Гідрогенератор: будова, принцип роботи, діагностика та ремонт

Гідрогенератор складається з нерухомого статора та обертового явнополюсного ротора. На роторі розташовані полюси з обмотками збудження постійного струму, які створюють магнітне поле. Гідравлічна турбіна обертає ротор — магнітне поле полюсів перетинає трифазну обмотку статора та індукує в ній змінну напругу.

Синхронна швидкість визначається формулою:

n = 120f / p

де:

• n — частота обертання, об/хв;
• f — частота електричного струму, Гц;
• p — кількість полюсів.

Чим нижча швидкість турбіни, тим більше полюсів повинен мати генератор.

Термін «гідрогенератор» означає синхронний генератор, первинним двигуном якого є гідравлічна турбіна. Механічну енергію для генерації створює потік води, який має певний напір, витрату, потенційну та кінетичну енергію. Гідравлічна турбіна перетворює енергію води на обертальний момент, а гідрогенератор перетворює цей момент на електричну потужність.

Енергія на гідроелектростанції перетворюється послідовно:

1. 01Вода накопичується у водосховищі або надходить із річки.
2. 02Під дією напору вода рухається водоводом.
3. 03Потік надходить до гідротурбіни.
4. 04Робоче колесо турбіни починає обертатися.
5. 05Вал турбіни передає момент ротору генератора.
6. 06Магнітне поле ротора обертається відносно статора.
7. 07В обмотці статора індукується трифазна напруга.
8. 08Електрична енергія передається на підвищувальний трансформатор.
9. 09Після підвищення напруги електроенергія надходить у мережу.

Теоретична гідравлічна потужність потоку визначається приблизно як:

Pгідр = ρgQH

Електрична потужність агрегату: Pел = ρgQHη

де ρ — густина води, g — прискорення вільного падіння, Q — витрата води, H — корисний напір, η — загальний ККД турбіни, генератора та механічної передачі. Таким чином, потужність гідроагрегату залежить від напору, витрати, ККД турбіни й генератора, гідравлічних втрат і режиму роботи.

На полюсах ротора розташована обмотка збудження, до якої подається постійний струм від системи збудження. Струм утворює магнітний потік, який проходить через полюс ротора, повітряний зазор, зубці статора, спинку сердечника та сусідній полюс. Під час обертання ротора магнітний потік періодично змінюється відносно провідників обмотки статора, і в трьох фазах виникають електрорушійні сили, зміщені одна відносно одної на 120 електричних градусів.

Після синхронізації з мережею:

• швидкість ротора визначається частотою мережі;
• активна потужність залежить від подачі води на турбіну;
• реактивна потужність залежить від струму збудження;
• напруга регулюється системою збудження;
• частота ізольованої системи регулюється турбінним регулятором.

Гідрогенератори класифікують за положенням вала, конструкцією опор, способом охолодження, типом турбіни, швидкістю, потужністю, режимом роботи, способом збудження, конструкцією ротора та способом монтажу.

Вертикальний гідрогенератор

Вал генератора розташований вертикально — це найпоширеніше виконання для великих і середніх гідроелектростанцій. Переваги: зручне компонування над турбіною, можливість застосування великих діаметрів ротора, компактність машинного залу в плані, пряме з’єднання з вертикальною турбіною, придатність для великих потужностей.

Основні вузли: верхня та нижня хрестовини, підп’ятник, верхній і нижній напрямні підшипники, вал, ротор, статор, гальмівні домкрати, система охолодження.

Горизонтальний гідрогенератор

Вал розташований горизонтально. Таке виконання застосовується на малих ГЕС, дериваційних станціях, з турбінами Френсіса невеликої потужності, з турбінами Пелтона, з капсульними й деякими трубними агрегатами.

Переваги: простіша конструкція опор, зручніший доступ до підшипників, простіший демонтаж ротора, менша висота машинного залу. Недоліки: обмеження діаметра, більша площа розміщення, складніші умови для дуже великих потужностей, чутливість довгого валопроводу до центрування.

Підвісний і зонтичний гідрогенератор

У підвісній конструкції підп’ятник розташований вище ротора; маса ротора, вала та робочого колеса передається через вал, упорний диск або втулку на сегменти підп’ятника, верхню хрестовину та фундаментні конструкції. Переваги — зручний доступ до підп’ятника й добра стабільність валопроводу; недоліки — значні навантаження на верхню хрестовину та велика висота агрегату.

У зонтичному виконанні підп’ятник розташований нижче ротора — ротор ніби «накриває» підп’ятник. Можливі варіанти: із верхнім і нижнім напрямними підшипниками, без верхнього напрямного підшипника, з підп’ятником на нижній хрестовині або на кришці турбіни. Переваги — менша загальна висота і зниження навантаження на верхню частину конструкції; недоліки — складніший доступ до підп’ятника та високі вимоги до нижньої опорної системи.

Капсульний гідрогенератор

Капсульні агрегати застосовуються при малих напорах, великих витратах, горизонтальному або похилому потоці й використанні осьових турбін. Генератор розташовується всередині герметичної капсули у водяному тракті — обмежений внутрішній простір, складне охолодження, підвищені вимоги до герметичності, складний доступ для ремонту та висока відповідальність ущільнень.

Двигун-генератор ГАЕС та змінношвидкісний агрегат

На гідроакумулювальній електростанції електрична машина працює у двох режимах: як генератор під час виробництва електроенергії, і як синхронний двигун під час перекачування води у верхню водойму. Таку машину називають оборотним двигуном-генератором, мотор-генератором або синхронним двигуном-генератором. Вона повинна витримувати часті пуски, зміну напряму обертання, моторний і генераторний режими, часті теплові цикли та підвищені електродинамічні навантаження.

У сучасних ГАЕС можуть застосовуватися машини зі змінною швидкістю: асинхронізований двигун-генератор, синхронна машина з повнопотужним перетворювачем, двоживлена машина або статичний перетворювач частоти. Переваги: регулювання потужності в насосному режимі, оптимізація ККД турбіни, швидше регулювання мережі, підтримка частоти та краща робота при змінному напорі.

Статор — нерухома частина генератора, яка складається з корпусу або рами, сердечника, трифазної обмотки, пазових клинів, системи кріплення, лобових частин, фазних з’єднань, виводів, датчиків температури й системи охолодження. Великий статор часто виготовляється роз’ємним із кількох секторів для транспортування й монтажу.

