Турбогенератор: будова, охолодження, діагностика та ремонт

Турбогенератор складається з нерухомого статора та швидкохідного ротора. У роторі розміщена обмотка збудження постійного струму, яка створює магнітне поле, що обертається разом із ротором. У пазах сердечника статора розміщена трифазна обмотка — обертове магнітне поле перетинає її провідники та індукує трифазну електрорушійну силу.

Синхронна швидкість:

n = 120f / p

де:

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

Потужність турбогенератора регулюється двома основними діями: подачею пари або газу на турбіну регулюють активну потужність, а струмом збудження — реактивну потужність і напругу.

Назва «турбогенератор» указує не на окремий електромагнітний принцип, а на тип первинного двигуна та конструктивне виконання генератора — це синхронний генератор, розрахований на спільну роботу з паровою або газовою турбіною.

Порівняно з гідрогенератором він має:

• значно вищу швидкість;
• меншу кількість полюсів;
• циліндричний неявнополюсний ротор;
• менший діаметр ротора та більшу осьову довжину;
• іншу систему вентиляції;
• вищі механічні напруження;
• спеціальні бандажні кільця;
• складнішу систему ущільнення вала у водневих машинах.

У паротурбінному блоці перетворення відбувається послідовно:

1. 01Хімічна або ядерна енергія перетворюється на тепло.
2. 02Тепло створює пару високого тиску.
3. 03Пара розширюється в турбіні.
4. 04Турбіна створює механічний момент на валу.
5. 05Ротор турбогенератора обертається.
6. 06Магнітне поле ротора індукує напругу в обмотці статора.
7. 07Електрична енергія передається через трансформатор у мережу.

У газотурбінній установці механічну енергію створюють гарячі гази, що розширюються в газовій турбіні.

Ротор турбогенератора має обмотку збудження, до якої підводиться постійний струм і яка створює магнітне поле з північним і південним полюсами. Під час обертання ротора магнітний потік змінює своє положення відносно пазів статора, і в трифазній обмотці статора індукуються три синусоїдальні ЕРС, зміщені одна відносно одної на 120 електричних градусів.

Після синхронізації генератора з мережею:

• швидкість ротора жорстко пов’язана з частотою мережі;
• активна потужність залежить від механічного моменту турбіни;
• реактивна потужність залежить переважно від збудження;
• кут між полем ротора та результуючим полем статора змінюється з навантаженням.

Магнітне поле ротора обертається з механічною швидкістю ротора, а магнітне поле струмів статора — із синхронною швидкістю. У сталому режимі ці поля обертаються з однаковою швидкістю, тому ротор не має ковзання відносно основного обертового поля, як у асинхронного двигуна.

До паспортних параметрів турбогенератора належать:

• номінальна повна потужність, МВА; активна потужність, МВт;
• номінальна напруга, кВ; струм статора, А; частота, Гц; частота обертання, об/хв;
• коефіцієнт потужності; струм і напруга збудження; ККД;
• тип охолодження; тиск водню; витрата охолоджувальної води;
• клас ізоляції; допустимі температури; схема з’єднання обмотки статора;
• кількість фаз і полюсів; критична швидкість; допустимий рівень вібрації; маса статора та ротора.

Повна потужність трифазного генератора:

S = √3UI

Активна потужність: P = √3UI cos φ

Реактивна потужність: Q = √3UI sin φ

Зв’язок між потужностями: S² = P² + Q²

де U — лінійна напруга, I — лінійний струм, cos φ — коефіцієнт потужності. Турбіна визначає, скільки активної потужності надходить у мережу; система збудження значною мірою визначає обмін реактивною потужністю.

• корпус, сердечник і обмотка статора, лобові частини обмотки, струмовиводи, кінцеві виводи;
• циліндричний ротор, обмотка збудження, пазові клини ротора, бандажні кільця;
• контактні кільця або безщіткова система збудження;
• підшипники, ущільнення вала, вентилятори;
• газоохолоджувачі, водяні колектори, система дистиляту;
• система подачі водню, система вуглекислого газу, масляна система ущільнення;
• система контролю температури та вібраційного моніторингу;
• система захисту, система збудження, нейтраль генератора;
• трансформатори струму та система заземлення нейтралі.

Статор — нерухома частина машини, яка складається із зовнішнього корпусу, елементів кріплення сердечника, сердечника, трифазної обмотки, системи кріплення лобових частин, вентиляційних каналів, датчиків температури, струмовиводів і газових або водяних комунікацій.

Статор повинен витримувати електромагнітні сили, сили при короткому замиканні, теплове розширення, вібрацію сердечника та лобових частин, внутрішній тиск водню та динамічні навантаження при аваріях.

Корпус статора

Корпус виготовляють переважно як жорстку зварну конструкцію, яка підтримує сердечник, сприймає механічні навантаження, герметизує газовий об’єм, розміщує охолоджувачі та передає масу на фундамент. Для водневого турбогенератора корпус є газощільною посудиною, тому його стан не можна оцінювати лише як стан звичайного корпусу електричної машини — перевіряють зварні шви, фланцеві з’єднання, ущільнення, оглядові кришки, тріщини, корозію, деформацію та герметичність.

Сердечник статора

Сердечник набирається із сегментів електротехнічної сталі, ізольованих один від одного для обмеження вихрових струмів, і включає зубці, пази, спинку, вентиляційні канали, натискні пальці, натискні плити та стяжні елементи. Сердечник зазнає змінного магнітного потоку, електромагнітної вібрації, локального нагрівання, осьових і радіальних сил та впливу потоків розсіювання в торцевих зонах.

Типові дефекти сердечника: ослаблення пресування, руйнування міжлистової ізоляції, локальні короткі замикання між листами, оплавлення зубців, механічні сліди від ротора, вібрація пакетів, ослаблення натискних пальців, перегрів торцевих пакетів. Міжлистове замикання створює локальний контур вихрового струму, що може спричинити інтенсивне локальне нагрівання, руйнування ізоляції обмотки, оплавлення активної сталі та аварію статора.

