35 Основные дефекты электрических машин и их проявление

Приведем перечень характерных дефектов электрических машин.

Сердечник статора:

- повреждение межлистовой изоляции, вызывающее местные перегревы;

- изменение формы статора гидрогенераторов из-за ослабления стыковки секторов статора, что может привести к касанию ротора и статора.

Обмотка статора:

- нарушение изоляции элементарных проводников, вызывающее увеличение циркуляционных токов и местный перегрев обмотки;

- загрязнение, замасливание и увлажнение изоляции, вызывающее снижение электрической прочности изоляции;

Система непосредственного охлаждения:

- закупорка каналов непосредственного охлаждения, приводящая к местным перегревам обмотки;

- нарушение герметичности, приводящее к появлению дистиллята внутри корпуса и увлажнению изоляции.

Ротор:

- трещины в различных частях ротора турбогенератора или валу гидрогенератора, приводящие к повышенным вибрациям на оборотной частоте и изменению фазы вибрации;

- нарушение целости бандажных колец и клиньев обмотки ротора, приводящее к повышенным вибрациям.

Обмотка возбуждения:

- повреждение корпусной изоляции и витковые замыкания, приводящие к повышенным вибрациям на оборотной частоте и появлению подшипниковых токов;

- износ полых проводников при водяном охлаждении, приводящий к тепловому небалансу ротора и повышенным вибрациям.

Воздушный зазор (для гидрогенераторов и крупных асинхронных двигателей):

- изменение формы зазора или соосности сердечников статора и ротора, приводящее к асимметрии тока в параллельных ветвях и к возможному задеванию ротора о статор с последующим разрушением последних.

Подшипники и подпятники:

- нарушение изоляции, приводящее к появлению подшипниковых токов и повышенному нагреву подшипников;

- износ рабочих поверхностей и перекосы, которые приводят к увеличению температуры и уровня вибрации.

Уплотнения вала ротора (для турбогенераторов с водородным охлаждением):

- износ уплотнений или их повреждение, приводящие к увеличению расхода водорода и попаданию масла внутрь корпуса;

- перекос уплотнений, приводящий к их повышенному нагреву.

Средства и методы контроля состояния отдельных узлов. Сердечник статора. Ослабление прессовки сердечника приводит к его повышенной вибрации, которая контролируется специальными датчиками, установленными на корпусе машины. Повреждение межлистовой изоляции приводит к местным перегревам, которые контролируются либо термодатчиками, установленными в активной стали статора, либо тепловизорами, либо с помощью специальных термоиндикаторных покрытий. Эти покрытия наносятся на поверхность критических по перегревам узлов машины, и при достижении предельной температуры выделяют определенные газы и аэрозоли, которые выявляют при химическом анализе охлаждающего газа. Кроме покрытий на опасные места могут устанавливаться термочувствительные «этикетки», изменяющие свой цвет при превышении порогового значения температуры места установки. Осмотр «этикеток» возможен только во время ревизии на остановленной машине.

Обмотка статора. Контроль теплового состояния обмотки осуществляется либо с помощью встроенных датчиков температуры, либо с помощью тепловизоров, либо путем химического анализа охлаждающего газа, в котором находятся продукты термического разложения изоляции. По концентрации продуктов разложения можно судить о степени перегрева изоляции.

Воздушный зазор. Контроль воздушного зазора осуществляется с помощью систем оптического контроля. С помощью таких систем, имеющих датчики на статоре и роторе, удается выявить радиальные колебания статора, неравномерное расширение статора при нагревании, динамические изменения воздушного зазора при изменениях режима работы и биение вала.

Подшипники и подпятники. Для определения состояния подшипников осуществляется непосредственный (путем установки датчиков на баббитовых вкладышах) или косвенный (измерение температуры масла на входе и выходе подшипника) тепловой контроль, а также контроль вибрации.

Системы вибродиагностики позволяют получать достоверную информацию о наличии следующих дефектов: разбалансировка ротора, несоосность вала, неравномерность воздушного зазора, дефекты уплотнений, трещины в роторе, структурные резонансы и ряд других.

На базе комплекса методов выявления дефектов созданы автоматизированные системы контроля состояния крупных электрических машин. Так, созданная в России система СКДГ контролирует температуру, электрические и механические параметры и выдает предупредительные и аварийные сигналы при выходе измеряемых величин за допустимые пределы.

Основным направлением развития систем диагностики является автоматизация. Примером автоматизированных систем может служить система SUPER, установленная на одной из канадских ГЭС.

Математическое обеспечение системы SUPER позволяет обрабатывать и передавать сигналы датчиков, отбирать их для базы данных, осуществлять постоянный контроль и анализ в режиме «on-line» и проводить специальные тесты.

В системах функциональной диагностики нашли широкое применение устройства контроля химических и механических примесей в охлаждающем газе, позволяющие определять перегревы изоляции и степень ее механического износа. Эти устройства могут быть стационарными и переносными.

Применение систем функциональной диагностики совместно с испытаниями и проверками во время ревизий и осмотров позволяет максимально увеличить межремонтный период.