Корпус сприймає масу сердечника, електромагнітний момент, сили короткого замикання, вібрацію, теплове розширення та реактивні навантаження від кріплення до фундаменту. Він може бути зварним, секційним, складеним із кількох сегментів, із пружним або жорстким кріпленням сердечника.

Сердечник статора та його складання

Сердечник набирається з тонких сегментів електротехнічної сталі з ізоляційним покриттям для обмеження вихрових струмів і складається з зубців, пазів, спинки, вентиляційних пакетів, натискних плит і пальців, стяжних шпильок та замкових елементів. Через великий діаметр сердечник зазвичай збирають безпосередньо на станції.

Основні операції складання: контроль корпусу, встановлення напрямних і базових елементів, укладання сегментів сталі, формування вентиляційних каналів, контроль стиків і пазової геометрії, встановлення натискних елементів, пресування, контроль висоти пакетів, щільності та круглості, випробування активної сталі. Порушення складання може спричинити локальний перегрів, вібрацію зубців, ослаблення пакетів, підвищені втрати та пошкодження обмотки.

У секційних статорах особливої уваги потребують стики між сегментами корпусу й сердечника: можливі проблеми — нерівномірний магнітний опір, зміщення зубців, збільшений пазовий зазор, ослаблення пресування, локальна вібрація й нагрівання.

Обмотка статора та ізоляція

Обмотка статора гідрогенератора зазвичай трифазна, високовольтна, двошарова, стрижнева або котушкова, розподілена, короткокрокова або повнокрокова. Для великих машин застосовують формовані стрижні або котушки з термореактивною ізоляцією.

Стрижень складається з елементарних мідних провідників, транспозиції, виткової та головної ізоляції, напівпровідного пазового покриття, градієнтного покриття та вивідних частин — переваги: точна геометрія, контроль товщини ізоляції, можливість заводського випробування, ефективне використання паза, придатність для високої напруги. Котушкова обмотка (дві пазові сторони, з’єднані лобовими частинами) застосовується в машинах меншої потужності та в деяких старих гідрогенераторах.

У стрижнях великого перерізу елементарні провідники займають різні положення відносно пазового поля — без транспозиції виникають нерівномірні індуковані напруги, циркуляційні струми, додаткові втрати й локальний перегрів. Транспозиція періодично змінює положення кожного провідника та вирівнює умови.

Головна ізоляція повинна витримувати робочу напругу, імпульсні перенапруги, часткові розряди, теплові цикли, вібрацію, електродинамічні сили, вологість і старіння. Типова сучасна ізоляційна система містить слюдяні стрічки, склотканинну основу, епоксидну смолу, провідне пазове покриття та напівпровідне градієнтне покриття.

Провідне покриття на пазовій частині забезпечує електричний контакт поверхні ізоляції із заземленим сердечником, вирівнює потенціал і запобігає пазовим розрядам. На виході стрижня з паза застосовується градієнтне покриття, яке зменшує напруженість електричного поля в торцевій зоні — дефекти цих покриттів можуть спричинити поверхневі розряди, озон, ерозію, трекінг і пробій ізоляції.

Пазові клини утримують обмотку в пазу і можуть виготовлятися зі склотекстоліту, композиційних або немагнітних матеріалів. Клинова система може включати основний клин, прокладки, хвилясті пружини, бічні ущільнювачі та підпазові прокладки. Ослаблення клинів (через усадку матеріалів, теплові цикли, вібрацію чи старіння) призводить до руху стрижня, стирання пазового покриття, часткових розрядів і пошкодження головної ізоляції.

Лобові частини з’єднують пазові сторони обмотки та повинні витримувати електродинамічні сили короткого замикання, вібрацію, теплове розширення, електромагнітні сили подвійної частоти й циклічні навантаження. Система кріплення включає опорні кільця, дистанційні прокладки, бандажі, кронштейни, стяжки та фазні розпірки.

До відповідальних зон фазних з’єднань і виводів належать міжкотушкові з’єднання, фазні перемички, нейтральні з’єднання, вивідні шини та кабельні наконечники — типові дефекти: ослаблення, перегрів, тріщини, погане паяння, вібраційна втома та коронні розряди.

Ротор гідрогенератора зазвичай складається з вала, втулки, хрестовини (спайдера), обода, полюсів, обмоток збудження, демпферної обмотки, вентиляційних елементів, гальмівного диска, струмопідводу та контактних кілець або безщіткового збудника. На відміну від суцільнокованого ротора турбогенератора, гідрогенератор має окремі виступні полюси.

Вал передає обертальний момент, осьове й радіальні навантаження, гідравлічні збурення та перехідні моменти при коротких замиканнях. Перевіряють биття, прямолінійність, шийки, фланці, болтові отвори, галтелі, шпонкові з’єднання, тріщини, корозію та залишкову намагніченість.

Хрестовина та обід

Хрестовина, або спайдер, передає момент між валом і ободом і складається з центральної втулки, радіальних спиць, обідної частини та зварних чи болтових з’єднань. Вона повинна бути достатньо жорсткою, геометрично стабільною, збалансованою, стійкою до втоми та здатною компенсувати теплове розширення.

Обід — масивна кільцева конструкція, на якій закріплені полюси; він може бути складеним із сегментів, набраним із листів, зібраним на шпильках або посадженим із натягом на хрестовину. Функції обода: кріплення полюсів, формування магнітного шляху, створення махового моменту, забезпечення механічної міцності та передавання моменту.

Полюси, обмотка збудження і кріплення

Кожен полюс складається з осердя, полюсного наконечника, обмотки збудження, ізоляції, кріпильних елементів, демпферних стрижнів і міжполюсних з’єднань. Полюсний наконечник розподіляє магнітний потік, формує повітряний зазор, впливає на форму напруги, утримує демпферні стрижні та сприймає відцентрові сили; його геометрія впливає на гармоніки поля, реактивні характеристики, пульсації моменту та магнітний шум.

Обмотка збудження може виготовлятися з мідної стрічки, профільної міді, ізольованих витків або збірної котушки, намотаної на ребро, і повинна витримувати постійний струм, відцентрові сили, теплове розширення, вібрацію та короткочасне форсування. Ізоляція полюсної котушки включає міжвиткові прокладки, ізоляцію від осердя, торцеві та бічні прокладки, просочувальні лаки, склотканину та слюдяні матеріали.