Обмотка статора та транспозиція

Обмотка статора є трифазною високовольтною обмоткою, виконаною у вигляді стрижнів, напівкотушок або формованих котушок. У потужних турбогенераторах зазвичай використовуються стрижневі двошарові обмотки. Стрижень складається з транспонованих елементарних провідників, головної ізоляції, напівпровідного пазового покриття, коронозахисних покриттів, водоохолоджувальних каналів (у водоохолоджуваних конструкціях), вивідних наконечників і водяних штуцерів.

Елементарні провідники в стрижні розташовані в різних положеннях відносно пазового поля. Без транспозиції в них виникали б різні індуковані напруги та циркуляційні струми. Транспозиція забезпечує періодичну зміну положення кожного провідника та зменшує циркуляційні струми, додаткові втрати й нерівномірне нагрівання. Однією з поширених схем є транспозиція типу Roebel.

Ізоляція, коронозахист і градієнтне покриття

Ізоляційна система повинна витримувати робочу фазну напругу, імпульсні перенапруги, часткові розряди, теплові цикли, електромагнітну вібрацію, радіальні та осьові сили, вологу, забруднення, тривалий нагрів і аварійні струми. Головна ізоляція зазвичай виконується на основі слюдяних стрічок, склотканини, епоксидної зв’язувальної системи та напівпровідних і градієнтних покриттів.

На прямолінійній пазовій частині стрижня застосовується провідне або напівпровідне коронозахисне покриття, яке забезпечує рівномірний контакт із заземленим сердечником, зменшує локальну напруженість поля та недопускає пазових розрядів. Його пошкодження може спричинити пазові часткові розряди, утворення озону, ерозію ізоляції, білий або сірий порошкоподібний наліт.

У зоні виходу стрижня з паза потенціал поверхні повинен поступово переходити від потенціалу сердечника до потенціалу провідника — для цього застосовується напівпровідне градієнтне покриття. Дефекти цієї зони можуть призводити до коронних розрядів, поверхневої ерозії, трекінгу та локального нагрівання.

Лобові частини та їхня вібрація

Лобові частини з’єднують пазові сторони стрижнів і формують трифазну схему. Вони зазнають значних електродинамічних сил, особливо при зовнішніх коротких замиканнях, несинхронному включенні, міжфазних пошкодженнях, великих перехідних струмах і частих пусках енергоблока. Система кріплення може включати опорні кільця, склотекстолітові кронштейни, дистанційні прокладки, шнурові бандажі, композитні елементи та стяжки.

Ротор турбогенератора має циліндричну неявнополюсну конструкцію і зазвичай виготовляється з цільної поковки легованої сталі. У поковці формуються бочка ротора, пази обмотки, зубці, шийки підшипників, хвостовики, посадки бандажних кілець, вентиляційні канали та посадки муфти. Цільнокована конструкція потрібна через надзвичайно високі відцентрові навантаження.

Відцентрове напруження зростає зі збільшенням радіуса та квадрата кутової швидкості. Тому для швидкості 3000 або 3600 об/хв ротор роблять відносно малого діаметра та великої осьової довжини, з високоякісної поковки, з ретельно контрольованими перехідними радіусами та мінімальними концентраторами напруження.

Обмотка ротора та пазові клини

Обмотка збудження розташовується у поздовжніх пазах бочки ротора та виготовляється переважно з мідних смуг або профільованих провідників. До складу ізоляційної системи входять пазова та міжвиткова ізоляція, підкладки, бокові прокладки, ізоляція лобових частин і дистанційні елементи. Обмотка повинна витримувати постійний струм збудження, відцентрові сили, теплове розширення, циклічне навантаження, вібрацію, форсування збудження та асинхронні режими.

Пазові клини утримують провідники в пазах і можуть брати участь у формуванні демпферних контурів, відведенні тепла та розподілі механічних навантажень. Дефекти клинів: ослаблення, переміщення, тріщини, ерозія, перегрів, порушення контакту.

Бандажні кільця

Лобові частини обмотки ротора виходять із пазів і зазнають великих відцентрових сил, тому їх утримують масивні бандажні кільця — один із найбільш відповідальних елементів турбогенератора. Кільце повинно мати високу механічну міцність, достатню пластичність, стійкість до втоми та корозійного розтріскування, стабільність посадки й контрольовані залишкові напруження.

Можливі дефекти: тріщини, корозійне розтріскування, фретинг, ослаблення посадки, деформація, локальний перегрів, електричні підпали, механічні пошкодження при демонтажі, втомне руйнування. Руйнування бандажного кільця на робочій швидкості може мати катастрофічні наслідки, тому його контроль виконується методами неруйнівного контролю відповідно до конструкції, матеріалу та вимог виробника.

У системі зі статичним збудженням постійний струм подається до ротора через контактні кільця, щітки, щіткотримачі та струмовиводи ротора. Типові дефекти контактних кілець: зношування, овальність, биття, канавки, підгар, забруднення, перегрів щіток.

Безщіткова система збудження

Безщітковий збудник установлюється на одному валу з турбогенератором і може включати допоміжний збудник, основний збудник змінного струму, обертову якірну обмотку, обертовий діодний міст, струмовиводи до обмотки ротора та автоматичний регулятор напруги.

Переваги: відсутність силових щіток, менше вугільного пилу, нижчі експлуатаційні витрати. Недоліки:

• складніша діагностика обертових діодів;
• обмежена доступність до роторового кола;
• складніше швидко зняти струм збудження;
• потреба в спеціальних системах контролю.

