книги / Надежность электрических машин

251

Местные превышения температуры меньшей величины могут возникать при закупорке полых проводников машин с водяным охлаждением. Перекрытия каналов полых проводников возможны из-за деформирования их в процессе изготовления стержней, из-за отложений на стенках каналов, а также при искусственном заглушении полого проводника в случае утраты его герметичности. Повышенный нагрев крайних пакетов сердечника возникает при работе ТГ в асинхронномрежиме.

Проникновение в машину воды, масла способствует повреж-

дениям изоляции. Увлажнение изоляции возможно вследствие появления течи в воздухо- и газоохладителях. Проникновение влаги в изоляцию машин с водяным охлаждением возможно также при появлении течи из полых элементарных проводников вследствие трещин в их стенках, течи в местах паек наконечников с проводниками стержня, при разрывах водоподводящих шлангов и т. д.

Опыт эксплуатации генераторов с водяным охлаждением показывает, что в них попадание влаги на изоляцию случается чаще, чем в машинах с газовым охлаждением. Скорость увлажнения оказывается наибольшей для микалентной изоляции, наименьшей – для изоляции типа «монолит». Скорость увлажнения быстро растёт с повышением температуры.

Попадание масла на обмотку обычно сопровождается её загрязнением, что создаёт условия для возникновения поверхностных разрядов и других опасных явлений для изоляции. Существующие системы уплотнений и маслоснабжения не исключают возможности проникновения масла и его паров внутрь машины. Известны случаи пробоя изоляции статорных обмоток крупных ТГ в результате попадания масла на поверхность обмотки.

Повреждения активной стали. Наиболее типичным де-

фектом активной стали является ослабление её запрессовки. На заводах прессовка стали производится примерно через каждые 0,5 м, причём давление прессовки увеличивается от 80–100 до 170 Н/см2. При меньших давлениях не обеспечивается необ-

252

ходимая плотность прессовки, при больших возникает опасность повреждения лаковой плёнки под вентиляционными распорками, где местные давления достигают 1000–1200 Н/см2. Поскольку применяемые давления находятся в сравнительно узких пределах, то отклонения за эти пределы ведут к серьёзным неисправностям сердечника статора.

В процессе работы электрической синхронной машины усилия, возникающие от магнитного тяжения, вращающего момента, массы (веса) сердечника, вибраций, ослабляют в ней механическую прочность крепления цилиндра активной стали. Знакопеременные усилия, действующие на сегменты, приводят к появлению контактной коррозии, износу брусков несущих рёбер и дальнейшему ослаблению крепления стали. Прогрессирующее расшатывание сердечника вызывает поломку отдельных листов как в местах сопряжения с брусками, так и в зубцовой зоне. Последнее обстоятельство ведёт копасности повреждения изоляции.

Причинами плохой сборки активной стали являются нерав-

номерность толщины сегментов, их коробоватость, недостаточ-

ная точность разгонки рёбер статора, неправильная установка вентиляционных распорок. В процессе работы ослабление прессовки может происходить также из-за ослабления плохо зашплинтованных гаек стяжных болтов под действием вибрации.

При чрезмерном давлении прессовки возможны местные на-

рушения целости изоляционной плёнки на поверхности листов, особенно вероятные при неравномерной их толщине. При этом возникают контуры циркуляционных токов, которые могут вызвать сильные местные нагревы стали. Высокие температуры ведут к дальнейшему развитию повреждения вследствие выгорания лаковой плёнки на соседних листах. В наиболее тяжёлых случаях выплавление активной стали ведёт к местному разрушению корпусной изоляции. Электрический контакт между листами может возникать также в результате повреждения изоляционных слоёв вибрацией и, как следствие, контактной коррозией, изза пропиловки пазов, отдельных забоин на поверхности зубцов

253

или вследствие замыкания листов при нарушении изоляции термосопротивлений. Такие повреждения менее опасны в машинах при небольших магнитных потоках на полюс и небольшой высоте сердечника статора. Но в ТГ они могут привести к тяжёлым авариям. В мощных ТГ с форсированным охлаждением и повышенной индукцией наблюдается увеличение повреждаемости активной стали.

Механические повреждения ротора. Роторы СМ повреж-

даются реже их подвижных частей, но эти повреждения нередко оказываются более разрушительными и приводят к тяжёлым авариям. Это особенно касается ТГ с роторами, обладающими большим запасом кинетической энергии.

