22. 22Недостаточная проверка уплотнительного масла.
23. 23Пуск без функциональной проверки защит.
24. 24Оценка изоляции по одному мегомметру.
25. 25Игнорирование тренда частичных разрядов.

Чего нельзя делать:

• заполнять корпус водородом без промежуточного газа;
• открывать водородный корпус без подтверждения безопасного состава газа;
• выполнять огневые работы без полного газового контроля;
• извлекать ротор без рассчитанной оснастки;
• опирать ротор на рабочие поверхности шеек;
• допускать удар по сердечнику;
• нагревать бандажные кольца неконтролируемо;
• менять конструкцию лобовых креплений без инженерного обоснования;
• оставлять ослабленные пазовые клинья;
• эксплуатировать генератор с нестабильным расходом воды;
• игнорировать появление газа в водяном контуре;
• продолжать работу при росте вибрации без анализа;
• шунтировать защиту от потери возбуждения;
• работать вне допустимой диаграммы мощности;
• подавать возбуждение на неподвижный ротор дольше разрешённого времени;
• выполнять несинхронное включение;
• запускать машину после внутреннего замыкания без полной дефектации.

Вибрация резко растёт после подачи возбуждения

Наиболее вероятные причины: межвитковое замыкание ротора, неравномерное тепловое расширение, асимметрия поля, тепловой прогиб. Нужно сравнить вибрацию без возбуждения и с возбуждением, фазу, ток ротора, данные flux-probe и RSO, а также поведение при охлаждении.

Вода одного стержня имеет более высокую температуру

Возможные причины: уменьшение расхода, частичное засорение, внутренний дефект проводника, повышенный ток, газовая пробка. Проверяют реальный расход, перепад давления, проводимость, газосодержание, электрический ток и температуру соседних каналов.

После ремонта увеличились частичные разряды

Проверяют состояние коронозащиты, контакт стержня с пазом, подклинивание, градиентное покрытие, чистоту, расстояния в лобовых частях и возможные внешние помехи.

Растёт расход водорода

Проверяют уплотнение вала, перепад давления уплотнительного масла, фланцы, токовыводы, газоохладители, водяной контур статора и газоанализ во вспомогательных системах.

Генератор перегревается при недовозбуждении

При потреблении реактивной мощности могут расти потоки рассеяния в торцевых зонах. Проверяют положение на capability curve, температуру торцевых пакетов, ток статора, возбуждение и работу ограничителя минимального возбуждения.

1. 01Анализировать тренды, а не только аварийные пределы.
2. 02Контролировать число пусков и тепловых циклов.
3. 03Следить за capability curve.
4. 04Не допускать длительного недовозбуждения.
5. 05Контролировать ток обратной последовательности.
6. 06Поддерживать высокую чистоту водорода.
7. 07Контролировать уплотнительное масло.
8. 08Поддерживать химию дистиллята.
9. 09Сравнивать расход отдельных стержней.
10. 10Отслеживать частичные разряды.
11. 11Анализировать изменение вибрации с возбуждением.
12. 12Контролировать вибрацию во время разгона и выбега.
13. 13Выполнять неразрушающий контроль ответственных деталей.
14. 14Проверять защиты после ремонта.
15. 15Хранить полную ремонтную документацию.

• производитель, тип, заводской номер, год изготовления;
• мощность, напряжение, ток, коэффициент мощности, частота, скорость;
• тип охлаждения, давление водорода, параметры воды;
• наработка, число пусков, причина ремонта;
• результаты входных испытаний, состояние статора, ротора, сердечника, лобовых частей, клиньев, бандажных колец, подшипников и уплотнений;
• объём выполненных работ и материалы;
• результаты электрических, гидравлических испытаний и контроля герметичности;
• балансировка, центровка, вибрация, температуры;
• данные пуска, заключение и оставшиеся рекомендации.