Статична система збудження та АРН

Статична система живить обмотку ротора через контактні кільця від керованого напівпровідникового перетворювача та може включати трансформатор збудження, тиристорний міст, автоматичний регулятор напруги, систему форсування, захист від перенапруги, пристрій гасіння поля та розрядний резистор. Переваги: висока швидкодія, швидке форсування, точне регулювання, ефективне гасіння поля та хороший вплив на стійкість енергосистеми.

Автоматичний регулятор напруги (АРН) регулює струм збудження для підтримання напруги на виводах, реактивної потужності, коефіцієнта потужності та заданого режиму обміну реактивною енергією. Додаткові функції: обмеження мінімального й максимального збудження, обмеження струму ротора та статора, стабілізатор енергосистеми, захист від втрати збудження, форсування при аварійному зниженні напруги.

Магнітна вісь ротора та результуюче поле статора мають певний кутовий зсув, який називають кутом навантаження, кутом потужності, внутрішнім кутом або кутом δ. При збільшенні механічної потужності турбіни кут збільшується; якщо він перевищує допустиму межу, генератор може втратити синхронізм.

У спрощеній моделі активна потужність синхронної машини пов’язана із синусом кута навантаження:

P ≈ EU/X · sin δ

де E — внутрішня ЕРС, U — напруга мережі, X — синхронний реактивний опір, δ — кут навантаження. Це спрощене рівняння корисне для розуміння стійкості, але не замінює повний розрахунок реального турбогенератора.

При збільшенні збудження генератор зазвичай віддає більше реактивної потужності в мережу; при зменшенні збудження він може споживати реактивну потужність. Проте допустимий режим обмежується нагріванням ротора, статора й торцевої зони, стійкістю, мінімальним збудженням, максимальним струмом і обмеженнями турбіни.

Capability curve (діаграма можливостей) показує допустимі комбінації активної та реактивної потужності. Межі можуть визначатися номінальним струмом статора, допустимим струмом ротора, нагріванням торцевих пакетів, межею стійкості, мінімальним збудженням, максимальною потужністю турбіни та параметрами охолоджувального середовища. Робота поза допустимою діаграмою може не призвести до негайного спрацювання захисту, але прискорює старіння машини.

Залежно від потужності та конструкції застосовують повітряне охолодження, водневе охолодження, безпосереднє водневе охолодження ротора, водяне охолодження статора та комбіноване воднево-водяне або повітряно-водяне охолодження. IEC 60034-3 охоплює спеціальні вимоги до повітряних, водневих і рідинно-охолоджуваних турбогенераторів.

Повітряне охолодження

Повітряні турбогенератори конструктивно простіші: відсутнє водневе господарство, простіше ущільнення, нижчий ризик вибухонебезпечної суміші, простіше обслуговування. Недоліки — більші вентиляційні втрати, нижча тепловідвідна здатність і більші габарити при однаковій потужності.

Водневе охолодження та його чистота

Водень застосовується як охолоджувальний газ усередині герметичного корпусу. Порівняно з повітрям він має малу густину, менші вентиляційні втрати, високу теплопровідність, хорошу теплоємність і нижчий аеродинамічний шум. GE Vernova зазначає низьку густину, високу питому теплоємність і теплопровідність водню як основні причини його застосування у великих генераторах.

Ефективність охолодження та вентиляційні втрати залежать від чистоти водню. Зниження чистоти через проникнення повітря збільшує густину газової суміші, підвищує вентиляційні втрати, знижує ККД і створює вибухонебезпечну суміш. Тому контролюють чистоту водню, тиск, температуру, вологість і витік.

Газоохолоджувачі та водяне охолодження статора

Нагрітий водень або повітря проходить через теплообмінники (газоохолоджувачі), що містять трубні пучки, водяні камери, колектори, ущільнення та систему відведення конденсату. Типові дефекти: забруднення трубок, корозія, протікання, повітряні пробки, недостатня витрата води.

У потужних машинах стрижні статора можуть містити порожнисті провідники або трубки, через які циркулює спеціально підготовлена вода. Пряме відведення тепла дозволяє збільшити допустимий струм, зменшити температурний градієнт, підвищити одиничну потужність і зменшити габарити. Siemens Energy вказує, що водоохолоджувані стрижні зменшують термомеханічні напруження в лобових частинах, а поєднання GVPI-статора з водяним охолодженням забезпечує рівномірні температури.

Охолоджувальна вода повинна мати контрольовані електропровідність, pH, вміст кисню, температуру, витрату, тиск і чистоту. Підвищена електропровідність збільшує струми витоку, низька витрата спричиняє локальний перегрів, а забруднення чи продукти корозії можуть звужувати або блокувати канали. Вода підводиться до стрижнів через кільцеві колектори, ізоляційні шланги, штуцери й порожнисті виводи, які повинні одночасно забезпечувати гідравлічну герметичність, електричну ізоляцію та стійкість до вібрації.

Витік води в статорі (через втомну тріщину порожнистого провідника, дефект пайки, пошкодження штуцера чи вібрацію) може призвести до зниження опору ізоляції, замикання на корпус, забруднення водневого середовища та важкої аварії статора. У воднево-водяній машині тиск водню може бути вищим за тиск води, тому через дефект порожнистого провідника водень може проникати в контур охолодження статора — ознаки: поява газу в розширювальному баку, зміна тиску, робота газовідділювача. Для старіючих водоохолоджуваних генераторів проникнення водню в стрижні статора є відомим ризиком, тому застосовуються спеціалізовані системи моніторингу витоків.

У водневому турбогенераторі вал виходить із герметичного корпусу, і для утримання водню застосовують масляні ущільнення. Масло подається до ущільнення під тиском, вищим за тиск газу. Система повинна не допускати виходу водню, обмежувати потрапляння повітря, підтримувати стабільний перепад тиску та забезпечувати резервування насосів.