Полюси кріпляться до обода за допомогою Т-подібних хвостів, клинів, болтів або шпильок і повинні витримувати відцентрову силу, електромагнітний момент, сили при скиданні навантаження та максимальну розгінну швидкість.

Демпферна обмотка

У полюсних наконечниках розташовуються провідні стрижні, з’єднані на кінцях сегментами або кільцями. Демпферна обмотка зменшує коливання ротора, демпфує хитання, бере участь у перехідних процесах, обмежує вплив гармонік, сприймає струми зворотної послідовності та допомагає під час асинхронного пуску двигуна-генератора в окремих схемах. Пошкодження (тріщини стрижнів, обрив міжполюсних перемичок, перегрів, виплавлення паяння) зменшує демпфування та може спричинити локальний перегрів і коливання потужності.

Повітряний зазор між полюсами ротора та статором є одним із ключових геометричних параметрів. Він повинен бути рівномірним, достатнім для безпечної роботи, мінімальним у межах розрахунку та стабільним у всіх режимах. Нерівномірність зазору створює односторонню магнітну силу, підвищену вібрацію, нерівномірне нагрівання, асиметрію магнітного поля та ризик тертя ротора об статор.

Причини нерівномірного зазору: зміщення статора, ексцентриситет ротора, деформація обода, нерівномірна посадка полюсів, зміщення напрямних підшипників, прогин вала, ослаблення фундаменту, термічна деформація або неправильне центрування.

При статичному ексцентриситеті мінімальний зазор залишається приблизно в одному місці статора; при динамічному ексцентриситеті мінімальний зазор обертається разом із ротором — можливі й комбіновані форми. Діагностика включає вимірювання зазору, аналіз вібрації та магнітного потоку, вимірювання струмів, контроль геометрії та повільне провертання ротора.

Підп’ятник, або упорний підшипник, — один із найвідповідальніших вузлів вертикального гідроагрегату. Він сприймає масу ротора генератора, вала, робочого колеса, осьову гідравлічну силу турбіни та динамічні осьові навантаження. Загальне навантаження може становити сотні або тисячі тонн.

До складу підп’ятника можуть входити упорний диск, сегменти, бабітовий шар, опорні та пружні елементи, балансирні опори, гідравлічна система вирівнювання, масляна ванна, охолоджувачі, підйомна масляна система та датчики температури, рівня й вібрації.

Кожен сегмент утворює гідродинамічний масляний клин: під час обертання диск захоплює масло в зазор між диском і сегментом, і тиск масляної плівки підтримує навантаження без прямого контакту металевих поверхонь. Сегмент повинен мати можливість встановитися під невеликим кутом для формування клина. Застосовують жорсткі, гвинтові, балансирні опори, пружні мембрани й диски або гідравлічне вирівнювання — мета системи полягає в рівномірному розподілі навантаження та компенсації деформації.

На низькій швидкості гідродинамічна плівка ще не сформована, тому для пуску, зупинки й повільного обертання застосовують систему масла високого тиску (підйомне масло), яке подається під сегменти, піднімає упорний диск, зменшує сухе тертя та захищає бабіт.

Несправності підп’ятника: перегрів сегмента, нерівномірне навантаження, руйнування бабіту, недостатній зазор, забруднення масла, низька в’язкість, відмова підйомного масла, порушення охолодження, перекіс диска, ослаблення опори та кавітація масляної плівки.

Напрямні підшипники

Напрямний підшипник утримує вал у радіальному напрямку. У вертикальному агрегаті можуть бути верхній генераторний підшипник, нижній генераторний підшипник і турбінний напрямний підшипник, кожен зі своїми сегментами або суцільним вкладишем, бабітовим шаром, опорними гвинтами, масляною ванною, ущільненнями, охолоджувачем і датчиками. У деяких малих або спеціальних агрегатах застосовують водозмащувальні підшипники, полімерні вкладиші або гумові сегменти з іншими вимогами до якості води, зазору та абразивного забруднення.

Після відключення від мережі великий ротор довго обертається за інерцією. Для скорочення часу зупинки застосовують механічні гальма — гальмівні колодки або башмаки притискаються до гальмівного диска ротора. Гальма можуть також використовуватися як домкрати для підйому ротора, розвантаження підп’ятника, технічного обслуговування та регулювання сегментів.

Несправності гальм: нерівномірний контакт, забруднення маслом, зношування накладок, заклинювання, несправність пневматики, перегрів диска, неповне розгальмування та нерівномірний підйом ротора. Неповністю відведена колодка може спричинити нагрів, пил, вібрацію, пожежу та пошкодження гальмівного диска.

Обмотка ротора живиться постійним струмом. Основні типи: електромашинна система збудження, безщіткова система, статична тиристорна система та комбінована система.

Традиційна електромашинна система може включати збудник постійного струму, допоміжний збудник, контактні кільця, регулятор і комутаційний апарат. Недоліки: зношування колектора, щітковий пил, потреба в регулярному обслуговуванні, нижча швидкодія.

Безщіткова система включає збудник змінного струму, обертовий випрямний міст, допоміжний збудник і автоматичний регулятор напруги. Переваги: відсутність силового щіткового контакту, менше обслуговування, чистіша зона генератора. Недоліки: складніша діагностика обертових діодів, складніший доступ до кола ротора, обмежені можливості прямого вимірювання струму витків.

Статичний тиристорний перетворювач живить ротор через контактні кільця. Переваги: висока швидкодія, швидке форсування, точне регулювання, ефективне гасіння поля, підтримка стійкості мережі. Недоліки: щітковий апарат, зношування кілець, потреба в контролі розподілу струму між щітками.

Автоматичний регулятор напруги (AVR) регулює струм збудження для підтримання напруги, регулювання реактивної потужності й коефіцієнта потужності, форсування збудження, обмеження струму ротора та статора, стабілізації енергосистеми та гасіння коливань.

Гідрогенератори переважно охолоджуються повітрям. Можливі системи: відкрита вентиляція, замкнена повітряна система, повітряно-водяні теплообмінники, безпосереднє водяне охолодження обмотки та комбіноване охолодження.

У замкненій вентиляції повітря циркулює всередині генератора, а нагріте повітря проходить через повітроохолоджувачі, де віддає тепло воді. Переваги: менше забруднення, контрольована температура, обмеження потрапляння вологості та стабільні умови для ізоляції.

