Введение к работе
Актуальность проблемы. Определяющая роль в ускорении научно-технического прогресса принадлежит электроэнергетике, в том числе и гидроэнергетике, перед которыми ставится задача наиболее полного и эффективного использования возможностей крупных синхронных генераторов. Поэтому современный этап развития гидрогенэраторостроения характеризуется дальнейшим повншением требований к экономичности и высокой эксплуатационной надежности энергооборудования.
В результата вновь создаваемые мощные гидрогенераторы имеют повышенный уровень добавочных потерь, более сложные вибрационные, тепловые и другие условия работы конструктивных узлов, что выдвигает новые проблемы для обеспечения требуемых показателей надежности как при проектировании новых мапглн, так и при эксплуатации существующих. Необходимость повышения показателей наденности гидрогенераторов в свою очередь обуславливает усовершенствование и создание новых методов и средств обнаружения дефектов для построения ка их основе комплексных систем технической диагностики и прогнозирования состояния гидрогенераторов в условиях эксплуатации.
Для осуществления ранней диагностики гидрогенераторов целесообразно контролировать тепловое состояние генератора, так как статистика показывает, что наиболее значительное число аварий происходит из-за термических дефектов, возникающих вследствие увеличения тепловыделений и нарушения нормальных условий теплообмена.
В настоящее время существует достаточное количество устройств контроля теплового состояния гидрогенераторов по тепловому излучении, однако их применение в генераторах ограничено ремонтно-профилактическими работами при частично разобранном генераторе, что-исключает их использование в подсистеме тепловой диагностики гидрогенераторов, где контроль температуры необходимо осуществлять в эксплуатационном режиме.
Необходимо отметить большой вклад в теорию и практику технической диагностики крупных синхронних машин Богаенко И.Н., Глебова И.А., Гуревича Э.И., Данилевича Я.Б., Кулаковского В.Б., Мамиконянца Л.Г., Нецеавското А.Б., Измени T.U., Саморо-дова D.H., «йилишюва й.й,: Цветкова В.А., Злькинда Ю.Ш, и др.
Настоящая работа выполнена в соответствии с комплексной научно-технической программой 0.01.05 IKHT СССР "Создать новое высокоэффективное энергетическое оборудование для гидро-и гидроаккумулирувдих электростанций", задание 06, подзада-ние 06.02, этап Н2 "Провести комплекс НИР по разработке системы эксплуатационной диагностики для гидрогенераторов и дать рекомендации по ее проектированию", а также отраслевой научно-технической программой 01.01.03 Минэнерго СССР "О мерах по развитию диагностического контроля основного оборудования и сооружении и сетей" в части подпрограммы 2: "Создать, освоить и внедрить методы и средства диагностического контроля электротехнического оборудования электростанций и сетей", подпункта ОІ.02.20Г "Разработать и внедрить контроль электромагнитных излучений обмотки статора для раннего выявления дефектов", а также с заданием 01.06 программы 0.Ц.026 "Создать и ввести в действие АСУ ТИ Богучанской ГЭС на базе...".
Цель "работы и задачи исследования. Целью работы является решение актуальной научной проблемы, заключающейся в обеспечении высокой эксплуатационной надежности гидрогенераторов путам разработки более совершенных методов и средств контроля теплового состояния последних в процессе эксплуатации. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
а) разработать методы исследования и выполнить анализ
термических дефектов активных узлов гидрогенератора;
б) разработать рекомендации по оценке влияния магнитных
полей на работу разрабатываемых устройств тепловой диагности
ки и провеоти анализ магнитного поля в мевдуполюсном прост
ранстве генератора на математической модели;
в) разработать соответствующие критерии диагностики теп
лового состояния гидрогенераторов и обосновать возможность
обнаружения очагов повышенного нагрева в глубинных слоях сер
дечника статора;
г) разработать специальные пирометрические информационно-
-измерительные оиотеыы, предназначенные для работы в условиях
механических перегрузок под влиянием электромагнитных полей и
повышенных температур;
д) разработать помехоустойчивые пнформациогаю-измеритель-
5 ные системы для непрерывного электромагнитного контроля ста-
торной обмотки гидрогенератора в процессе эксплуатации;
в) усовершенствовать существующие методы бесконтактной
передачи информации с вращающегося ротора гидрогенератора с
учетом специфики передаваемой информации;
ж) разработать устройство точного и надежного контроля
воздушного зазора гидрогенератора в процессе эксплуатации;
з) исследовать диагностическую ценность информации по
демпферным токам гидрогенератора, разработать новый метод
измерения этих токов и различные модификации устройств изме
рения последних.
