Диагностика твердощеточных систем токосъема крупных электрических машин

В настоящее время значительная часть электроэнергии у нас в стране вырабатывается турбои гидрогенераторами тепловых, атомных и гидравлических электростанций. Установленная мощность электроэнергетических машин на отечественных электростанциях к середине 90-х годов достигла 340 млн, кВт, из которых 71 У. приходился на долю тепловых электростанций, 19 У. — на долю гидроэлектростанций и 10 У. — на долю атомных. Основу отечественной энергетики составляют турбогенераторы мощностью 63−800 МВт. На Костромской ГРЭС в течение нескольких лет успешно эксплуатируется турбогенератор мощностью 1200 МВт. Мощность четырехполюс-ных турбогенераторов достигла 1500 МВт.

Последние годы отмечены значительными успехами в развитии гидрогенераторостроения. Во всей мире произведено большое количество гидрогенераторов мощностью 300 МВт и выше. Один из крупнейших в мире гидрогенераторов — гидрогенератор Саяно-Шушенской ГЭС имеет мощность 712 МВА.

В прокатном производстве применяются машины постоянного тока мощностью 14,0 МВт. Создан уникальный четырехмашинный агрегат мощностью 100 МВт, состоящий из двигателей 2МП 25 000−750.

Примерно до середины 80-х годов характерной особенностью электромашиностроения было быстрое увеличение единичных мощностей машин, в результате чего каждые 8−10 лет единичные мощности удваивались. Однако, к середине 80-х годов рост единичных мощностей практически прекратился, во многом из-за сложностей в обеспечении их высокой эксплуатационной надежности. Эксплуатационная надежность — весьма важный параметр для крупных электрических машин, т. к, ущерб от вынужденного простоя агрегата в течение 2−3 месяцев соизмерим с его первоначальной стоимостью. Одним из наиболее уязвимых элементов любой электрической машины является ее система токосъема. Большинство современных систем токосъема являются твердощеточными СТСТ).

Рассмотрим проблему надежности ТСТ крупных электрических машин на примере турбогенераторов.

Рост мощности турбогенераторов требует и соответствующего увеличения тока возбуждения, что приводит к необходимости повышения плотности тока под щетками и увеличения диаметра контактных колец СКК). Это ведет к росту температуры в зоне скользящего контакта С СЮ, повышенным вибрациям, т. е. резко ухудшает условия его работы. Очевидно, что при этом надежность работы системы токосъема. Поэтому, в последние годы заводами-изготовителями турбогенераторов, специализированными организациями Департамента науки и техники РАО «ЕЭС России», акционерными обществами энергетики и электрификации, высшими учебными заведениями проводится большой комплекс работ по совершенствованию конструкции узла контактных колец и по внедрению средств технической диагностики их работы.

Тем не менее узел токосъема современных турбогенераторов остается одним из наиболее слабых конструктивных узлов. Так, например, в /1/ и /117/ приведены данные о наиболее часто встречающихся повреждениях ТСТ турбогенераторов мощностью 165−200 МВт Сем. табл. В. 1).

Аналогичная ситуация сложилась и с надежностью ТСТ машин постоянного тока СШШ. Так, например, в /26/ отмечается, что наибольшая доля отказов в машинах постоянного тока приходится на узел токосъема и на подшипниковый узел. Согласно эксплуатационной статистике в среднем более 25 7. отказов МПТ происходит из-за неисправности ТСТ. В некоторых случаях С например, на транспорте) эта цифра достигает 44−66 X. В тяговых двигателях электровозов одной из серьезных причин отказов является возникновение кругового огня.

Исследование ряда двигателей постоянного тока прокатных станов показало следующее распределение отказов по узлам: шеточ-но-коллекторный узел — 56 '/., механические повреждения — 34 «/., обмотка якоря и полюсов — 10 «/ /27/.

В результате анализа статистических данных отказов тяговых электродвигателей постоянного тока ДК-717А большегрузных автомо.

Таблица В. 1.

Наиболее часто встречающиеся повреждения ТСТ.

Тип повреждения Число отказов Общее время простоя, ч Среднее время простоя на 1 отказ, ч.

1. Загрязнения и перегревы контактных колец 11 436 40.

2. Трещины контактных колец 1 288 288.

3. Износ контактных колец 189 6210 33.

4. Бой контактных колец 38 1470 39.

5. Повреждения изоляции под контактными кольцами 4 429 107.

6. Заклинивание щеток и повреждение щеткодержателей 9 153 17.