• Синхронные электродвигатели: устройство и принцип работы
• Как устроен гидрогенератор?
• Что такое частичные разряды в генераторах?
• Как диагностируют сердечник статора?
• Что такое RSO-диагностика ротора?Скоро
• Как выполняется балансировка ротора?
• Как ремонтируют бандажные кольца?Скоро
• Как устроено бесщёточное возбуждение?
• Что такое угол нагрузки?
• Как ремонтируют подшипники скольжения?Скоро

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

В состав работ могут входить:

• техническая дефектация, анализ причин повреждения, разборка генератора, извлечение и установка ротора;
• осмотр статора и ротора, проверка сердечника и пазовых клиньев;
• диагностика обмотки статора: сопротивление изоляции, индекс поляризации, активное сопротивление, повышенное напряжение, tan δ, частичные разряды, импульсные испытания;
• проверка обмотки ротора, поиск замыкания на корпус, выявление межвитковых замыканий;
• ремонт коронозащиты и пазового покрытия, восстановление подклинивания, ремонт крепления лобовых частей;
• ремонт фазных соединений, выводных шин, нейтрали и токовыводов;
• изготовление секций и стержней, замена отдельных стержней, изготовление катушек возбуждения;
• ремонт и перемотка обмотки ротора, ремонт пазовых клиньев ротора, ремонт контактных колец;
• восстановление валов и посадочных поверхностей, ремонт шеек, проверка бандажных колец;
• ремонт вентиляционных элементов и газоохладителей, проверка гидравлической герметичности;
• ремонт подшипников скольжения, перезаливка баббита, проверка изоляции подшипников;
• динамическая балансировка, контроль биения, вибрационная диагностика, центровка;
• проверка вспомогательных узлов, стендовые испытания, оформление протоколов.

Объём ремонта конкретного турбогенератора определяется после анализа типа машины, мощности, конструкции, заводской документации, технического состояния, массы и габаритов узлов, необходимого испытательного оборудования и требований производителя и заказчика.

Турбогенератор — одна из самых сложных и ответственных электрических машин энергетического предприятия. Его надёжность определяется не только состоянием обмотки статора или ротора, а работой взаимосвязанной системы статора, ротора, сердечника, системы возбуждения, водородного хозяйства, водяного охлаждения, масляных уплотнений, подшипников, роторопровода, защит и системы мониторинга.

Важнейшие особенности турбогенератора:

1. 01Высокая скорость вращения.
2. 02Большие механические напряжения в роторе.
3. 03Высокое напряжение обмотки статора.
4. 04Значительные электродинамические силы.
5. 05Сложная система охлаждения.
6. 06Риск утечек водорода.
7. 07Необходимость контроля водяных каналов.
8. 08Высокие требования к вибрации и центровке.
9. 09Опасность частичных разрядов.
10. 10Высокая стоимость аварийного простоя.

Качественный ремонт должен включать:

• установление первопричины и анализ эксплуатационной истории;
• полную дефектацию, контроль сердечника, диагностику статора и ротора;
• проверку систем охлаждения и неразрушающий контроль ответственных деталей;
• балансировку, центровку, комплексные испытания;
• проверку защит, контролируемый пуск и оформление технического отчёта.

Отказ от ответственности

Статья носит общий информационный характер и не является инструкцией по эксплуатации или ремонту конкретного турбогенератора. Технология диагностики, разборки, ремонта, испытания, заполнения водородом, работы с углекислым газом, системой охлаждения, бандажными кольцами, подшипниками и высоковольтной изоляцией должна определяться на основании документации производителя, чертежей, формуляра машины, инструкций электростанции, результатов дефектации, применимых стандартов, требований промышленной безопасности и инженерных расчётов.

Особую опасность представляют высокое напряжение, остаточный заряд, вращающийся роторопровод, большая масса ротора, водород, взрывоопасная газовая смесь, масло под давлением, вода в электрических проводниках, нагретые детали, бандажные кольца с высоким натягом, сжатый газ и испытание повышенным напряжением.

Без специализированной организации, квалифицированного персонала и согласованной технологии не допускается вскрывать водородный корпус, выполнять газозамещение, извлекать ротор, демонтировать бандажные кольца, ремонтировать высоковольтную обмотку, менять конструкцию крепления, выполнять высоковольтные испытания, балансировать ротор, менять схему возбуждения или запускать агрегат после ремонта.

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