Несправності системи ущільнювального масла: низький тиск, нестабільний перепад, забруднення масла, зношування ущільнювальних вкладишів, засмічення каналів, відмова насоса, проникнення водню в масляну систему. Несправність ущільнень може швидко створити небезпечну ситуацію, тому система має резервні джерела живлення та аварійні алгоритми.

Підшипники та масляна плівка

Турбогенератори переважно мають підшипники ковзання, що складаються з корпусу, вкладиша, бабітового шару, масляних каналів, ущільнень, системи подачі масла та датчиків температури й вібрації. Під час обертання вал формує гідродинамічну масляну плівку і не повинен безпосередньо контактувати з бабітом у нормальному режимі. Порушення плівки можливе через низький тиск масла, недостатню в’язкість, забруднення, перевантаження, неспіввісність або неправильний зазор.

У деяких установках при повільному обертанні та валоповоротному режимі застосовують підйомне масло високого тиску, яке піднімає вал і зменшує ризик сухого тертя, пошкодження бабіту та задирів.

Напруги на валу (через магнітну асиметрію, залишкову намагніченість, систему збудження або статичні заряди) можуть створювати струми через підшипники, що спричиняють точкову ерозію, підпал бабіту та руйнування масляної плівки. Для розриву контуру один із підшипників або його елементи можуть бути електрично ізольовані.

Після зупинки турбіни ротор ще тривалий час залишається гарячим; якщо він нерухомий, нерівномірне охолодження може спричинити тимчасовий тепловий прогин. Валоповоротний пристрій повільно обертає вал під час охолодження, прогрівання, підготовки до пуску та технічних операцій.

Роторопровід турбіни та генератора має власні частоти згинальних коливань. При проходженні відповідної швидкості виникає резонанс — таку швидкість називають критичною. Роторопровід проєктують так, щоб робоча швидкість не збігалася з небезпечною критичною, а критичні швидкості проходили контрольовано з допустимою амплітудою та достатнім демпфуванням.

Ротор турбогенератора потребує високоточного балансування. Дисбаланс може виникати через нерівномірність поковки, зміщення обмотки, ремонт пазових клинів, заміну бандажних кілець, теплову нестабільність або забруднення вентиляційних каналів. Для великих роторів застосовують низькошвидкісне та високошвидкісне балансування, теплове балансування та контроль механічного й електричного биття.

Ротор може мати прийнятну вібрацію в холодному стані, але збільшувати її при подачі збудження або нагріванні — це явище називають тепловим прогином або термочутливістю ротора. Причини: нерівномірне теплове розширення витків, міжвиткове замикання, обмежене ковзання провідників у пазах, асиметрія вентиляції, різна жорсткість лобових частин.

Ротор може охолоджуватися поверхнево, осьовими або радіальними каналами, підпазовою вентиляцією, прямим водневим охолодженням провідників або комбінованою схемою. Засмічення каналів спричиняє перегрів витків, нерівномірне теплове розширення, зростання вібрації та прискорене старіння ізоляції.

Перед підключенням генератора повинні збігатися послідовність фаз, частота, величина напруги та фазовий кут. Помилка синхронізації створює великий електромагнітний удар: високі струми, ударний момент, пошкодження муфти, зміщення обмотки статора, деформацію лобових частин і порушення центрування роторопроводу.

Несиметрія фазних струмів створює магнітне поле зворотної послідовності, яке відносно ротора обертається з високою відносною швидкістю та індукує струми в поверхні ротора, пазових клинах, бандажних кільцях і зубцях — це спричиняє швидке нагрівання поверхні ротора, пошкодження клинів і перегрів бандажних кілець.

При втраті збудження генератор може продовжувати обертатися, споживаючи реактивну потужність із мережі — машина переходить у небезпечний асинхронний режим, що спричиняє нагрів ротора та торцевої зони статора, нестійкість, коливання потужності й спрацювання захисту.

Несправності можна поділити на дефекти обмотки статора, дефекти сердечника, дефекти ротора, дефекти системи збудження, несправності охолодження, несправності підшипників, порушення ущільнення, механічні дефекти, пошкодження струмовиводів та несправності захисту й автоматики.

Часткові розряди

Частковий розряд — це локальний електричний розряд, який не перекриває всю товщину ізоляції між провідником і землею. Він може виникати у внутрішній порожнині, між шарами, на межі ізоляції та міді, у пазовому зазорі або на поверхні лобової частини. Ознаки: імпульсні електричні сигнали, озон, характерний запах, білий порошок, ерозія, почорніння, поверхневі доріжки.

Якщо стрижень недостатньо притиснутий у пазу, він вібрує під дією електромагнітних сил, стирається напівпровідне покриття, збільшується зазор і виникають пазові розряди. Причини ослаблення: усадка матеріалів, старіння клинів, ослаблення системи підклинювання, неправильний ремонт.

Замикання статора

Замикання обмотки статора на корпус спричиняють старіння головної ізоляції, часткові розряди, локальний перегрів, забруднення, волога, пошкодження сердечника, вібрація або витік води; наслідки залежать від способу заземлення нейтралі, місця дефекту та швидкості роботи захисту.

Міжфазне замикання зазвичай супроводжується дуже великим струмом і може виникнути в лобових частинах, у зоні з’єднань, у струмовиводах або в коробці виводів — можливі наслідки: руйнування обмотки, деформація лобових частин, оплавлення міді, пожежа та значний простій енергоблока.

Несправності ротора

Міжвиткове замикання ротора зменшує кількість ефективних витків частини обмотки та створює магнітну асиметрію; ознаки — збільшення вібрації при збудженні, зміна струму збудження, нерівномірний нагрів, зміна характеристики холостого ходу, поява теплового прогину.