До складу повітроохолоджувачів входять трубні пучки, водяні камери, колектори, ущільнення, дренаж та датчики температури. Типові дефекти: забруднення, корозія, витік води, засмічення трубок, недостатня витрата та повітряні пробки.

Витік води з охолоджувача може потрапити на обмотку статора, сердечник, ротор, у підшипникові системи або на ізоляцію виводів, спричиняючи зниження опору ізоляції, корозію, часткові розряди, замикання на корпус та аварійне відключення.

Повітря в роторі переміщується за допомогою лопаток ротора, вентиляторів, радіальних і осьових каналів, вентиляційних вікон у полюсах та каналів у ободі. Порушення вентиляції може бути спричинене забрудненням, перекриттям каналів, пошкодженням лопаток або неправильним встановленням полюсів.

Повна потужність: S = √3UI. Активна потужність: P = √3UI cos φ. Реактивна потужність: Q = √3UI sin φ.

Активна потужність регулюється відкриттям напрямного апарата, витратою води, кутом лопатей робочого колеса (у поворотно-лопатевих турбінах) та режимом турбінного регулятора. Реактивна потужність регулюється струмом збудження.

Деякі гідрогенератори можуть працювати без активного виробництва електроенергії як синхронні компенсатори — робоче колесо турбіни розвантажують від води, наприклад витісненням води стисненим повітрям або закриттям напрямного апарата. У такому режимі машина споживає невелику активну потужність, виробляє або споживає реактивну потужність, підтримує напругу, підвищує інерцію мережі та забезпечує потужність короткого замикання.

Генератор зазнає навантажень, що виникають у турбіні: пульсацій тиску, гідравлічного дисбалансу, кавітації, вихрових джгутів, нестабільної роботи напрямного апарата, нерівномірного потоку, осьових і радіальних сил та гідравлічних ударів. Вібрація генератора не завжди має електричну або механічну причину — джерело може перебувати в проточній частині турбіни.

Кавітація виникає, коли локальний тиск води знижується до тиску насиченої пари: утворюються парогазові бульбашки, які руйнуються в зоні вищого тиску, спричиняючи ерозію, шум, вібрацію, зниження ККД і пульсації моменту. Ці коливання через вал передаються на генератор і можуть впливати на підшипники, кріплення, повітряний зазор і вібрацію статора.

У турбінах Френсіса при роботі поза оптимальною точкою в конусі відсмоктувальної труби може виникати нестійка вихрова структура (вихровий джгут), яка створює низькочастотні пульсації тиску, коливання потужності, вібрацію вала та нестабільність агрегату.

Сучасні ГЕС часто працюють у маневровому режимі для балансування енергосистеми. Часті пуски створюють теплові цикли статора й ротора, циклічні сили в лобових частинах, зношування гальм, навантаження на підп’ятник, механічну втому з’єднань, зміни натягу обода та старіння ізоляції. Кількість пусків має враховуватися під час оцінки ресурсу так само, як напрацювання в годинах.

При раптовому відключенні генератора від мережі електромагнітний момент різко зникає, турбіна продовжує отримувати енергію води, швидкість починає зростати, регулятор закриває напрямний апарат, і агрегат проходить перехідний процес — можливі наслідки: розгін до підвищеної швидкості, осьові й радіальні коливання, гідравлічний удар та навантаження на полюси й обід.

Струм зворотної послідовності при несиметричному навантаженні створює поле, яке обертається відносно ротора з високою відносною швидкістю та індукує струми в демпферних стрижнях, полюсних наконечниках, ободі та кріпленнях, спричиняючи перегрів, тріщини та пошкодження демпферної системи.

При втраті збудження генератор може споживати реактивну потужність, втрачати синхронізм, переходити в асинхронний режим, перегрівати ротор і перевантажувати демпферну обмотку. Причини: обрив кола ротора, відмова перетворювача, несправність щіток, обрив міжполюсного з’єднання, пошкодження обертових діодів або помилка AVR.

Якщо приплив води або момент турбіни недостатній, але генератор залишається підключеним до мережі, він може перейти у двигунний режим — мережа починає обертати агрегат. Для деяких режимів це допустимо короткочасно, але безконтрольна моторизація може призвести до пошкодження турбіни, перегріву, небезпечного гідравлічного режиму та кавітації.

Несправності статора

Старіння ізоляції, пазові та поверхневі часткові розряди, ослаблення клинів, рух стрижнів, пошкодження лобових частин, ослаблення фазних з’єднань, міжвиткове та міжфазне замикання, замикання на корпус, локальний перегрів, забруднення і зволоження — можуть виникати у внутрішніх порожнинах ізоляції, між шарами, у зоні відшарування від міді, у пазовому зазорі або на поверхні лобової частини. Ознаки: білий порошок, озон, характерний запах, поверхнева ерозія, почорніння та трекінг.

Типові дефекти сердечника: міжлистове замикання, ослаблення пресування, вібрація пакетів, пошкодження зубців, сліди тертя ротора, оплавлення, корозія та пошкодження натискних пальців. Міжлистове замикання створює контур вихрового струму й може спричинити інтенсивний локальний нагрів.

Несправності ротора

Міжвиткове замикання полюсної котушки, замикання котушки на полюс, обрив міжполюсного з’єднання, ослаблення полюса, пошкодження кріпильних клинів, деформація обода, ослаблення стиків обода, тріщина хрестовини, зміщення полюса, пошкодження демпферних стрижнів і забруднення вентиляційних каналів.

Міжвиткове замикання полюсної котушки зменшує магніторушійну силу полюса, створює асиметрію магнітного поля, нерівномірне нагрівання, збільшення вібрації та зміну струму збудження.

Одне замикання кола збудження на корпус не завжди створює великий струм, проте друге замикання може закоротити частину полюсів або витків і спричинити магнітну асиметрію, локальний перегрів, вібрацію та дугове пошкодження.

Ослаблення полюса (через недостатнє затягування, зношування клинів, фретинг, деформацію обода, часті розгони) проявляється металевим пилом, зміною зазору, підвищеною вібрацією та локальним нагрівом.

Обід може втрачати круглість через ослаблення стиків, теплові цикли, недостатній натяг, переміщення пакетів або розгінні режими — наслідки: нерівномірний повітряний зазор, вібрація, зміщення полюсів, дисбаланс, одностороння магнітна сила та ризик тертя.

