книги из ГПНТБ / Аврух, В. Ю. Устройство и эксплуатация щеточных узлов современных турбогенераторов и турбовозбудителей

Критерием оценки качественного исполнения щетко­ держателей является разница ординат ∆p между верхней и нижней кривой (рис. 5-2), значительная величина ко­ торой может являться одной из причин, вызывающих сколы рабочей поверхности щетки при вибрациях до

300 мкм. Щеткодержатели, у которых указанная разни­ ца превышает 10% номинального значения, должны за­ меняться на новые.

` В связи с тем, что в условиях эксплуатации подрегу­ лировка нажатия пружины производится без учета элек­ трических и механических потерь в контакте и вызвана в основном изменением ресурса щетки, .была исследо­ вана конструкция с рулонными пружинами.

Испытания щеткодержателей с рулонными пружина­ ми с характеристикой, изображенной на рис. 5-3, показа­

ли, что они вполне пригодны для использования на кон­

тактных кольцах турбогенераторов. Улучшение токорас-

пределения вследствие использования щеткодержателей

новой конструции приведет к более надежной работе

узла токосъема. Кроме того, использование ведет также

к упрощению эксплуатации щеточного аппарата, к мень­

шему количеству осмотров и подрегулировок.

Іщ

П -rr-η,η П~| ⅛ и1Г“г

I

У

Рис. 5-3. Токораспределение по щеткам при различной конструкции

нажимного механизма щеткодержателя.

а — цилиндрические пружины; б — рулонные пружины; /ср — среднее расчет­ ное значение тока.

Следует также отметить, что в процессе обследования

турбогенераторов с нормальной амплитудой вибрации колец был установлен факт повышенного нагрева щеток и контактных колец до 180—200 oC вне зависимости от исполнения формы рабочей поверхности при отсутствии токовой нагрузки, что объясняется увеличением коэффи-

Gl

циент*а трения из-за скользящего контакта в условиях сухого трения. Последнее приводит к нарушению элек­ трического контакта между ' токоведущим проводом и щеткой вследствие процесса окисления медной разваль­ цовочной трубки или конопаточного порошка и к рез­ кому увеличению переходного сопротивления в заделке,

что оказывает неблагоприятное влияние на токораспределение в параллельно работающих щетках.

Это явление вызывает искрение отдельных щеток из-за их перегрузки. Исключение такого перегрева воз­ можно при притирке вновь устанавливаемых щеток под токовой нагрузкой. При нормальной амплитуде виб­

Серьезной проблемой при работе турбогенераторов

является износ колец, который у турбогенераторов с плотностями тока в щетке выше 5 А/см2 приобретает

резко выраженный полярный характер, При этом, как

правило, износ отрицательных колец значительно выше,

чем положительных. Поэтому в эксплуатации периоди­

чески меняют полярность колец. Однако при использо­ вании этого приема из-за особенностей условий работы щеток на контактных кольцах, заключающейся в форми­ ровании на каждом кольце «однополярной политуры», часто при взятии сразу же большой нагрузки генерато­ ром возникает нарушение в работе щеточного узла (щетки вибрируют, скалываются и даже полностью раз­ рушаются), при смене полярности колец турбогенератор должен работать в течение 4—6 ч при такой нагрузке, при которой ток ротора не превышает 30—50% номи­ нального. Одним из распространенных видов износа ко­ лец, наблюдаемых также в эксплуатации, является износ последних в виде бороздок или рисок, различных по глу­ бине и ширине, обусловленный переносом материалов кольца особенно при искрении под щетками и его по­ следующим вкраплением в тело щетки.

Все эти виды износа связаны с непостоянством усло­ вий работы узлов токосъема. Эти условия определяются

характером окислительно-восстановительных реакций, проходящих в окисной пленке (политуре), состоянием атмосферы, вибрацией колец, неравномерным нажатием на щетки, а неблагоприятные их сочетания вызывают значительные колебания в распределении тока между

62

щетками, серьезно нарушающими работу скользящего контакта.

Определяющими в этом процессе яйляются правиль­

ный режим притирки щеток и наведения пленки на кон­ тактных кольцах и выбор оптимальной плотности тока.

Равномерная и плотная пленка на контактных коль­

цах наводится практически для всех марок щеток при работе щеточно-контактного аппарата в течение 10— 15 ч. Причем начальная токовая нагрузка ротора долж­ на быть не менее 50% номинального тока..

Измерение толщины такой пленки методом «фритингования» [Л. 13] с последующей статистической обра­ боткой данных по величине пробивного напряжения по­

казало, что толщина ее не превышает 100 А. Более мощ-

ŋ

ная и равномерная пленка толщиной более 200 А приво­ дит к обратному результату, наблюдается искрение под щетками, и неравномерность токораспределения резко увеличивается. Измерение в этот момент переходного падения напряжения показало, что оно возросло в 1,5

раза.

Переходное падение напряжения в контакте является хорошим показателем, свидетельствующим о состоянии скользящего контакта. При возрастании его величины от значения, соответствующего нормальной работе ще­ ток, требуются меры по уменьшению толщины пленки. В данном случае может быть рекомендована установка нескольких (до пяти) щеток без токоведущих проводов.