Одне замикання обмотки ротора на корпус не завжди створює великий струм, оскільки коло збудження може бути ізольованим від землі, проте воно небезпечне: друге замикання в іншій точці може закоротити частину обмотки та спричинити сильну магнітну асиметрію, локальний перегрів, вібрацію та дугу. Тому застосовують захист або контроль першого замикання на землю в колі ротора.

Критичні зони для тріщин ротора: пазові зубці, шийки, галтелі, центральний отвір, посадки бандажних кілець і муфтова частина; причини — втома, термічні цикли, корозія, дефекти поковки, перевищення швидкості.

Вібрація та тертя

Основні причини вібрації турбогенератора: дисбаланс, неспіввісність, тепловий прогин, механічне тертя, дефекти підшипників, ослаблення фундаменту, масляна нестабільність, тріщина вала, короткозамкнені витки ротора, електромагнітна несиметрія та резонанс.

Тертя ротора можливе в ущільненнях, внутрішніх елементах, газових перегородках, статорі, підшипникових ущільненнях; ознаки — поява гармонік вібрації, зміна фази, локальний нагрів, шум, нестабільний прогин вала.

Дефекти підшипників: пошкодження бабіту, втомне викришування, задири, перегрів, ослаблення вкладиша, порушення геометрії, недостатній зазор, електрична ерозія, нестабільність масляного клина. Водень, що проникає в масляну систему через ущільнення, створює газонасичення, піноутворення та вибухонебезпечні концентрації у допоміжних системах — потрібен контроль газовмісту та вентиляції.

Комплексна діагностика включає аналіз історії експлуатації, аналіз аварій і пусків, візуальний огляд, електричні випробування статора, діагностику ротора, контроль сердечника, вимірювання часткових розрядів, контроль водяного контуру, випробування герметичності, вібраційний аналіз, контроль підшипників, аналіз масла, контроль системи збудження та функціональну перевірку захистів.

Перед розбиранням необхідно зібрати кількість годин і пусків, кількість аварійних зупинок, історію перевантажень, дані про несиметрію, режими недозбудження, випадки втрати збудження, максимальні температури, тренди вібрації, чистоту водню, витрати води, історію часткових розрядів і попередні ремонти. Окреме значення має не тільки абсолютний результат, а й зміна параметра з часом.

Електричні випробування статора

Опір ізоляції вимірюють для обмотки статора відносно корпусу, окремих фаз (якщо схема дозволяє), обмотки ротора, системи збудження та підшипникової ізоляції; показання приводять до порівнянних умов з урахуванням температури та вологості.

Індекс поляризації визначають як відношення опору ізоляції після тривалішого прикладання напруги до початкового значення — він допомагає оцінити вологість, забруднення та загальний стан ізоляції, хоча для сучасних низькоємнісних систем інтерпретація має враховувати конструкцію й інструкції виробника.

Випробування підвищеною напругою перевіряє електричну міцність ізоляції — може застосовуватися змінна напруга промислової частоти, постійна напруга, резонансна установка або very low frequency, залежно від дозволеної методики; випробувальну напругу вибирають з урахуванням номінальної напруги, віку, типу ізоляції та обсягу ремонту.

Вимірювання тангенса кута діелектричних втрат (tan δ) допомагає оцінювати стан об’ємної ізоляції, наявність порожнин, зволоження, розшарування та забруднення — аналізують абсолютне значення, зміну з напругою, різницю між фазами та тенденцію за роками.

Часткові розряди вимірюють офлайн або онлайн, на окремих фазах, під час навантаження та на різних режимах збудження, оцінюючи амплітуду, фазову картину, полярність, форму імпульсів і тренд. Часткові розряди не можна оцінювати лише за одним числовим рівнем без аналізу типу сигналу й історії машини.

Контроль пазових клинів і сердечника

Пазові клини перевіряють простукуванням, механічною оцінкою, електромагнітним сканером, вимірюванням переміщення або автоматизованою системою картування — результатом може бути карта щільних, послаблених і порожніх зон.

Сердечник випробовують кільцевим намагнічуванням, тепловізійним контролем, низькопотоковим електромагнітним випробуванням, методами EL CID або аналогічними та локальним вимірюванням — мета полягає у виявленні міжлистових замикань, локальних струмів і ризику перегріву.

При кільцевому випробуванні через тимчасову намагнічувальну обмотку створюють магнітний потік у сердечнику й контролюють температуру — локальна гаряча зона може свідчити про міжлистове замикання. Низькопотокові методи дозволяють виявляти локальні дефектні струми при значно меншому рівні намагнічування, з меншою потужністю джерела та можливістю автоматизованого сканування.

Діагностика ротора

Застосовують вимірювання опору ізоляції, контроль замикання на землю, вимірювання активного опору, імпедансне випробування, вимірювання падіння напруги, RSO, flux probe, теплові випробування, неруйнівний контроль поковки, контроль бандажних кілець і високошвидкісне балансування.

Метод Recurrent Surge Oscillograph (RSO) застосовується для виявлення несиметрії та міжвиткових замикань у обмотці ротора — імпульсний сигнал подається з різних кінців обмотки, а порівнюються форми відбитих сигналів. При імпедансному випробуванні до обмотки прикладають змінну напругу та вимірюють струм, напругу, імпеданс і втрати — зміна залежності при різних положеннях ротора або рівнях напруги може свідчити про міжвитковий дефект.

Flux probe встановлюється в повітряному зазорі та вимірює магнітний потік під час роботи, дозволяючи виявляти асиметрію поля, короткозамкнені витки та дефекти, які проявляються лише при відцентровій силі та робочій температурі.

Герметичність, водяний контур і вібрація

Для водоохолоджуваних стрижнів застосовують гідравлічні, пневматичні та вакуумні випробування, гелієвий контроль, контроль падіння тиску та індивідуальну перевірку стрижнів — під час пневматичних випробувань потрібно враховувати високу накопичену енергію стисненого газу.