Критичні зони для тріщин хрестовини: зварні шви, переходи спиць, зона втулки, місця кріплення до обода та концентрації напружень; причини — втома, термічні цикли, вібрація, дефекти зварювання, аварійні моменти та розгінні режими.

Вібрація та напруга на валу

Джерела вібрації гідрогенератора можуть бути механічними, електромагнітними, гідравлічними, структурними або тепловими. Типові причини: дисбаланс, неспіввісність, нерівномірний повітряний зазор, деформація обода, зміщення полюса, дефект підшипника, гідравлічний дисбаланс, кавітація, вихровий джгут, ослаблення статора, резонанс, короткозамкнений полюс і тріщина хрестовини.

Магнітне поле створює радіальні сили, що діють на зубці та спинку сердечника — основні складові вібрації можуть бути пов’язані з подвоєною частотою мережі, пазовими гармоніками, кількістю полюсів, нерівномірним зазором і магнітною асиметрією.

Напруги на валу (через магнітну несиметрію, нерівномірний зазор, залишкову намагніченість, асиметрію полюсів або статичний заряд) можуть спричиняти струм через підшипник, що призводить до точкової ерозії, підпалу бабіту, пошкодження поверхні та руйнування масляної плівки. Для обмеження струму застосовують ізоляцію підшипника, заземлювальну щітку вала та контроль напруги на валу.

Комплексна діагностика включає аналіз історії експлуатації, візуальний огляд, електричні випробування, діагностику сердечника, контроль пазових клинів, вимірювання часткових розрядів, діагностику ротора, перевірку полюсів, контроль повітряного зазору, вібраційний аналіз, контроль підп’ятника, аналіз масла, перевірку охолодження, контроль системи збудження та функціональну перевірку захистів.

Необхідно зібрати напрацювання в годинах, кількість пусків і скидань навантаження, випадки розгону, роботу при несиметрії, перевантаження, максимальні температури, тренди вібрації, дані повітряного зазору, історію часткових розрядів, стан підп’ятника, ремонти полюсів і попередні дефекти сердечника.

Візуальний огляд

Для статора перевіряють чистоту, вологість, сліди води, пазові клини, поверхню стрижнів, коронозахист, лобові частини, фазні з’єднання, сердечник і повітроохолоджувачі. Для ротора — полюсні котушки, ізоляцію, міжполюсні з’єднання, кріплення полюсів, демпферні стрижні, обід, стики обода, хрестовину, зварні шви, балансувальні вантажі та контактні кільця.

Електричні випробування

Опір ізоляції вимірюють для обмотки статора відносно корпусу, окремих фаз, обмотки ротора, системи збудження та підшипникової ізоляції з урахуванням температури, вологості та попередніх результатів. Індекс поляризації допомагає оцінювати забруднення, вологість та абсорбційні процеси, однак високе значення саме по собі не виключає локального дефекту.

Активний опір вимірюють для фазних обмоток статора, полюсних котушок, ланцюгів ротора та міжполюсних з’єднань, порівнюючи фази й полюси між собою та з паспортними значеннями — відхилення може свідчити про поганий контакт, обрив, короткозамкнені витки або дефект паяння.

Випробування підвищеною напругою підтверджує електричну міцність ізоляції (змінна напруга промислової частоти, резонансне випробування або постійна напруга за передбаченими методиками). Вимірювання tan δ дозволяє оцінювати стан головної ізоляції, розшарування, вологість, забруднення та порожнини.

Часткові розряди діагностують офлайн, онлайн, періодично або безперервно, оцінюючи амплітуду, фазову картину, форму імпульсів, полярність, залежність від активної та реактивної потужності й тренд. Одного числового рівня недостатньо для висновку про стан обмотки.

Контроль пазових клинів, сердечника та повітряного зазору

Пазові клини перевіряють простукуванням, механічною перевіркою, автоматизованим картуванням, електромагнітними системами та вимірюванням переміщення. Сердечник діагностують кільцевим намагнічуванням, тепловізійним контролем, низькопотоковою електромагнітною діагностикою, методами EL CID або аналогічними та локальними вимірюваннями.

При кільцевому випробуванні тимчасова обмотка створює магнітний потік у сердечнику, і під час випробування контролюють температуру — локальний перегрів може вказувати на міжлистове замикання. Повітряний зазор вимірюють у нерухомому стані, при повільному провороті та під час різних теплових станів, аналізуючи середнє значення, мінімум, максимум, овальність і зміну при обертанні, навантаженні та температурі.

Діагностика полюсних котушок і демпферної обмотки

Для полюсних котушок застосовують вимірювання опору, падіння напруги, імпульсні випробування, випробування на корпус, тепловізію та контроль міжвиткової ізоляції. Через послідовний ланцюг полюсів пропускають контрольний струм і вимірюють падіння напруги на кожній котушці — відхилення може вказувати на короткозамкнені витки, поганий контакт або дефект міжполюсного з’єднання.

При імпульсному випробуванні полюсної котушки порівнюють реакцію котушок на імпульсний сигнал — короткозамкнений виток змінює індуктивність, загасання, частоту коливань і форму імпульсу. Демпферну обмотку контролюють візуальним оглядом, капілярним контролем, вимірюванням опору, ультразвуковим контролем з’єднань і тепловізією.

Неруйнівний контроль ротора може включати ультразвуковий контроль вала, магнітопорошковий і капілярний контроль, ультразвуковий контроль зварних швів, контроль болтів, полюсних хвостів, обода та хрестовини.

Вібраційна діагностика та підп’ятник

Контролюють вібрацію підшипників, переміщення вала, орбіту, фазу, спектр, осьове положення, пульсації зазору, вібрацію сердечника й хрестовин та залежність від навантаження й збудження.

Два взаємно перпендикулярні датчики переміщення дозволяють побудувати орбіту центра вала — форма орбіти допомагає виявляти дисбаланс, неспіввісність, тертя, нестабільність масляної плівки та гідравлічне збурення. Під час розгону й вибігу записують швидкість, амплітуду, фазу, орбіту, зазор, температуру підшипників, момент увімкнення збудження та момент синхронізації — це дозволяє відокремити механічні дефекти, електромагнітні впливи, гідравлічні збурення та структурні резонанси.