Значительное количество серьёзных повреждений ТГ приходится на бандажный узел, т.е. наиболее напряжённую часть ротора. Бандаж работает в крайне тяжёлых условиях, будучи нагружён, кроме центробежных усилий, также усилиями от горячих посадок и деформаций вала. Напряжения от этих усилий складываются с внутренними остаточными напряжениями в поковке ротора и концентрируются в местах наличия в ней внутренних дефектов (раковин, микротрещин и т.п.). При этом 60– 70 % общей величины напряжений в бандаже обусловлено центробежной силой от собственной массы бандажного кольца. В таких условиях даже незначительные дефекты материала бандажа, недостатки конструкции бандажного узла или ошибки при выполнении посадок приводят к появлению в бандаже трещин, развитию которых способствуют явления усталости металла, а также нагрев кромки бандажного кольца циркуляционными токами. Постепенное разрушение бандажа, не обнаруженное своевременно, завершается его разрывом.

Слабым местом бандажного узла является посадка на боч-

ку ротора. В ТГ с жёсткими центрирующими кольцами ослабление посадки вследствие знакопеременных усилий, действующих на бандаж, представляет собой типичное явление. После некоторого периода нормальной работы край бандажа начинает пере-

254

мещаться по поверхности зубцов ротора, постепенно разрушая зубцы ротора и кромки бандажа. Применение эластичных центрирующих колец уменьшает передачу нагрузки на зубцы примерно вдвое, однако полностью предотвратить возникновение трещин в зубцах и на кромках бандажных колец таким способом не удаётся. Трещины продолжают возникать вследствие подгаров и оплавлений бандажей и зубцов при протекании через посадку токов от обратных полей статора, которые появляются при несимметричных режимах работы машины. Термические повреждения устраняются установкой прокладки между бандажным кольцом и поверхностью зубцов ротора или демпфирующего устройства.

В двухпосадочной конструкции бандажного узла эластичное центрирующее кольцо принимает усилия от изгиба хвостовика ротора. Знакопеременные усилия приводят к появлению трещин по окружности упругого элемента кольца вследствие усталости металла. В связи с этим стало расширяться применение консольной конструкции бандажного узла. Но такая конструкция требует установки в месте посадки бандажа дополнительных элементов (шпонки, гайки), препятствующих его осевому смещению. В практике эксплуатации ТГ были случаи разрушения бандажей вследствие коррозионного растрескивания, из-за воздействия на немагнитную сталь остаточных и рабочих напряжений, рабочих температур, влажности и агрессивных примесей в охлаждающем газе. Трещины особенно интенсивно развиваются в местах стыковки подбандажной изоляции с глубиной до 15 мм. Поэтому антикоррозионной эмалью покрываются бандажи всех ТГ.

Анализ работы ТГ с различными исполнениями бандажного узла отечественных и зарубежных заводов показывает, что всё ещё не имеется конструкции бандажного узла, обеспечивающей достаточную надёжность, подтверждённую опытом эксплуатации.

Относительно редкие, но тяжёлые аварии возникают из-за разрушения валов ротора. Причинами аварии являются заклинивание ротора при разрыве бандажа, распространение трещин

255

от зубцов в глубину вала, а также температурные напряжения в теле ротора, вызванные несимметричным распределением тепловых потоков в плоскости поперечного сечения.

Разность температур поверхности большого зуба и внутренней области ротора у нейтральной оси в ТГ с косвенным охлаждением достигает 90 −100°С. При этом напряжение разрыва, направленное вдоль оси ротора, может составлять величину порядка 16 000–18 000 Н/см2. Эти напряжения складываются со знакопеременными напряжениями от изгиба и при неблагоприятных обстоятельствах (дефект металла или его обработки, резкий толчок нагрузки, повышенная вибрация и др.) могут вызвать поломку ротора. Усталости металла ротора способствуют частые пуски, особенно с переходом через две критические скорости.

Повреждения обмотки ротора. Типичным повреждением обмотки ротора ТГ с косвенным охлаждением является её переме-

щение при изменениях температуры. Медь обмотки уже при ско-

рости вращения около 2/3 номинальной оказывается защемлённой под действием центробежных усилий, прижимающих её к клиньям и бандажам. Отсутствие возможности свободного изменения длины проводников при изменениях температуры приводит к появлению в них пластических деформаций. В результате изменяются размеры проводников, появляются их взаимные смещения, которые ведут квозникновению витковых замыканий. При этом наибольшую деформацию испытывают проводники, расположенные у дна паза. Процесс накапливания деформации ускоряется при частых пусках, перегрузках, местных повышенных нагревах. Применение непосредственного охлаждения обмотки ротора и легированной (с присадкой серебра) меди позволяет существенно уменьшить температурные деформации обмотки.

При непосредственном охлаждении обмотки ротора смещение изолированных прокладок между витками приводит к местным перекрытиям каналов, по которым циркулирует охлаждающий обмотку водород. Это сопровождается повреждением изоляции, так как температура в области закупоренных каналов может быть настолько высока, что на меди появляются цвета побежалости.