Нерівномірна витрата через стрижні може вказувати на засмічення, деформацію каналу, газову пробку або відкладення оксидів — порівнюють абсолютну витрату, перепад тиску, температуру на вході та виході й значення сусідніх стрижнів. Хімічний контроль води аналізує провідність, pH, розчинений кисень, мідь, залізо та продукти корозії — різка зміна показників може бути першою ознакою внутрішнього дефекту.

Вібраційна діагностика контролює абсолютну вібрацію корпусів підшипників, відносну вібрацію вала, фазу, орбіту, спектр, положення осі вала та зміну з навантаженням, збудженням і температурою — особливо важливо розрізняти механічний дисбаланс, тепловий прогин, неспіввісність, електромагнітний дефект і нестабільність масляної плівки. Під час розгону й вибігу записують амплітуду, фазу, частоту обертання, проходження критичних швидкостей і орбіту — ці дані часто дозволяють відрізнити дисбаланс від резонансу чи теплової деформації.

• поздовжній і поперечний диференційний захист статора;
• 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 температур і вібрації;
• захист системи охолодження, при втраті водню, при низькій витраті води та при несправності ущільнювального масла.

Диференційний захист порівнює струми на різних кінцях зони — при внутрішньому пошкодженні різниця перевищує допустиму, що дозволяє швидко виявити міжфазні замикання та внутрішні пошкодження.

Якщо подача пари або газу припиняється, але генератор залишається в мережі, він переходить у двигунний режим і починає обертати турбіну, що може пошкодити лопатки. Захист від зворотної потужності відключає генератор при стійкому споживанні активної потужності з мережі.

Захист від негативної послідовності оцінює струм зворотної послідовності та його тепловий вплив на ротор, зазвичай враховуючи інтегральну характеристику типу I₂²t, оскільки допустима тривалість залежить від величини несиметричного струму.

Перезбудження магнітопроводу пов’язане зі співвідношенням напруги та частоти: при підвищеному V/Hz збільшується магнітний потік, що спричиняє насичення, перегрів сердечника, нагрів конструктивних деталей і пошкодження ізоляції.

Обсяг планового ремонту залежить від конструкції, напрацювання, кількості пусків, результатів моніторингу, стану ізоляції, вібрації, рекомендацій виробника та історії аварій. Роботи можуть виконуватися без виймання ротора, з вийманням ротора, з частковим демонтажем обмотки, із заміною окремих стрижнів або із повною заміною обмотки статора чи перемотуванням ротора.

1. 01Аналізують технічну документацію.
2. 02Фіксують параметри останнього режиму.
3. 03Виводять генератор із роботи та знімають напругу.
4. 04Гасять поле та відключають електричні кола.
5. 05Видаляють водень за встановленою процедурою.
6. 06Заповнюють корпус повітрям.
7. 07Відключають воду.
8. 08Зливають або ізолюють масло.
9. 09Встановлюють заземлення.
10. 10Виконують газовий аналіз.
11. 11Маркують трубопроводи та кабелі, фіксують положення деталей.
12. 12Готують такелаж і транспортні пристрої.

Ротор має велику масу, значну довжину та малий повітряний зазор. Для виймання застосовують спеціальні балки, візки, ковзні опори, подовжувачі вала та гідравлічні пристрої, не допускаючи удару ротора об сердечник, пошкодження лобових частин або навантаження на шийки.

Ремонт сердечника та обмотки статора

Ремонт сердечника може включати очищення, локальне розділення замкнених листів, відновлення міжлистової ізоляції, видалення оплавленої сталі, встановлення ремонтних вставок, заміну зубців, відновлення натискних пальців, повторне пресування або повну заміну сердечника. Після ремонту обов’язково повторюють електромагнітне випробування.

Ремонт обмотки статора може охоплювати ремонт коронозахисту, відновлення кріплення, заміну шлангів, перепаювання головок, заміну одного стрижня чи групи стрижнів, заміну всієї обмотки, відновлення фазних з’єднань і ремонт струмовиводів.

Заміна стрижня: маркування, демонтаж кріплення лобової частини, роз’єднання електричних і водяних з’єднань, видалення клинів, виймання стрижня, огляд паза, ремонт сердечника, контроль нового стрижня, укладання, відновлення підклинювання, електричне та гідравлічне з’єднання, відновлення коронозахисту, кріплення лобової частини, електричні та гідравлічні випробування.

Повна заміна обмотки статора потрібна при системному старінні, численних дефектах, тяжкому пошкодженні, недостатньому ресурсі ізоляції або модернізації потужності. Під час перемотування можуть модернізуватися система ізоляції, транспозиція, система водяного охолодження, кріплення лобових частин, коронозахист і конструкція пазових клинів.

Ремонт ротора

Може включати очищення, перевірку ізоляції, локальний ремонт виводів, ремонт контактних з’єднань, перепакування або заміну провідників, заміну пазової ізоляції, перемотування, заміну клинів, ремонт лобових частин, заміну бандажних кілець, ремонт вентиляції, ремонт контактних кілець, балансування та високошвидкісне випробування.

Перед демонтажем при перемотуванні фіксують кількість пазів і витків, геометрію провідників, схему з’єднання, міжвиткову ізоляцію, вентиляційні канали, положення підкладок і систему компенсації теплового розширення. Нова обмотка повинна забезпечувати електричну симетрію, механічну стабільність, вільне контрольоване теплове переміщення та відсутність теплового прогину.

Через натяг бандажне кільце не можна демонтувати звичайним механічним стягуванням — залежно від конструкції застосовують контрольований індукційний нагрів, спеціальні нагрівачі або гідравлічні пристрої з контролем температури й переміщення. Перегрів може змінити властивості матеріалу або пошкодити ізоляцію.