Контроль підп’ятника включає температуру кожного сегмента, температуру та рівень масла, тиск підйомної системи, стан бабіту, товщину масляної плівки, осьове положення, навантаження сегментів та аналіз масла (в’язкість, кислотне число, вміст води, механічні домішки, продукти зношування) — наявність бабіту, сталі або бронзи в пробі може вказувати на пошкодження підшипника.

Тепловізор застосовується для контролю фазних з’єднань, контактних кілець, щіток, полюсних котушок, підшипників, охолоджувачів, струмовиводів і з’єднань системи збудження — температури потрібно порівнювати при однаковому навантаженні та схожих умовах охолодження.

• диференційний захист статора, поперечний диференційний захист;
• захист від замикання на землю статора, стовідсотковий захист обмотки статора;
• захист ротора від замикання на землю;
• захист від втрати збудження та від асинхронного режиму;
• захист від зворотної потужності;
• захист від негативної послідовності;
• захист від перевантаження, перенапруги та зниження напруги;
• захист від підвищення або зниження частоти;
• захист від перезбудження;
• захист від несинхронного включення;
• захист від перевищення швидкості;
• контроль температури й вібрації;
• захист підп’ятника, контроль охолодження.

Розгін (перевищення швидкості) може бути спричинений скиданням навантаження, несправністю напрямного апарата, відмовою регулятора, помилкою керування або заклинюванням сервопривода. Захист може включати електричний датчик швидкості, механічний пристрій, резервний незалежний канал, аварійне закриття турбіни та аварійний затвор.

Обсяг планового ремонту залежить від потужності, конструкції, напрацювання, кількості пусків, режиму ГЕС або ГАЕС, стану ізоляції, результатів вібраційного моніторингу, стану підп’ятника та ротора, рекомендацій виробника й історії дефектів. Ремонт може виконуватися без виймання ротора, із підйомом ротора, з повним демонтажем ротора, із демонтажем полюсів, заміною окремих котушок, перемотуванням статора або реконструкцією сердечника, обода чи хрестовини.

1. 01Аналізують документацію.
2. 02Фіксують експлуатаційні параметри.
3. 03Відключають генератор та гасять поле.
4. 04Заземлюють електричні кола.
5. 05Блокують подачу води та закривають затвори.
6. 06Забезпечують захист від випадкового пуску.
7. 07Зливають або ізолюють масло.
8. 08Встановлюють механічні стопори.
9. 09Маркують кабелі та трубопроводи.
10. 10Виконують вимірювання до розбирання.
11. 11Перевіряють вантажопідіймальні засоби.
12. 12Готують місце для ротора та розробляють технологічну карту.

Великий вертикальний ротор піднімається мостовим краном. Перед підйомом необхідно від’єднати струмопідводи й вал, перевірити центр ваги, встановити траверсу, перевірити вантажопідіймальність та забезпечити синхронне підіймання, не допускаючи перекосу, удару полюсів об статор, навантаження на ізоляцію чи контакту з лобовими частинами.

Полюси часто демонтують для ремонту обмотки статора, перевірки кріплень, ремонту котушок, зменшення маси ротора, балансування або реконструкції обода. Перед демонтажем необхідно зафіксувати номер полюса, положення, полярність, опір котушки, зазори, балансувальні вантажі та стан кріплення — полюси не можна переставляти довільно без повторного контролю магнітної та механічної симетрії.

Ремонт сердечника та обмотки статора

Ремонт сердечника може включати очищення, підтягування пресування, ремонт натискних пальців, розділення замкнених листів, відновлення міжлистової ізоляції, ремонт зубців, встановлення локальних вставок, перепакування ділянки або повну заміну сердечника. Після ремонту виконується повторне електромагнітне випробування.

Ремонт обмотки статора може включати очищення, сушіння, відновлення пазового та градієнтного покриття, переклинювання, ремонт бандажів і фазного з’єднання, локальне відновлення ізоляції, заміну котушки, стрижня, групи котушок або повну перемотку.

Заміна стрижня або котушки: маркування, демонтаж кріплення, розпаювання або роз’єднання, видалення пазових клинів, виймання елемента, огляд паза, ремонт сердечника, контроль нового елемента, укладання, відновлення підклинювання, виконання з’єднань, відновлення коронозахисту, кріплення лобових частин, електричні випробування.

Повна перемотка статора потрібна при системному старінні, великій кількості дефектів, аварійному пошкодженні, недостатньому залишковому ресурсі, модернізації потужності або підвищенні напруги. Під час реконструкції можуть модернізуватися ізоляційна система, транспозиція, пазова геометрія, схема обмотки, кріплення лобових частин, клинова система та коронозахист.

Ремонт полюсних котушок і виготовлення нової котушки

Ремонт полюсних котушок може включати очищення, сушіння, відновлення міжвиткової ізоляції, ремонт виводів, перепаювання з’єднань, відновлення притискних елементів, заміну прокладок, перемотування котушки, просочення, формування та електричні випробування.

Виготовлення нової полюсної котушки: вимірювання старої котушки, визначення марки й перерізу міді, фіксація кількості витків, виготовлення шаблону, намотування, укладання міжвиткової ізоляції, формування геометрії, пресування, просочення або запікання, механічна обробка, контроль розмірів, вимірювання опору, випробування міжвиткової ізоляції та випробування на корпус. Нова котушка повинна відповідати іншим полюсам за кількістю витків, опором, масою, геометрією та тепловими характеристиками.

Ремонт обода, хрестовини та демпферної системи

Ремонт обода може включати підтягування стяжних шпильок, ремонт стиків, заміну пошкоджених сегментів, відновлення круглості й натягу, усунення ослаблення та балансування. Зміна натягу обода має виконуватися на підставі розрахунку й документації виробника.

Ремонт хрестовини може включати дефектацію зварних швів, видалення тріщини, ремонтне зварювання, термообробку, зміцнення, заміну елементів і контроль геометрії та жорсткості. Ремонт зварної хрестовини без інженерного аналізу може змінити розподіл напружень, жорсткість, власні частоти та ресурс конструкції.

Ремонт демпферної системи може включати заміну стрижнів, відновлення паяння, заміну міжполюсних перемичок, ремонт короткозамикаючих сегментів і перевірку опору та тріщин.

Ремонт підп’ятника та перезаливання бабіту

Ремонт підп’ятника може включати демонтаж сегментів, огляд бабіту, капілярний та ультразвуковий контроль зчеплення, перезаливання бабіту, механічну обробку, шабрування, регулювання опор, відновлення масляних каналів і ремонт підйомної системи.

