книги из ГПНТБ / Глебов, И. А. Научные проблемы турбогенераторостроения

чувствительности заключается в измерении степени изменения кривой магнитной индукции в воздушном зазоре вблизи поверх­ ности ротора. Это измерение получается при помощи датчика

неподвижной поисковой катушки, расположенной в зазоре

вблизи ротора. Этот метод позволяет измерить скорость измене­ ния магнитной индукции, что существенно повышает чувствитель­ ность прибора.

Для экспериментов был использован старый турбогенератор

(рис. 14-9).

На рис. 14-10 приведена осциллограмма, снятая при холостом ходе генератора с номинальным напряжени­ ем. Обе прямые горизонталь­

ные линии соответствуют двум полюсам, а острые

пики напряжения соответ­ ствуют каждому пазу. Острые

пики напряжения, соот­ ветствующие катушке 1 на

полюсе А, значительно меньше, чем катушки 1 по­ люса В. На основании этого очевидно, что катушка 1 по­ люса А не создает такого же магнитного действия, как катушка 1 полюса В. После

изменения индукции в зазоре послужит средством для обнаруже­ ния короткозамкнутых витков всех типов роторов во время враще­ ния. Чтобы исследовать эту возможность были проведены ис­ пытания, использующие разные типы катушек и разные их по­

ложения в зазоре на генераторах в условиях завода во время

опытов холостого хода и короткого замыкания. Некоторые ис­ пытания были также проведены на электростанциях под нагруз­ кой. Нецелесообразно описывать детально результаты всех опы* тов, но следует перечислить типы измерительных катушек и из­ мерительных устройств: 1) катушки, позволяющие измерять скорость изменения волны радиальной, магнитной индукции

благодаря установке их на клине статора и на конце стержня-

зонда диаметром 6,35 мм, пропущенного через кожух и сердеч­

231

ник и установленного на любом расстоянии от ротора; 2) катушки, установленные на зонде, позволяли измерять скорость изменения волны тангенциального магнитного потока в зазоре; 3) устрой­ ство с использованием эффекта Холла: датчик на конце зонда

измерял индукцию; 4) одновитковая катушка с охватом одного или двух пакетов сердечника статора по его длине.

Типичное напряжение от устройства показано на рис. 14-11. Хотя кривые рис. 14-11 отражают пульсацию потока у каждого зубца, способы, изложенные в пи. 3 и 4, недостаточно чувствительны для обнаружения одного короткозамкнутого витка, например,

20 витков в катушке. Эти методы поэтому были исключены из даль­ нейшего рассмотрения.

if

~^⅛

Рис. 14-10. Напряжение пробной катушки.

Измерения скорости изменения магнитной индукции могут быть получены катушками, установленными для восприятия либо радиального потока, либо тангенциального. Оба вида катушек были использованы при исследованиях. Катушки тангенциаль­

ного потока обеспечивали наибольшую чувствительность во время опытов холостого хода. Во время опытов короткого замыкания

чувствительность обеих катушек была почти одинакова. Ниже

использованы данные, полученные от катушек радиального потока, для показа типичных результатов, потому что пики на­

синхронизацией генератора. Чтобы определить, дают ли данные пробной катушки в условиях холостого хода достаточную чув­ ствительность для обнаружения короткозамкнутых витков, были

проведены многочисленные испытания на роторах различного типа в разных условиях размещения пробной катушки и уровнях возбуждения. Хотя эти испытания показали намного большую чувствительность пробной катушки, чем у прежних средств, не­ которые короткозамкнутые витки не были обнаружены, особенно

в малых катушках (у большого зуба).

232 -

Чувствительность пробной катушки, которая может быть по­ лучена в опыте холостого хода, представлена в осциллограммах (рис. 14-12), полученных на двухполюсном генераторе 281.6 MBA,

который имел ротор с семью катушками на полюс по 11 витков

и одной катушки по 9 витков.

Если на вход электронного интегратора подавалось напряже­

ние пробной катушки (рис. 14-12, а, б), то на выходе получалось

нйпряжение той же формы, которая показана на рис. 14-11, а, б.

поток основной гармонической составляющей ротора в значитель­

ной мере компенсируется основной гармонической составляющей магнитного потока реакции якоря. Поэтому производные от зуб­ цовых потоков ротора определяются значительно проще. На рис. 14-13 приведена осциллограмма напряжения пробной ка­ тушки при возбуждении, обеспечивающем ток короткого замыка­ ния в обмотке якоря, равном 50% от номинального. В опытах ис­ пользовался тот же турбогенератор, что и в опытах холостого хода.