7. Искрение и износ щеток 47 1260 27.

8. Механические повреждения щеток Сразрушения, сколы) 14 452 32.

9. Загрязнение щеточного аппарата 3 81 27.

10. Повреждение конструктивных элементов охлаждения щеточного аппарата 3 89 30.

Всего 319 10 686 билей установлено, что наименее надежными элементами являются обмотка якоря и щеточный узел /28/. Числа отказов электродвигателей по щеточному узлу колеблются от 21,6 У, С по предприятиям черной металлургии) до 37,8 7. С по предприятиям Минудобрений).

Таким образом, опыт эксплуатации электрических машин убедительно свидетельствует, что задача повышения надежности работы ТСТ является весьма актуальной. Одним из возможных путей ее решения является разработка и внедрение в практику эксплуатации электрических машин и, прежде всего крупных, систем технической диагностики, позволяющих эффективно контролировать состояние СК и, тем самым, избегать возникновения нештатных ситуаций.

Под технической диагностикой обычно понимается выявление дефектных узлов Ст.е. имеющих ухудшенные функциональные характеристики), определение причин, вызывающих появление и развитие дефектов, оценку допустимости или целесообразности дальнейшей эксплуатации машины с учетом прогноза развития дефектов.

Заводы-изготовители электрических машин и эксплуатационные организации при проектировании и последующей их эксплуатации не оснащают машины достаточно эффективными диагностическими средствами. В то же время анализ отношения к проектированию, изготовлению, эксплуатации и ремонту машин ведущих фирм мира, показывает, что использование технических решений на базе микроэлектроники, робототехники, волоконной оптики, вычислительной техники позволяет получить информацию о техническом состоянии машины значительно большую при меньшем объеме их разборки по сравнению с планово-предупредительным ремонтом.

Важность проблемы технической диагностики подтверждается тем, что в стране периодически проводятся совещания, посвященные созданию и внедрению методов, средств и систем технической диагностики. Так, например, в апреле 19Э6 г. состоялось совещание «Разработка и внедрение новых нетрадиционных методов контроля состояния турбои гидрогенераторов». В работе совещания приняли участие более 100 специалистов — представителей Департамента науки и техники РАО «ЕЭС России», АО «Электросила», АО ВНИИЗ,.

Фирмы ОРГРЭС, НИИэлектромаш, АО «Ленэнерго», АО «Свердлов-энерго», электростанций, вузов.

На совещании отмечалось, что «... разрабатываемые и внедряемые во всем мире методы, средства и системы технической диагностики электрооборудования в целом и турбои гидрогенераторов, в частности, является важнейшим направлением работ по повышению надежности их эксплуатации. «/2/.

Внедрение технической диагностики в практику энергетического производства открывает возможности для существенного повышения качества эксплуатации благодаря более совершенному и развитому оперативному контролю и постоперативному анализу состояния оборудования и режимов его работы, для сокращения числа и длительности вынужденных простоев путем обнаружения появляющихся дефектов на ранних стадиях. Низкая контролепригодность энергооборудования, в том числе, ТСТ является на сегодняшний день существенным препятствием для развития и внедрения его диагностического контроля.

Задача внедрения средств технической диагностики для контроля за работой ТСТ значительно усложняется тем, что многие Физические процессы, протекающие в зоне электрического скользящего контакта, остаются недостаточно изученными и на сегодняшний день. Различным аспектам данной проблемы посвящен целый ряд работ, в которых анализируются электромагнитные, механические, аэродинамические. химические и тепловые процессы в СК, марки применяемых щеток, химический состав и механические свойства коллекторов и контактных колец и т. д.

Таким образом, проблема внедрения в практику эксплуатации крупных электрических машин систем комплексного контроля за состоянием ТСТ является чрезвычайно актуальной,.

Настоящая работа базируется на обобщенных результатах многочисленных научно-исследовательских работ, выполненных на кафедре «Электропривод и системы автоматизации» Псковского политехнического института С. Петербургского Государственного Технического Университета по следующим хозяйственным и госбюджетным договорам:

— 220 103 «Разработка и поставка приборов контроля щеточного аппарата прокатный двигателей и генераторов», 1991 г., Заказчик — Волгоградский металлургический завод «Красный Октябрь» ;

— 220 204 «Разработка диагностических приборов ПРОФИЛЬ и ПИКОН-ц», 1992 г., Заказчик — С. Петербургский металлургический завод «Ижорасталь» ;