Перезаливання бабіту: видалення старого бабіту, очищення основи, контроль тріщин, підготовка поверхні, лудіння, заливання нового сплаву, контроль зчеплення, механічна обробка, формування масляних канавок, шабрування, контроль геометрії та неруйнівний контроль.

Центрування гідроагрегату

Центрування включає не лише суміщення геометричних осей — потрібно узгодити вісь статора, ротора, напрямних підшипників, підп’ятника, турбіни, положення робочого колеса, ущільнень, повітряний зазор і гідравлічні зазори.

Для вимірювання вертикальності вала застосовують механічні струни, лазерні системи, високоточні рівні, індикатори та оптичні прилади, перевіряючи положення в різних кутах повороту, биття фланців, зміщення шийок, нахил і форму орбіти при повільному обертанні.

Дисбаланс ротора може бути спричинений різною масою полюсів чи котушок, перестановкою полюсів, ремонтним зварюванням, зміною обода, відсутністю вантажу або деформацією. Балансування може включати статичне балансування, низькошвидкісне балансування, балансування на робочій швидкості, пробні вантажі та векторний аналіз амплітуди й фази.

Комплекс випробувань може включати опір ізоляції, індекс поляризації, активний опір фаз і полюсів, tan δ, часткові розряди, випробування підвищеною напругою та імпульсні випробування, перевірку сердечника, пазових клинів і повітряного зазору, перевірку полюсів і демпферної системи, контроль ізоляції підшипників, перевірку системи збудження, гальм, підйомного масла та підп’ятника, перевірку охолодження, функціональну перевірку захистів, пускові випробування, аналіз вібрації та перевірку під навантаженням.

Перед першим пуском перевіряють завершення монтажу, відсутність сторонніх предметів, зазори, кріплення полюсів і статора, опір ізоляції, заземлення, масляну систему, підйомне масло, охолодження, гальма, напрямні підшипники, підп’ятник, збудження, захисти, регулятор турбіни, аварійні затвори, систему синхронізації, напрямок обертання та канали вібраційного контролю.

Під час пуску контролюють тиск підйомного масла, момент відриву диска, роботу гальм, температуру сегментів і напрямних підшипників, вібрацію, осьове положення, повітряний зазор, струм збудження, напругу, частоту, розгін, роботу регулятора, синхронізацію та зміну параметрів при навантаженні.

1. 01Розбирання без фіксації повітряного зазору.
2. 02Відсутність маркування полюсів.
3. 03Перестановка полюсів без балансування.
4. 04Ігнорування маси полюсних котушок.
5. 05Ремонт статора без перевірки сердечника.
6. 06Неконтрольоване переклинювання.
7. 07Використання випадкового коронозахисного матеріалу.
8. 08Надмірно жорстке кріплення лобових частин.
9. 09Недостатнє очищення перед випробуванням.
10. 10Пошкодження стрижня під час виймання.
11. 11Неправильний ремонт міжполюсних з’єднань.
12. 12Відсутність контролю демпферних стрижнів.
13. 13Ремонт тріщини хрестовини без розрахунку.
14. 14Зміна натягу обода без інженерного обґрунтування.
15. 15Неправильне центрування.
16. 16Нерівномірне регулювання сегментів підп’ятника.
17. 17Пуск без підйомного масла.
18. 18Робота з невідведеним гальмом.
19. 19Оцінка ізоляції лише мегомметром.
20. 20Ігнорування тренду часткових розрядів.
21. 21Пуск без перевірки захисту від розгону.
22. 22Ігнорування гідравлічного джерела вібрації.
23. 23Балансування без фазового аналізу.
24. 24Відсутність контролю повітряного зазору після монтажу.
25. 25Неправильне заземлення вала.

Чого не можна робити:

• піднімати ротор без розрахованої траверси;
• залишати агрегат без захисту від випадкового пуску;
• демонтувати полюси без маркування;
• змінювати положення балансувальних вантажів без фіксації;
• працювати з ослабленим полюсом;
• експлуатувати машину з критично малим повітряним зазором;
• запускати агрегат без підйомного масла, якщо воно передбачене;
• допускати тертя гальмівних колодок під час роботи;
• шунтувати захист підп’ятника;
• ігнорувати перегрів одного сегмента;
• змінювати конструкцію кріплення лобових частин без розрахунку;
• ремонтувати сердечник без повторного випробування;
• виконувати зварювання хрестовини без технологічного процесу;
• доводити агрегат до розгінної швидкості без спеціальної програми випробувань;
• продовжувати роботу при швидкому зростанні вібрації;
• робити висновок про стан обмотки за одним показником.

Після ремонту зросла вібрація на частоті обертання

Можливі причини: полюси встановлені не на свої місця, змінено балансувальні вантажі, котушка має іншу масу, ротор установлений з ексцентриситетом, зміщений напрямний підшипник або змінена геометрія обода. Перевіряють амплітуду, фазу, повітряний зазор, масу полюсів, положення вантажів, центрування та орбіту вала.

Вібрація зростає лише після подачі збудження

Ймовірні причини: короткозамкнені витки полюса, неправильна кількість витків, зворотна полярність полюса, нерівномірний зазор, дефект міжполюсного з’єднання або магнітна асиметрія сердечника.

Один сегмент підп’ятника перегрівається

Можливі причини: нерівномірне навантаження, неправильне регулювання опори, забруднення масляного каналу, дефект бабіту, деформація упорного диска або недостатня подача масла. Неприпустимо оцінювати стан лише за середньою температурою масла.

Високий рівень часткових розрядів після переклинювання

Перевіряють щільність прилягання стрижня, пошкодження пазового покриття, контакт із сердечником, градієнтну зону, чистоту, неправильні матеріали прокладок і заземлення вимірювальної системи.

Після скидання навантаження змінився повітряний зазор

Можливі причини: переміщення полюса, деформація обода, ослаблення кріплення, зміщення напрямного підшипника або механічна деформація ротора. Потрібна повна геометрична перевірка до наступного пуску.