Из осциллограммы (рис. 14-13, б) видно, что при искусствен­ ном замыкании витка катушки 6 напряжение уменьшилось на

9% по сравнению с напряжением аналогичной катушки на дру­ гом полюсе. Принимая во внимание, что число витков в одной катушке равно 11, можно сделать вывод о достаточной чувстви­ тельности данного метода,

233

Следует иметь в виду, что в условиях эксплуатации возникают некоторые трудности с выполнением трехфазного короткого замыкания на выводах генератора. Однако проведенные экспери­

замыкание в цепи высоковольт­ ной обмотки трансформатора позволяет выявить один закоро­ ченный виток в обмотке ротора. При этом ток возбуждения при­

ходится увеличивать до значе-

6

Рис. 14-13. Напряжение пробной

Для анализа кривой напряжения пробной катушки более удобно использовать двухлучевой осциллограф, подавая на вто­

рой луч один сигнал за один оборот. Такой сигнал упрощает

определение полюса и номера паза поврежденной полюсной ка­

тушки.

234

В ряде случаев важно выяснить, будет ли исчезать корот­ кое замыкание при остановленном роторе. В этом случае следует вести наблюдение по экрану осциллографа до скорости, при кото­ рой исчезает короткое замыкание.

На рис. 14-14 показано принципиальное устройство датчиков, которые применялись в процессе разработки. Главная проблема

Рис. 14-14. Устройство для измерения магнитных индукций в зазоре.

а — устройство в целом: 1 — наружный диаметр бочки ротора, 2 — внутренний диаметр сердечника, 3 — обшивка, 4 — уплотнение на входе, 5 — шаровой вентиль; б — катушки для измерения составляющих индукций: 1 — радиального потока, 2 — тангенциального потока; в — датчик Холла: 1 — клин, 2 — вход, з — выход, 4 — зубец.

заключалась в их размещении. Наиболее просто разместились датчики на специально выступающем в зазор клине. Однако

при таком решении вопроса возникает опасность повреждения

устройства при заводке и выводе ротора. Поэтому наилучшим решением оказался стержень—зонд (рис. 14-14, а). Трубка с флан­

цем размещается в обшивке на заводе. Шариковый клапан с теф­

лоновым уплотнением и входное уплотнение устанавливаются на электростанции, когда в машине нет водорода. Стержень проходит в радиальном канале. Все элементы устройства выпол­

няются из немагнитных материалов. Радиальная и тангенциаль­ ная катушки изготовляются из провода диаметром 0.127 мм с числом витков в каждой катушке, равным 100.

235

В заключение необходимо отметить, что применение танген­

циальных катушек может дать более высокую чувствительность,

чем использование радиальных катушек.

14-7. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОВЫШЕННОГО ИСКРЕНИЯ ЩЕТОЧНО-КОНТАКТНОГО

АППАРАТА

Поскольку фирма «Дженерал Электрик» (США) применяет статические системы возбуждения, ею проведен большой ком­

плекс работ по повышению надежности работы щеточно-кон­ тактного аппарата. Однако энергосистемы США проявляют ин­ терес к более широкому внедрению бесщеточных систем возбужде­ ния в связи с упрощением эксплуатации турбогенераторов с та­ кими системами. Поэтому фирма разработала специальное устрой­ ство для выявления искрения щеточно-контактного аппарата.

Это устройство упрощает эксплуатацию машин, так как исклю­ чается необходимость систематического наблюдения за уровнем искрения щеток и контактных колец.

Описание устройства было представлено специалистами фирмы «Дженерал Электрик» (США) в докладе на летней сессии 1971 г.

Американского института инженеров-электриков и радиоинжене­ ров [126].

Как известно, щетки, скользящие по коллектору или кон­

тактным кольцам, создают радиочастотный шум. Принцип работы аппаратуры, используемой для обнаружения повышенного ис­ крения, основан на пропорциональности напряжения радио­ частоты степени искрения.

Внедрение систем возбуждения с выпрямителями весьма ус­

ложнило выявление искрения щеток, поскольку при этом на­

блюдается три частоты: 1) низкая частота в соответствии с ос­

новным коммутационным процессом выпрямителя; 2) высокая частота, сопровождающая коммутацию вентилей, при этом основное значение имеет первая полуволна высокочастотного колебания в форме пика; 3) радиочастоты, связанные с наличием

искрения.

Устройство для обнаружения повышенного искрения выполнено таким образом, что в нем исключаются напряжения первых двух,

частот и остаются только радиочастоты, связанные с искрением.

Одновременно напряжение от фильтра подается к цепи смещения

236

и ограничения 2, где исключаются радиочастоты и остаются только положительные импульсы коммутации напряжением около 5 В. В первом моностабильном мультивибраторе 4 происходит сдвиг начала отрицательного прямоугольного импульса на 0.5 мсек,

для исключения в дальнейшем интервала времени, в течение кото­ рого могут быть не только радиочастоты от искрения, но и высоко­ частотные колебания от коммутации вентилей. После дифферен­

цирования 5 выходного сигнала первого мультивибратора он

Рис. 14-15. Блок-схема устройства для обнаружения повы­ шенного искрения щеток.