При уменьшении переходного падения напряжения не­

обходимо или уменьшить количество щеток (отключить часть щеток, не более пяти), или увеличить нагрузку ротора.

Изучение процесса токораспределения при различной температуре контактных колец подтвердило гипотезу о связи между вольт-амперными характеристиками кон­ такта и щеток и показателями токораспределения.

Линейной вольт-амперной характеристике контакта

соответствует меньшее значение отношения /щ.максДщ.ср.

При этом установлено, что наиболее полно отражает

характер процесса токораспределения вольт-амперная характеристика контакта, определенная методОхМ про­ хождения сигнала пилообразной формы.

В процессе испытаний выяснено, что температура контактных колец для обеспечения равномерного токо-

63

распределения должна соответствовать определенным пределам, несколько отличающимся для щеток разных марок. Обеспечение линейности вольт-амперной харак­

теристики щеток возможно йутем поддержания переход­ ного падения напряжения в определенных пределах.

Для возможности задания определенного температур­ ного режима с целью обеспечения линейности вольт-ам­ перной характеристики и создания однородной и тонкой политуры на кольце были сняты зависимости (рис. 5-4)

для электрощеток марки ЭГ-4 применительно к сущест-

Рис. 5-4. Зависимость общих потерь в кон­ такте Ap от плотности тока и вид вольт-

амперной характери­

стики комплекта ще­ ток в точках, соответ­

ствующих плотности

тока /=5 А/см2 (а) и

/=8—12 А/см2 (б).

вуюшим конструкциям щеточных аппаратов турбогенера­ торов мощностью 200—300 тыс. кВтг

Как видно из рис. 5-4, оптимальные плотности тока для щеток марки ЭГ-4 для существующих конструкций и режимов должны быть не меньше 9—10 А/см2. В этих условиях составляющая общих контактных потерь не играет существенной роли, т. е. не проявляются неодно­ родные механические свойства отдельных щеток и рав­ номерность распределения тока, температуры нагрева и скорости изнашивания щеток целиком определяются

электрическими свойствами контакта и образовавшейся на контактном кольце пленки.

В этих экспериментах еще раз было установлено определенное влияние на надежную работу узла токо­ съема графитовой пленки и наличия в щетке твердых включений. Образованная на контактном кольце пленка при отсутствии в щетках твердых включений и при со­

хранении режима работы может практически существо­

вать довольно длительное время.

64

влияния повышенной вибрации контактных колец явля­

ется применение щеток с определенными физико-механи­ ческими свойствами (модуль упругости, плотность и пористость).

Исследования позволили установить, что, помимо низкой абсолютной величины модуля упругости мате­ риала E1 в направлении ширины щетки, большое значе­

ние имеет еще отношение модуля упругости в этом

направлении к значению E2 в перпендикулярной плоско­ сти. Результаты испытаний показывают, что это отноше­

ние должно быть порядка 0,2. Если это условие выполняется, то щетки даже с высоким значением Ei обеспечивают хорошее скольжение и противостоят сколам.

Следует отметить, что на коллекторных машинах щетки всегда располагаются таким образом, чтобы направление усилия их прессования совпадало с направ­ лением вращения машины (рис. 5-6). На контактных кольцах это условие выполняется не всегда. Анализ показывает, что характеристика работы щеток ухудша­ ется по мере возрастания модуля упругости в направле­

нии, совпадающем с направлением вращения кольца. Для некоторых марок электрощеток наблюдается зна­ чительная анизотропия модуля упругости в зависимости от направления усилия прессования. В связи с этим ориентации щеток, при которой направление усилия

прессования не совпадает с направлением вращения кольца, необходимо избегать. Этот вывод подтверждает­ ся данными эксплуатации турбогенераторов мощностью

до 200 МВт, на которых щетки ориентированы таким образом, что плоскость их прессования оказывается развернутой на 90°. На многих турбогенераторах, даже при отсутствии вибрации, наблюдаются сколы щеток.

Данные, полученные при работе щеток марок 61 ЮМ, ЭГ-4 и ЭГ-2АФ на контактных кольцах с амплитудой вибрации 2 А =500 мкм при f=50 Гц, показали сущест­ вование функциональной зависимости между скалываемостью щеток и модулем упругости щеток в направлении

плоскости вращения кольца и особенно между скалывае-

мостью щеток и отношением E√E2.

Измеренные величины ускорений разных щеток показывают, что материалы с малой пористостью (высо­

кой плотностью) более подвержены вибрации. Последнее обстоятельство особенно наглядно проявляется в услови-

66

ях эксплуатации, где вибрация контактных колец часто превышает 300 мкм. В подобных условиях щетки более

плотные обладают меньшей скоростью изнашивания, однако процент разрушения их (сколы) значительно выше, чем у пористых материалов, обеспечивающих бо­

лее стабильный токосъем.

Рис. 5-7. Схема испытаний щеток иа вибростенде.

а —общий вид установки; б — принципиальная схема испытаний; / — стол вибростенда; 2 — токоведущйя пластина; 3 — щеткодержатель; 4— щетка; 5 — источник тока; 6 — электронный осциллограф.