1. 01Вести тренди вібрації.
2. 02Контролювати повітряний зазор.
3. 03Аналізувати кількість пусків.
4. 04Фіксувати всі скидання навантаження.
5. 05Контролювати температуру кожного сегмента підп’ятника.
6. 06Проводити регулярний аналіз масла.
7. 07Перевіряти ізоляцію підшипників.
8. 08Контролювати струм зворотної послідовності.
9. 09Відстежувати часткові розряди.
10. 10Контролювати затягування й стан полюсів.
11. 11Перевіряти демпферну обмотку.
12. 12Порівнювати опір полюсних котушок.
13. 13Контролювати роботу гальм.
14. 14Перевіряти систему підйомного масла.
15. 15Оцінювати гідравлічні джерела вібрації.
16. 16Зберігати геометричні карти агрегату.
17. 17Не змінювати положення полюсів без документування.
18. 18Перевіряти захист від розгону.
19. 19Проводити комплексні випробування після ремонту.
20. 20Зберігати повний ремонтний звіт.

• виробник, тип, заводський номер, рік виготовлення;
• потужність, напруга, струм, частота, швидкість, кількість полюсів;
• тип турбіни, виконання агрегату, тип підп’ятника, кількість напрямних підшипників;
• тип збудження, тип охолодження, напрацювання, кількість пусків, причина ремонту;
• результати вхідної діагностики, карта повітряного зазору;
• стан статора, сердечника, обмотки, ротора, полюсів, демпферної системи, обода, хрестовини, вала, підп’ятника й напрямних підшипників;
• обсяг ремонту, використані матеріали;
• результати електричних випробувань і неруйнівного контролю;
• балансування, центрування, температури, вібрація;
• результати пуску та рекомендації.

• Синхронні електродвигуни: будова та принцип роботи
• Як влаштований турбогенератор?
• Що таке часткові розряди в генераторах?
• Як діагностують сердечник статора?
• Як ремонтують полюсні котушки?
• Як виконується балансування ротора?
• Що таке підп’ятник і як його ремонтують?Незабаром
• Як влаштоване безщіткове збудження?
• Як діагностують повітряний зазор?
• Як ремонтують напрямні підшипники?Незабаром

ТОВ ВКФ «Електропромремонт» виконує діагностику, ремонт, відновлення та виготовлення вузлів синхронних генераторів і гідрогенераторів у межах власних технологічних можливостей, технічної документації та погодженого обсягу робіт.

До складу робіт можуть входити:

• технічна дефектація, аналіз причин пошкодження, розбирання генератора, очищення активних частин;
• огляд статора та ротора, діагностика сердечника, перевірка пазових клинів;
• контроль обмотки статора: опір ізоляції, індекс поляризації, активний опір, tan δ, часткові розряди, підвищена напруга;
• контроль фазних з’єднань, ремонт коронозахисту й пазового покриття, переклинювання статора;
• ремонт лобових частин, відновлення бандажів, ремонт міжкотушкових з’єднань і виводів;
• виготовлення стрижнів і котушок, заміна окремих стрижнів чи котушок, повна перемотка статора;
• ремонт полюсних котушок, виготовлення нових котушок збудження, відновлення міжвиткової ізоляції;
• ремонт міжполюсних з’єднань, перевірка й ремонт демпферної обмотки та демпферних стрижнів;
• ремонт полюсних кріплень, відновлення струмопроводів ротора, ремонт контактних кілець;
• перевірка повітряного зазору, геометричний контроль ротора, контроль обода та дефектація хрестовини;
• неруйнівний контроль вала, відновлення посадочних поверхонь, ремонт шийок валів;
• ремонт напрямних підшипників і підп’ятників, перезаливання бабіту, шабрування сегментів;
• ремонт системи гальмування та повітроохолоджувачів;
• динамічне балансування, вібраційна діагностика, центрування, стендові випробування, оформлення технічних протоколів.

Обсяг ремонту конкретного гідрогенератора визначається після аналізу типу агрегату, потужності, конструкції, положення вала, габаритів, маси ротора, способу монтажу, технічної документації, характеру пошкодження та вимог виробника й замовника.

Гідрогенератор — це велика тихохідна синхронна машина, яка працює в тісному взаємозв’язку з гідравлічною турбіною, валопроводом, підп’ятником, напрямними підшипниками та системою регулювання.

Ключові особливості гідрогенератора:

1. 01Низька швидкість і велика кількість полюсів.
2. 02Великий діаметр ротора.
3. 03Високе осьове навантаження.
4. 04Наявність складного підп’ятника.
5. 05Висока чутливість до повітряного зазору.
6. 06Взаємний вплив турбіни та генератора.
7. 07Небезпека розгінної швидкості.
8. 08Значні навантаження при частих пусках.
9. 09Необхідність контролю полюсних кріплень.
10. 10Велика вартість аварії та простою.

Якісний ремонт повинен включати:

• аналіз експлуатаційної історії та фіксацію початкової геометрії;
• повну дефектацію, перевірку статора й сердечника, діагностику ротора;
• контроль полюсів, обода та хрестовини, діагностику підп’ятника;
• контроль повітряного зазору, неруйнівний контроль, центрування й балансування;
• електричні випробування, функціональну перевірку захистів;
• контрольований пуск, аналіз вібрації під навантаженням і оформлення технічного звіту.

Відмова від відповідальності

Стаття має загальний інформаційний характер і не є інструкцією з експлуатації, монтажу або ремонту конкретного гідрогенератора. Технологія розбирання, підйому ротора, демонтажу полюсів, ремонту обмотки, регулювання підп’ятника, центрування, балансування та випробування повинна визначатися на підставі документації виробника, креслень, формуляра агрегату, результатів дефектації, застосовних стандартів, інструкцій ГЕС або ГАЕС, розрахунків та вимог промислової безпеки.

Особливу небезпеку становлять висока напруга, велика маса ротора, значне осьове навантаження, накопичена енергія обертових частин, тиск води, масло під тиском, підйомне обладнання, гальмівна система, підйом ротора домкратами, розгін агрегату та випробування підвищеною напругою.

Без спеціалізованої організації, кваліфікованого персоналу та погодженої технології не допускається піднімати ротор, демонтувати полюси, змінювати натяг обода, ремонтувати хрестовину, регулювати підп’ятник, переміщувати напрямні підшипники, змінювати повітряний зазор, ремонтувати високовольтну обмотку, виконувати високовольтні або розгінні випробування чи запускати агрегат після ремонту.

Фактичний обсяг і допустимість робіт ТОВ ВКФ «Електропромремонт» щодо конкретного гідрогенератора визначаються після отримання технічної документації, даних про конструкцію, потужність, габарити, масу, пошкодження та вимоги до випробувань.