1 — фильтр; 2 — смещение и ограничение; 3 — повторитель; 4 — первый моностабильный мультивибратор; 5 — дифференциатор; 6 — второй моностабильный мультивибратор; 7 — ограничитель; 8 — по­

проходит через диод и поступает на второй моностабильный муль­ тивибратор 6, где формируется положительный прямоугольный

импульс длительностью 0.6 мсек. В этом случае исключается интервал времени после импульса, в течение которого опять могут быть высокочастотные колебания от коммутации вентилей. Та­

ние радиочастот в постоянное напряжение. Это напряжение в диф­

ференциальном усилителе сравнивается с эталоном и по­ дается на звуковую сигнализацию 15. Для проверки устройства

используется генератор шумов 16. Принципиальная схема устрой­ ства приведена на рис. 14-16.

237

14-8. ПОЛНАЯ ЗАЩИТА ОБМОТКИ СТАТОРА ГЕНЕРАТОРА ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ

Вслучае применения водяного охлаждения обмотки течь воды,

аследовательно, и пробой изоляции на корпус в отдельных редких случаях принципиально могут быть в любой части обмотки, вклю­ чая и зону, близкую к нейтрали генератора, которая не заземлена. Поэтому в обмотках с водяным охлаждением особенно важно перейти от обычных защит методом заземления, не охватывающих

Рис. 14-17. Принципиальная схема защиты обмотки статора генератора без зоны нечувствительности.

1 — магнитный усилитель; 2—4 — обмотки управления; 5 — рабочая обмотка; 6 — реле; 7 — источник питания, 8 — генератор; 9 — транс­ форматор напряжения; 10 — повышающий трансформатор; 11 — ком­ пенсирующая емкость; 12 — сопротивление обмотки управления; 13 — шунтирующий конденсатор.

зону обмотки вблизи нейтрали генератора, к полной защите. В последние годы за рубежом и в СССР было предложено несколько таких методов.

Принципиальная схема защиты обмотки статора, предложен­ ная во ВНИИэлектромаше, приведена на рис. 14-17. Магнитный усилитель 1 имеет три обмотки управления 2, 3, 4 и одну рабочую обмотку 5, включаемую на реле 6, действующее на сигнал или на

отключение генератора. Обмотки 2 и 3 включены встречно. Обмотка управления 4 создает положительную обратную связь, благодаря которой магнитный усилитель действует в релейном режиме, срабатывая практически при равенстве мдс обмоток управ­ ления 2 и 3, подключенных к общему источнику питания 7 по­ стоянного напряжения. Ток в обмотке управления 2 определяется сопротивлением изоляции Rs генератора 8, сопротивлением 7?тр первичных обмоток трансформатора напряжения 9 и сопротивле-

23g

ниєм Rγ обмотки управления 2. Ток в обмотке управления 3 опре­

деляется сопротивлением уставки и сопротивлением R3 самой

обмотки. При равенстве сопротивлений обмоток управления 2 и 3 условие срабатывания реле может быть записано в виде:

Ли + -ffτp ≤ Rγ.

Из этого равенства следует, что реле будет срабатывать при снижении сопротивления в любой части обмотки статора генератора.

Этим и обеспечивается 100% защита всей обмотки от замыкания на землю. Вполне естественно, что нулевая точка генератора не

должна быть при этом соединена с землей через сопротивление.

Во избежание подмагничивания трансформаторов напряжения за счет постоянного тока последние должны быть меньше токов намагничивания первичных обмоток. Это требование должно учи­ тываться при выборе магнитного усилителя.

Шунтирующий конденсатор Сш необходим для исключения повышений напряжений на защитном устройстве со стороны це­ пей переменного тока генератора. Для этой цели емкостное со­ противление должно составлять незначительную долю от индук­ тивного сопротивления намагничивания трансформатора напря­

жения (обычно около 0.025%).

Компенсирующая емкость Ск, включаемая параллельно со­ противлению Rv исключает ложную работу реле при переходных процессах генератора. Это объясняется тем, что емкость Ck в зна­ чительной мере эквивалентирует емкость обмоток генератора на

корпус. Кроме того, наличие емкости Ck позволяет отказаться от необходимой выдержки времени. В результате время действия за­ щиты при металлических замыканиях на землю составляет 0.02ceκ.

В связи с включением обмоток управления 2 и 3 на один и тот же источник питания при колебании напряжения в пределах

от —20 до ⅛10% номинального погрешность времени срабатыва­ ния не превышает 1% от Rγ. Это позволяет использовать простой дестабилизированный источник постоянного напряжения 7.

Величина сопротивления уставки выбирается согласно фор­

муле:

ДДОП

r ⅛Λ

где Янлоп — допустимое сопротивление изоляции генератора; Zca — коэффициент надежности, учитывающий суммарную погреш­ ность уставки от изменения напряжения, температуры, а также от неточности настройки (обычно ⅛a=1.05); к3 — коэффициент воз­ врата защитного устройства (обычно Zcb=1.1).

Если генератор имеет водяное охлаждение статорной обмотки,

то сопротивление R, обмотки через дистиллированную воду си­ стемы охлаждения получается значительно меньше, чем сопротив-

240