36 Вибродиагностика электрических машин

Электромагнитные дефекты электрических машин. Анализируя сигналы с вибродатчиков, установленных на подшипниках электрических машин можно выявить много специфических причин повышенной вибрации. Эти причины могут являться прямым результатом наличия различных внутренних электромагнитных дефектов электрических машин.

Вибродиагностические методы контроля состояния двигателей являются первым этапом в оценке состояния, т.к. позволяют анализировать состояние оборудования непосредственно во время его работы. После выявления основных признаков существования дефекта, необходимо применять другие, специализированные методы диагностики.

Основной признак того, что диагностируемый дефект имеет электромагнитную природу - мгновенное исчезновение его признаков в спектре вибрации после отключения электрической машины от сети.

Очень важным является то, что диагностика причин повышенной вибрации электрических машин должна проводиться при возможно большей нагрузке двигателя.

Для успешной диагностики различных электромагнитных дефектов в электрических двигателях и генераторах необходим спектроанализатор с очень высокой разрешающей способностью.

Измерение вибрации на подшипниках электродвигателей и генераторов нужно всегда проводить в трех направлениях - вертикальном, поперечном и осевом.

Дефекты статора, которые можно определить по вибропараметрам:

- ослабление прессовки пакета стали, обрыв или замыкание в обмотке;

- неправильный взаимный осевой монтаж активных пакетов ротора и статора.

Дефекты ротора, диагностируемые по вибрации:

- обрыв или нарушение контакта в стержнях или кольцах “беличьей клетки” в асинхронном двигателе;

- ослабление прессовки всего пакета стали ротора или только в области зубцов.

Дефекты стали и меди статора. При всех дефектах активной стали или обмотки статора электрической машины, имеющих электромагнитную природу, в спектре вибросигнала возникает вибрация с высокой амплитудой гармоники на частоте электромагнитных процессов.

Ослабление прессовки активного железа статора обуславливается, в основном, двумя причинами - или общим ослаблением элементов крепления железа статора, или же явлением “отслоения” крайних листов и пакетов стали.

При локализации дефекта железа статора важную роль начинает играть место установки вибродатчика. Чем ближе он устанавливается к дефектному месту пакета статора, чем короче будет путь прохождения полезной виброинформации, тем более корректно можно будет проводить диагностирование и локализовать место проявления дефекта.

Эксцентричность статора. Эксцентриситет статора возникает как дефект изготовления “шихтованного” пакета стали статора, как дефект монтажа статора, в процессе монтажа электрической машины. Данный дефект статора может возникнуть в результате ослабления фундамента.

Дополнительно несколько возрастает амплитуда гармоники на частоте вращения электромагнитного поля в зазоре. Это позволяет в асинхронных двигателях хорошо дифференцировать эксцентричность статора от эксцентричности ротора, где вибрация идет с частотой вращения ротора. Для выявления этого различия необходимо наличие спектроанализатора с хорошим разрешением.

Обязательно должно соблюдаться требование к качеству взаимного монтажа статора и ротора. Значение этого параметра жестко контролируется при помощи специальных щупов при монтаже электрической машины. Такая процедура измерения должна производится при нескольких взаимных положениях ротора и статора.

Неправильный осевой монтаж двигателя.

Сила взаимного притяжения между ротором и статором является векторной величиной и состоит из трех составляющих - радиальной составляющей, касательной (полезной) и осевой.

У подшипников скольжения существует значительный “осевой разбег”, но и его может оказаться недостаточно для компенсации дефектов монтажа, и возникает трение галтели вала о торцевую поверхность вкладыша. Часто вал электродвигателя “утягивается” валом насоса при дефектах системы осевой разгрузки рабочего колеса насоса. Парадокс диагностики - дефект в насосе, а вибрация в двигателе.

На практике бывают случаи, когда ротор в подшипниках скольжения перед пуском принудительно смещают в ту или иную сторону в осевом направлении, например при помощи лома, и двигатель некоторое время хорошо работает. С течением времени, в процессе работы, ротор смещается обратно и осевые вибрации агрегата снова возрастают.

Для устранения осевой вибрации в насосных агрегатах необходимо корректно и комплексно выставлять при монтаже все три так называемых в практике “осевых разбега” - в насосе, в муфте и в двигателе.

Эксцентричный ротор. Это достаточно часто встречающаяся в практике причина повышенной вибрации электрических машин.

Эксцентричность ротора обычно проявляется и в вертикальной и поперечной проекциях вибрации. Иногда ее удается обнаружить в осевой проекции. Так бывает при наличии эксцентричности ротора только в районе одного, если смотреть вдоль оси ротора, края пакета электротехнической стали.

Эксцентричность ротора часто носит нестационарный характер, когда в спектре работающего двигателя имеется характерная картина, а практические измерения зазора не подтверждают диагноз. Причина здесь обычно в термических процессах, когда по тем или иным причинам ротор несимметрично нагревается, изгибается и дает картину эксцентриситета.

После останова двигателя, в процессе его разборки для измерения зазора, температуры быстро выравниваются и диагноз не подтверждается. Часто так бывает при обрывах стержней или частичных “задеваниях” ротора об неподвижные элементы, когда ротор так же начинает односторонне нагреваться.