256

До 30–40 % отказов роторов СМ вызывается повреждениями

инеисправностями токоподвода и токосъёмного узла. Для мощных ТГ высокой надёжностью обладают внутренние токоподводы, но в эксплуатации были случаи нарушения изоляции токоведущих болтов, главным образом, вблизи контактных колец. Обычно причиной повреждений бывают дефекты изготовления или сборки, например недостаточная затяжка болтов. В ТГ малой мощности внешние токоподводы повреждаются чаще, чем внутренние токоподводы. Обычным является усталостный излом токоведущих пластин около крепления к контактному кольцу. Известны случаи истирания изоляции на изгибах токоподвода. Повреждения токоподвода в пазу случаются сравнительно редко, преимущественно из-за нарушений изоляции при укладке или заклиновке. Часто происходят разрывы токоподвода в явнополюсных СМ, в частности ГГ. Более типичными повреждениями в них являются разрывы междуполюсных соединений, а также перегрев и расплавление паек междуполюсных соединений по причинам длительных форсировок возбуждения. Интенсивные повреждения соединений полюсов начинаются через 80–100 тысяч часов работы.

Распространённой неисправностью является снижение со-

противления изоляции цепи ротора из-за загрязнения токопод-

вода маслом и угольной пылью или вследствие загрязнения самой обмотки.

Вбольших ТГ с водородным охлаждением обмотки ротора нарушение изоляции возникает из-за попадания внутрь обмотки влаги, частиц металла, ржавчины и т. п. Посторонние частицы

игрязь могут не только стать причиной снижения уровня изоляции, но и вызвать замыкание витков обмотки между собой и на корпус. Имеются сведения о случаях витковых замыканий, вызванных попаданием в обмотку ТГ ТВВ-320-2 посторонних металлических предметов. Подобное замыкание может быть весьма разрушительным как для изоляции, так и для меди обмотки из-за большого выделения тепла. Особенно большие повреждения возможны в этом случае из-за перенапряжения при отключении большого тока возбуждения автоматом гашения поля.

257

Специфической неисправностью является так называемая неустойчивая земля в роторе, когда замыкание обмотки ротора на корпус обнаруживается только при вращении ротора или, наоборот, только в неподвижном его состоянии. В первом случае изоляция повреждается в верхней части паза, поэтому замыкание наступает от появления центробежных сил при вращении ротора, которые прижимают обмотку к клину. При повреждении изоляции в нижней части паза возникает обратное явление. Особенностью такой плавающей неисправности является относительная трудность её обнаружения. Замыкание обмотки ротора на корпус само по себе не представляет опасности для машины и не рассматривается как отказ. Опасным может быть возникновение второго замыкания, при котором можно ожидать прохождения через тело ротора больших токов и появления сильной вибрации из-за асимметрии. Поэтому при обнаружении замыкания цепи возбуждения на землю следует предусмотреть в генераторе защиту от второго замыкания, действующую на отключение без выдержки времени. При первой же возможности агрегат следует остановить и устранить повреждение.

В явнополюсных машинах (ГГ и СК) при двойных замыканиях обмотки ротора на землю возникают сильные вибрации. Известен случай обрыва фундаментных болтов и болтов торцевых щитов синхронного компенсатора (СК) при таком повреждении. Поэтому оставлять в работе явнополюсные машины с однократным замыканием на землю весьма опасно.

Решение вопроса о допустимости работы машины при наличии витковых замыканий в роторе зависит от характера повреждения. В отдельных случаях такие замыкания не вызывают опасных последствий и не требуют немедленного устранения. Всё же работа ТГ с витковым замыканием в роторе нежелательна, а иногда и недопустима. Это касается особенно ТГ с водяным охлаждением ротора. В явнополюсных машинах замыкание двух-трёх витков в обмотке возбуждения является довольно частым явлением, не требующим немедленного ремонта.

258

Повреждения и неисправности подшипников и подпят-

ников. К ним относятся:

–выплавление баббита;

–повреждения вкладышей и цапф подшипниковыми токами;

–вытекание масла.

Выплавление баббита обычно происходит в результате нарушения работы системы маслоснабжения. При достаточно быстрой остановке агрегата повреждения цапф оказываются незначительными, так как расплавленный баббит играет роль смазки. Повреждённые вкладыши подлежат замене или перезаливке.