Ремонт контактних кілець може включати проточування, шліфування, полірування, відновлення канавок, ремонт ізоляції, заміну кілець, контроль биття та балансування; після обробки перевіряють відповідність марки щіток режиму струмового навантаження. Ремонт газоохолоджувачів може включати очищення, промивання, вихрострумовий контроль, гідравлічне випробування, заглушення дефектних трубок або заміну трубного пучка — заглушення надмірної кількості трубок зменшує охолоджувальну здатність і потребує теплового розрахунку.

Ремонт підшипників включає огляд бабіту, капілярний і ультразвуковий контроль зчеплення, перевірку геометрії й зазорів, шабрування, перезаливання, контроль масляних каналів і центрування. Центрування роторопроводу повинно враховувати холодний стан, теплове розширення, підйом опор, масляний клин і робочі температури — холодне геометричне співвісне положення не завжди є правильним робочим положенням.

Комплекс випробувань може включати вимірювання опору ізоляції, індекс поляризації, активний опір фаз і обмотки ротора, tan δ, часткові розряди, випробування підвищеною напругою, перевірку сердечника, гідравлічні випробування, вимірювання витрати, перевірку герметичності корпусу й ущільнень, балансування ротора, контроль биття, перевірку підшипникової ізоляції та системи збудження, перевірку захистів, пускові випробування, аналіз вібрації та перевірку під навантаженням.

Герметичність водневого корпусу перевіряють для корпусу, кришок, фланців, струмовиводів, газоохолоджувачів, ущільнення вала й трубопроводів методами контролю падіння тиску, локального пошуку витоку, мильного розчину, газоаналізатора, гелієвого методу або ультразвукового детектора.

Перед пуском перевіряють завершення монтажу, відсутність сторонніх предметів, ізоляцію, герметичність, масляну систему, ущільнювальне масло, охолоджувальну воду, газову систему, чистоту водню, валоповорот, збудження, захисти, вібраційні канали, температурні датчики, послідовність фаз і систему синхронізації.

Під час першого пуску контролюють вібрацію на валоповороті та при розгоні, проходження критичних швидкостей, температуру підшипників, тиск і температуру масла, чистоту й тиск водню, витрату та провідність води, струм збудження, напругу, частоту, часткові розряди (якщо доступний моніторинг) та зміну вібрації при наборі навантаження.

1. 01Розбирання без аналізу експлуатаційних трендів.
2. 02Виймання ротора без спеціальної оснастки.
3. 03Удар ротора об сердечник.
4. 04Недостатній контроль чистоти.
5. 05Залишення сторонніх предметів.
6. 06Заміна стрижня без випробування сердечника.
7. 07Ремонт коронозахисту випадковим матеріалом.
8. 08Недостатнє кріплення лобових частин.
9. 09Зміна жорсткості системи без модального аналізу.
10. 10Неправильне підклинювання.
11. 11Пошкодження водяного штуцера.
12. 12Відсутність індивідуальної перевірки витрати.
13. 13Неконтрольований нагрів бандажного кільця.
14. 14Повторне використання сумнівного кільця.
15. 15Перемотування ротора без перевірки теплової стабільності.
16. 16Балансування лише на низькій швидкості.
17. 17Ігнорування електричного биття.
18. 18Неправильне центрування валопроводу.
19. 19Неправильний підшипниковий зазор.
20. 20Відсутність перевірки ізоляції підшипника.
21. 21Заповнення воднем без правильної газової процедури.
22. 22Недостатня перевірка ущільнювального масла.
23. 23Пуск без функціональної перевірки захистів.
24. 24Оцінка ізоляції за одним мегомметром.
25. 25Ігнорування тренду часткових розрядів.

Чого не можна робити:

• заповнювати корпус воднем без проміжного газу;
• відкривати водневий корпус без підтвердження безпечного складу газу;
• виконувати вогневі роботи без повного газового контролю;
• виймати ротор без розрахованої оснастки;
• спирати ротор на робочі поверхні шийок;
• допускати удар по сердечнику;
• нагрівати бандажні кільця неконтрольовано;
• змінювати конструкцію лобових кріплень без інженерного обґрунтування;
• залишати ослаблені пазові клини;
• експлуатувати генератор із нестабільною витратою води;
• ігнорувати появу газу у водяному контурі;
• продовжувати роботу при зростанні вібрації без аналізу;
• шунтувати захист від втрати збудження;
• працювати поза допустимою діаграмою потужності;
• подавати збудження на нерухомий ротор довше дозволеного часу;
• виконувати несинхронне включення;
• запускати машину після внутрішнього замикання без повної дефектації.

Вібрація різко зростає після подачі збудження

Найімовірніші причини: міжвиткове замикання ротора, нерівномірне теплове розширення, асиметрія поля, тепловий прогин. Потрібно порівняти вібрацію без збудження і зі збудженням, фазу, струм ротора, дані flux-probe та RSO, а також поведінку при охолодженні.

Вода одного стрижня має вищу температуру

Можливі причини: зменшення витрати, часткове засмічення, внутрішній дефект провідника, підвищений струм, газова пробка. Перевіряють реальну витрату, перепад тиску, провідність, газовміст, електричний струм і температуру сусідніх каналів.

Після ремонту збільшилися часткові розряди

Перевіряють стан коронозахисту, контакт стрижня з пазом, підклинювання, градієнтне покриття, чистоту, відстані в лобових частинах та можливі зовнішні перешкоди.

Зростає витрата водню

Перевіряють ущільнення вала, перепад тиску ущільнювального масла, фланці, струмовиводи, газоохолоджувачі, водяний контур статора та газоаналіз у допоміжних системах.

Генератор перегрівається при недозбудженні

При споживанні реактивної потужності можуть зростати потоки розсіювання в торцевих зонах. Перевіряють положення на capability curve, температуру торцевих пакетів, струм статора, збудження та роботу обмежувача мінімального збудження.