Наилучшие результаты по виброустойчивости показа­ ла композиция щеток по типу марки 611 с добавкой 5—

7% хлорида аммония (марки 61 ІА). Указанная компо­ зиция щетрк имела пористость 25—35% и плотность 1,54— 1,55 Г/см3, а при испытаниях на вибростенде (по схеме рис, 5-7) выдерживала без разрушений циклическую

нагрузку с амплитудой А = 300 мкм при частоте / = 50 Гц

в течение 40 ч.

Выбранные композиции щеток с благоприятным соотношением Ei и E↑ E2 были исследованы на вибро­ стенде с целью определения влияния предельных значе­ ний амплитуды вибрации и частоты на безотрывность

контакта.

Обнаружено, что наибольшее значение амплитуды вибрации выдерживает контакт, образованный щетками марки 61 ІА, обладающей наименьшей массой. К сожале­

нию, уменьшить вес щетки за счет повышения пористости

путем различных технологических приемов не удается из-за низкой механической прочности материала. Поэто­ уму в эксплуатационной практике улучшение работы

щеточного аппарата необходимо искать в снижении

величины ускорения движения щеток в обойме щеткодер­ жателя и уменьшении инерционности системы щетка — нажимной механизм щеткодержателя.

Значительному снижению величины ускорений щеток способствует устранение или использование аэродинами­

ческого воздушного клина под щетками. Измерение

воздушного давления под щетками при скорости контакт-

Рис. 5-8. Щеткодержатель ре­ активного типа.

Рис. 5-9. Амплитудно-частот­

ные характеристики щеток.

накладкой.

ного кольца с винтовой нарезкой 78 м/с показало, что

под набегающим краем щетки существует зона повышен­ ного давления, а под сбегающим зона разрежения, в ко­ торой разрежение достигает нескольких десятков милли­ метров водяного столба.

Линия, разграничивающая эти зоны, не занимает

фиксированного положения и перемещается от оси щет­ ки в зависимости от угла наклона щеткодержателя. Раз­ режение под сбегающим краем щетки можно использо­

вать для увеличения площади действительного контакта

путем применения щеткодержателя реактивного типа с тем, чтобы перенести место касания щетки на ее набе­ гающую часть (рис. 5-8).

68

Исследование работы реактивного щеткодержателя позволило определить необходимый угол наклона, кото­ рый должен находиться в пределах 7—9°.

Использование таких щеток позволило значительно улучшить токораспределение благодаря достигнутому увеличению площади фактического касания.

Измерение упругости контактного слоя щеток ЭГ4,

ЭГ2А и 61IOM по методике [Л. 14] показало, что наибо-

лее низкими значениями контактной жесткости облада­ ют щетки марки ЭГ4 (табл. 5-1). Однако соответствен­ но и собственная частота, определенная гго формуле

Из амплитудно-частотных характеристик щеток, сня­ тых до частот 7000—8000 Гц (рис. 5-9), видно, что начало области резонансных частот для щетки ЭГ-4 наступает

несколько раньше. При установке между щеткой и на­ жимным стержнем щеткодержателя резиновой наклад­

нансных частот в сторону больших значений, что, естест­

венно, снижает амплитуду вибрации щетки при нормаль­ ной частоте вращения роторов турбогенераторов.

Экспериментальная проверка влияния резиновой амортизирующей накладки на стенде при амплитуде івибрации кольца 2 А = 500 мкм ,при частоте 50 Гц под­ твердила повышение виброустойчивости и уменьшение скалываемости такой конструкции щеток. Однако при

69

более высокое амплитуде вибрации применение аморти­ зирующей накладки не уменьшает скалываемости щеток.

Таким образом, попытки улучшения работы щеточно­ го узла ;при повышенной вибрации путем применения новых электрощеточных материалов и резиновых ламор-

тпзационных накладок приводят лишь к частичному улучшёнию работы щеточного аппарата при уровне виб­ рации контактных колец 400—500 мкм.

В процессе эксплуатации ще­ точного аппарата турбогенерато­ ра для обеспечения его надежно­ го и длительного безаварийного функционирования важно опре­ делить механические и электриче­

ские характеристики щеточного

контакта при определенном режи­ ме работы машины.

C этой целью желательно

ного узла поможет систематический контроль за экс­ плуатацией, основные положения которого следующие.

Обслуживают узел контактных колец и щеточный аппарат специально-выделенные и обученные лица ре­ монтного персонала электростанций и дежурный элек­ тромонтер с соблюдением правил техники безопасности. При эксплуатации турбогенератора регулярно не реже 1 раза в сутки производят осмотр щеточного аппарата.

При этом визуально оценивают искрение щеток. Допу­ стимая степень искрения по аналогии с машинами по­ стоянного тока 1 —11∕2, 'что соответствует слабому искре­ нию под большей частью щетки. Если искрение превы­

шает указанный уровень, принимаются меры по его

снижению путем подрегулировки нажатия на щетки; если эта мера не дает эффекта, снижается нагрузка ге­ нератора, первоначально реактивная, а затем активная,

70