— 51 ЭН-1/9−92 «Техническое обследование щеточного аппарата турбогенератора ТВВ-320», 1992 г, Заказчик — Харьковская ТЭЦ-5;

— 220 308 «Поставка прибора ПРОФИЛЬ», 1993 г., ЗаказчикКольская АЭС Сг. Полярные Зори);

— 220 309 «Поставка прибора ПИКОН», 1993 г., ЗаказчикКольская АЭС;

— 220 310 «Поставка прибора КОНТРОЛЬ», 1993 г., ЗаказчикКольская АЭС;

— 220 311 «Техническое обследование щеточных аппаратов турбогенераторов», 1993 г., Заказчик — Кольская АЭС;

— 220 303 «Изготовление и поставка диагностических приборов ПРОФИЛЬ и КОНТРОЛЬ», 1993 г., Заказчик — Черепетская ГРЭС Сг. Суворов Тульской обл.);

— 220 610 «Повышение надежности работы основного энергооборудования предприятий промышленности и энергетики», 1994;9? гг., Заказчик — Министерство науки и технической политики России;

— 220 402 «Разработка и испытания средств контроля за состоянием щеточно-контактного аппарата электрических машин большой мощности», 1994 г., Заказчик — Министерство науки и технической политики России;

— 220 404 «Изготовление диагностического комплекса ДИАКОР», 1994 г., Заказчик — Псковская ГРЭС;

— 220 515 «Разработка методов и аппаратных средств повышения надежности узлов токосъема электрических машин большой мощности», 1994 г., Заказчик ~ Министерство науки и технической политики России;

— 220 506 «Совершенствование конструкции щеточного узла, изготовление и внедрение средств контроля за его работой» ,.

1994 г., Заказчик — Министерство науки и технической политики России;

— 220 513 «Техническое обследование щеточных узлов турбогенераторов», 1995 г., Заказчик ГРЭС-24 АО «Мосэнерго» ;

— 220 502 «Повышение надежности щеточных аппаратов турбогенераторов ГРЗС-24», 1995 г. Заказчик — ГРЭС-24 АО «Мосэнерго» ;

— 0695 «Изготовление и поставка диагностического прибора КОНТРОЛЬ», 1995 г., Заказчик — Тобольская ТЭЦ;

— 220 504 «Повышение надежности работы щеточного аппарата турбогенератора», 1995 г., Заказчик — Нижневартовская ГРЭС;

— 220 507 «Демонстрация диагностического комплекса ДИАКОР» ,.

1995 г., Заказчик — АО «Пермзнерго» ;

— 220 519 «Изготовление и поставка устройства ИСКРА» ,.

1995 г., Заказчик — Кольская АЭС;

— 0295 «Изготовление и поставка прибора КИТ-5», 1995 г., Заказчик — Кольская АЭС;

— 0196 «Изготовление и поставка прибора КИТ», 1996 г., Заказчик — Черепетская ГРЭС;

— 0796 «Ремонт щеточных аппаратов турбогенераторов станционные номера 1, 2, 3 и 4», 1996 г., Заказчик — Тюменская ТЭЦ-2.

— 220 602 «Техническое обслуживание щеточных узлов турбогенераторов», 1996 г., Заказчик — АО «Оренбургэнерго» ;

— 220 633 «Поставка макета контактного индикатора тока» ,.

1996 г., Заказчик — ТОО «Экотех» ;

— 220 702 «Изготовление и поставка прибора КИТ», 1997 г., Заказчик — Яйвинская ГРЭС-16;

— 220 701 «Изготовление и поставка устройства ИСКРА» ,.

1997 г., Заказчик — Нижневартовская ГРЭС;

— 0297 «Поставка диагностических приборов КИТ», 1997 г., Заказчик — Сургутская ГРЭС-2;

— 0396 «Изготовление и поставка приборов КИТ», 1997 г, Заказчик — АК «Омскзнерго» ;

— 0796 «Изготовление и поставка прибора КИТ», 1997 г., Заказчик — ОАО «Тверьзнерго» ;

— 398/213 «Поставка приборов КИТ и КВАНТ», 1998 г., Заказчик — Сургутская ГРЭС-1;

— 298 «Изготовление диагностической аппаратуры для обслуживания щеточно-контактных аппаратов электростанций АО Башкир-знерго», 1998 г, Заказчик — АО «Башкирэнерго» ;

— 498 «Разработка, изготовление и поставка приборов для измерений токов щеток турбогенераторов», 1998 г., Заказчик ТЭЦ-2? АО «Мосэнерго» ?