1. 01Аналізувати тренди, а не лише аварійні межі.
2. 02Контролювати кількість пусків і теплових циклів.
3. 03Стежити за capability curve.
4. 04Не допускати тривалого недозбудження.
5. 05Контролювати струм негативної послідовності.
6. 06Підтримувати високу чистоту водню.
7. 07Контролювати ущільнювальне масло.
8. 08Підтримувати хімію дистиляту.
9. 09Порівнювати витрату окремих стрижнів.
10. 10Відстежувати часткові розряди.
11. 11Аналізувати зміну вібрації зі збудженням.
12. 12Контролювати вібрацію під час розгону й вибігу.
13. 13Виконувати неруйнівний контроль відповідальних деталей.
14. 14Перевіряти захисти після ремонту.
15. 15Зберігати повну ремонтну документацію.

• виробник, тип, заводський номер, рік виготовлення;
• потужність, напруга, струм, коефіцієнт потужності, частота, швидкість;
• тип охолодження, тиск водню, параметри води;
• напрацювання, кількість пусків, причина ремонту;
• результати вхідних випробувань, стан статора, ротора, сердечника, лобових частин, клинів, бандажних кілець, підшипників і ущільнень;
• обсяг виконаних робіт і матеріали;
• результати електричних, гідравлічних випробувань і контролю герметичності;
• балансування, центрування, вібрація, температури;
• дані пуску, висновок і залишкові рекомендації.

• Синхронні електродвигуни: будова та принцип роботи
• Як влаштований гідрогенератор?
• Що таке часткові розряди в генераторах?
• Як діагностують сердечник статора?
• Що таке RSO-діагностика ротора?Незабаром
• Як виконується балансування ротора?
• Як ремонтують бандажні кільця?Незабаром
• Як влаштоване безщіткове збудження?
• Що таке кут навантаження?
• Як ремонтують підшипники ковзання?Незабаром

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

До складу робіт можуть входити:

• технічна дефектація, аналіз причин пошкодження, розбирання генератора, виймання та встановлення ротора;
• огляд статора та ротора, перевірка сердечника й пазових клинів;
• діагностика обмотки статора: опір ізоляції, індекс поляризації, активний опір, підвищена напруга, tan δ, часткові розряди, імпульсні випробування;
• перевірка обмотки ротора, пошук замикання на корпус, виявлення міжвиткових замикань;
• ремонт коронозахисту й пазового покриття, відновлення підклинювання, ремонт кріплення лобових частин;
• ремонт фазних з’єднань, вивідних шин, нейтралі та струмовиводів;
• виготовлення секцій і стрижнів, заміна окремих стрижнів, виготовлення котушок збудження;
• ремонт і перемотування обмотки ротора, ремонт пазових клинів ротора, ремонт контактних кілець;
• відновлення валів і посадочних поверхонь, ремонт шийок, перевірка бандажних кілець;
• ремонт вентиляційних елементів і газоохолоджувачів, перевірка гідравлічної герметичності;
• ремонт підшипників ковзання, перезаливання бабіту, перевірка ізоляції підшипників;
• динамічне балансування, контроль биття, вібраційна діагностика, центрування;
• перевірка допоміжних вузлів, стендові випробування, оформлення протоколів.

Обсяг ремонту конкретного турбогенератора визначається після аналізу типу машини, потужності, конструкції, заводської документації, технічного стану, маси й габаритів вузлів, необхідного випробувального обладнання та вимог виробника й замовника.

Турбогенератор — одна з найскладніших і найвідповідальніших електричних машин енергетичного підприємства. Його надійність визначається не лише станом обмотки статора або ротора, а роботою взаємопов’язаної системи статора, ротора, сердечника, системи збудження, водневого господарства, водяного охолодження, масляних ущільнень, підшипників, валопроводу, захистів і системи моніторингу.

Найважливіші особливості турбогенератора:

1. 01Висока швидкість обертання.
2. 02Великі механічні напруження в роторі.
3. 03Висока напруга обмотки статора.
4. 04Значні електродинамічні сили.
5. 05Складна система охолодження.
6. 06Ризик водневих витоків.
7. 07Необхідність контролю водяних каналів.
8. 08Високі вимоги до вібрації та центрування.
9. 09Небезпека часткових розрядів.
10. 10Висока вартість аварійного простою.

Якісний ремонт повинен включати:

• встановлення першопричини та аналіз експлуатаційної історії;
• повну дефектацію, контроль сердечника, діагностику статора й ротора;
• перевірку систем охолодження та неруйнівний контроль відповідальних деталей;
• балансування, центрування, комплексні випробування;
• перевірку захистів, контрольований пуск і оформлення технічного звіту.

Відмова від відповідальності

Стаття має загальний інформаційний характер і не є інструкцією з експлуатації або ремонту конкретного турбогенератора. Технологія діагностики, розбирання, ремонту, випробування, заповнення воднем, роботи з вуглекислим газом, системою охолодження, бандажними кільцями, підшипниками та високовольтною ізоляцією повинна визначатися на підставі документації виробника, креслень, формуляра машини, інструкцій електростанції, результатів дефектації, застосовних стандартів, вимог промислової безпеки та інженерних розрахунків.

Особливу небезпеку становлять висока напруга, залишковий заряд, обертовий валопровід, велика маса ротора, водень, вибухонебезпечна газова суміш, масло під тиском, вода в електричних провідниках, нагріті деталі, бандажні кільця з високим натягом, стиснений газ та випробування підвищеною напругою.

Без спеціалізованої організації, кваліфікованого персоналу та погодженої технології не допускається розкривати водневий корпус, виконувати газозаміщення, виймати ротор, демонтувати бандажні кільця, ремонтувати високовольтну обмотку, змінювати конструкцію кріплення, виконувати високовольтні випробування, балансувати ротор, змінювати схему збудження або запускати агрегат після ремонту.

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