Возникновение подшипниковых токов является неисправно-

стью, типичной для крупных электрических машин. Причины их появления могут быть различными, но чаще их источником служит асимметрия магнитной системы машины: неравномерный зазор, несимметричное размещение сегментов активной стали, наличие осевых вентиляционных каналов. Как следствие магнитной асимметрии возникает пульсирующий ток, пересекающий контур, состоящий из вала, подшипников и фундаментной плиты. Так как сопротивление такого контура незначительно, наводимая в нём ЭДС вызывает появление значительных токов. Измерения, выполненные на ТГ мощностью 50–300 МВт, показывают, что величина этой ЭДС обычно составляет 4–6 В, но может достигать 10–15 В [30].

Токи в подшипниках возникают также в результате продольного намагничивания вала, которое может быть вызвано витковыми замыканиями в роторе, короткими замыканиями в обмотке статора и другими причинами. Значительные токи протекают через подшипники при замыкании цепи возбуждения на корпус с уже имеющимся заземлением во внешней цепи ротора. В таких случаях повреждения шеек вала и вкладышей подшипников могут быть очень серьёзными. Даже небольшие подшипниковые токи при длительном протекании приводят к повреждению поверхности вкладышей и шеек вала, так как в слое масла, разделяющем эти поверхности, возникают мелкие

259

электрические разряды, разрушающие поверхность металла вследствие электроэрозии. Это явление загрязняет масло, ухудшая его свойства, что ведёт к развитию процесса.

Для устранения подшипниковых токов обычно изолируют подшипник гетинаксом или текстолитом толщиной 2–5 мм со стороны возбудителя и подшипник самого возбудителя. Подшипник со стороны турбины не изолируется. Маслопроводы тоже должны иметь изолирующие вставки. В ГГ изолируют верхний направляющий подшипник, подпятник машин подвесного типа, подшипники регуляторного генератора и маслоприёмник турбины. Подпятники зонтичных машин и нижние направляющие подшипники также желательно изолировать на случай загрязнения или повреждения изоляции одного из верхних подшипников.

Наиболее частыми причинами нарушения изоляции являются её загрязнение или шунтирование её бронёй кабеля, подключаемого к щёточному аппарату. Иногда отмечаются случаи загрязнения или увлажнения маслопроводов. Состояние изоляции подшипников должно постоянно контролироваться. Укладка между двумя слоями изоляции металлического листа позволяет осуществлять непрерывный контроль сопротивления изоляции, которое не должно быть меньше 1 МОм.

Вытекание масла является наиболее распространённой неисправностью подшипников. Масло из подшипников может засасываться внутрь машины и попадать на обмотку. В ТГ с водородным охлаждением внутрь машины масло попадает также из уплотнений. Иногда наблюдается проникновение в машину масла в туманообразном состоянии. Чтобы масло не попадало в машину, необходимо, с одной стороны, предотвратить вытекание масла из подшипников, с другой – воспрепятствовать попаданию его внутрь машины. Для этого должны быть тщательно отрегулированы подача и слив масла, исправны и хорошо пригнаны лабиринтные уплотнения, предусмотрены отводящие трубки для выхода масляных паров. Другие практические мероприятия разрабатываются применительно к конкретным условиям.

260

Подпятник ГГ является специфическим и очень ответственным узлом. Повреждения подпятников составляют существенный процент отказов. Нередко их отказы становятся преобладающими. Статистика повреждений показывает, что период приработки подпятника равен 0,5 года, а износовые отказы начинаются через 4–5 лет эксплуатации. Наработка на отказ подпятников с двуслойными сегментами в среднем примерно в 1,5 раза больше по сравнению с подпятниками, имеющими однослойные сегменты. Относительно высока повреждаемость подпятников на гидравлических опорах, однако имеющаяся статистика для данных опор не позволяет делать определённые выводы о причинах отказов.

Одним из слабых мест конструкции подпятников с самоустанавливающимися сегментами является опора плоскости тарелки на сферическую поверхность головки опорного болта. Усилия, передаваемые в этих точках, достигают сотен тонн, а напряжения в металле – 400 кН/см2. В контактных местах тарелки с болтами без закалки происходят пластические деформации, в случае использования болтов с закалкой образуются трещины и сколы металла.

Одной из основных причин повреждений подпятника служит неравномерность нагрузки на его сегменты, что может быть вызвано несовершенством системы регулирования, неперпендикулярностью диска пяты оси агрегата, а также качаниями ротора на подпятнике, что особенно относится кгенераторам зонтичного типа.

Обычными повреждениями подпятников являются износ, задиры и выплавление баббитового слоя на поверхности сегментов, а также повреждения от подшипниковых токов. Повышенный износ подпятников объясняется чрезмерной удельной нагрузкой (изза температурной деформации или иных причин) на определённые участки поверхности сегментов. В наиболее тяжёлых условиях работают выходная кромка сегмента, на которой образуется масляная плёнка при пуске агрегата лишь после поворота диска на полный сегментный угол, и центральная область сегмента, в которой по-