— 598 «Разработка, изготовление и поставка приборов для измерений токов щеток турбогенераторов», 1998 г., Заказчик ТЭЦ-20 АО «Мосэнерго» .

Шдь работы. Целями диссертационной работы являются:

1. Разработка комплекса диагностических приборов для измерения электромеханических параметров натурных ТСТ,.

2. Экспериментальные исследования электромеханических характеристик ТСТ крупных электрических машин и выявление закономерностей состояния ТСТ и распределения характеристик на основе системно обобщенных результатов научно-организованных экспериментов.

3. Разработка математической модели состояния твердощеточ-ной системы токосъема для интегральной оценки ее качества и работоспособности.

4. Разработка научно-технических основ построения автоматизированной информационной системы диагностики состояния ТСТ.

Методика выполнения исследований.

Экспериментальные исследования базируются на методах научной организации эксперимента с использованием современных компьютерных технологий. Эксперименты основывались как на натурных ТСТ крупных электрических машин С турбогенераторы, турбовозбуди-тели, гидрогенераторы, двигатели и генераторы прокатных станов), так и на специальных макетах.

Теоретические исследования базируются на современных математических методах построения и анализа мультипликативных моделей, предназначенных для интегральной оценки качества и работоспособности ТСТ.

Научная новизна,.

1, Разработан, на уровне изобретений, ряд специальных приборов, образующих единый диагностический комплекс для контроля состояния ТСТ.

2, Разработана методика оценки качества и работоспособности ТСТ электрических машин на основе информации, получаемой от приборов диагностического комплекса.

3, Разработана структура автоматизированной информационной системы диагностики состояния ТСТ крупных электрических машин.

Практическая ценноеть работы заключается в следующем:

1. Разработан, изготовлен, отлажен в лабораторных и промышленных условиях комплекс диагностических приборов для контроля за состоянием рельефа контактной поверхности, для измерения токов электрощеток, для контроля стабильности контактирования щетки с контактной поверхностью, для визуального осмотра вращающейся поверхности, для дистанционного измерения температуры отдельных участков контактной поверхности, для постоянного контроля за уровнем искрения в ТСТ,.

2. Разработанный комплекс приборов широко внедрен на предприятиях энергетики и черной металлургии и получил высокую оценку специалистов. Эффективность их использования подтверждена многочисленными актами о внедрении,.

3. Постоянное использование приборов диагностического комплекса позволяет повысить надежность работы систем токосъема электрических машин за счет усиления контроля за их состоянием с целью своевременного предотвращения аварийных ситуаций.

Апробация работы.

Основные научные и практические положения, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на заседаниях и семинарах кафедры «Электропривод и системы автоматизации» Псковского политехнического института, на VII научно-технической конференции «Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторный машин постоянного тока» С Омск, 1993 г.), на научной и научно-методической конференции «Актуальные вопросы образования, науки и техники» С Псков, 1995 г.), на семинаре-совещании «Разработка и внедрение новых нетрадиционных методов контроля состояния турбои гидрогенераторов» СС, Петербург, 1998 г.), на научно-технической и методической конференции «Электросбережение, электроснабжение, электрооборудование» С Москва, 1996 г.).

Положения, выносимые на защиту.

1. Структура диагностического комплекса для экспериментальных исследований электромеханических характеристик ТСТ. Конструкция приборов, образующих диагностический комплекс.

2. Результаты экспериментальных исследований электромеханических характеристик систем токосъема и результаты исследований параметров натурных ТСТ.

3. Математическая модель ТСТ для интегральной оценки ее качества и работоспособности.

4. Результаты применения математической модели для классификации натурных ТСТ турбогенераторов в зависимости от их мощности.

5. Структура автоматизированной информационной системы диагностики состояния ТСТ турбогенераторов.

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы изложено в 16 печатных работах.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованных источников С125 наименований), 3 приложений и 16 документов, подтверждающих внедрение.

Результаты работы могут быть рекомендованы для практического использования на предприятиях и в организациях, занятых исследованиями и разработкой новых перспективных систем токосъема электрических машин, а также в СПбГТУ при подготовке инженерно-научных кадров для этих предприятий и организаций.

Диагностический комплекс ДИАКОР в комплекте с информационной С, а в дальнейшем и с управляющей) микроЭВМ может быть рекомендован для поставки на электростанции для оснащения как впервые вводимых в эксплуатацию, так и уже действующих турбогенераторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.