Методы исследования. Указанные задачи решались путем теоретического анализа, основанного на применении различных математических методов, в частности, численных методов исключения внутренних точек области и методов теории электрических машин. При обработке результатов экспериментов использованы метода теории вероятностей и математической статистики.
В экспериментальных исследованиях применены методы гармонического анализа электромагнитного поля электрической машины и методы исследования электрических машин.
Научная новизна. Основные научные результаты, впервые полученные и защищаемые автором, заключаются в следующем:
-
Предложена методика исследования магнитного поля в активной зоне генератора с применением численного метода исключения внутренних точек области (МИВТ). Получены тровни временных составляющих индукции магнитного поля гидрогенератора Гюмушской ГЭС в зоне размещения в междуполюсном пространстве электронных блоков устройств диагностики.
-
Разработаны соответствующие критерии диагностики теплового состояния гидрогенераторов и обоснована возможность обнаружения очагов повышенного нагрева в глубинных слоях сердечника статора путем определения температурной чувствительности к ним поверхности зубца, обращенной к зазору. Разработана модификация численного МИВТ для расчета двухмерного температурного поля пакета статора, предложена математическая модель двухмерного температурного поля статора с термическими дефектами в нам, детально учитывающая ре-
альную структуру и геометрию пакета шихтованной стали, его теплотохничеокие характеристики;
-
Разработаны различные пирометрические системы непрерывного контроля температуры конструктизных узлов гидрогенератора в процоосе его эксплуатации.
-
Теоретически обоснован эффективный способ регистрации частичных разрядов, обмотки статора. На его основе разработаны информационно-измерительные системы для электромагнитного контроля статорной обмотки гидрогенератора непосредственно в процессе его эксплуатации. Предложена также относительно простая и универсальная система электромагнитного контроля. Подтверждена возможность регистрации не только пазовых разрядов, имеющих место в применяемой в настоящее время термореактивний изоляции, но и внутренних разрядов, тлеющих место в еще находящихся в эксплуатации гидрогенераторах с микалент-ной изоляцией статорной обмотки.
-
Обосновано применение радиотелеметрической или оптической систем передачи информации с ротора машины в зависимости от ее типа. Разработаны радиотелеметрические системы (РТС-РГ-І и РТС-РГ-2), а также оптические телеизмерительные системы для пирометрического преобразователя и светодиодов, а также для контроля статорной обмотки.
-
Теоретически обоснована возможность применения опто-электронного преобразователя для контроля воздушного зазора гидрогенератора в процессе его эксплуатации и разработано на его основе устройство. Показано, что с помощью последнего могут быть выявлены диагностические признаки многих дефектов генератора. Предложена компактная функциональная схема устройства для контроля воздушного зазора гидрогенератора с применением микропроцессорной техники.
-
Выявлены диагностические возможности информации по демпферным токам гидрогенератора. Разработаны новый метод измерения токов демпферной обмотки и различные модификации устройств измерения последних.
-
Разработаны функциональная и структурная схемы подсистемы тепловой диагностики гидрогенератора (ПТДТ), которая войдет составной частью в АСУ ГП ГЭС. Проведена оценка диагностических возможностей ПТДТ и выявлена эффективность ее
внедрения.
Практическая ценность работы.Проведенные исследования и полученные результаты позволили разработать:
методику расчета магнитного ноля на основе ШВТ, позволяющую исследовать влияние геометрии междуполюсного пространства гидрогенератора на гармонический состав индукции поля при перемещении ротора;
модификацию численного метода МИВТ для расчетов стационарных и нестационарных тепловых полей сердечника статора гидрогенератора, позволяющую производить оценку некоторых типовых термических дефектов и выявлять некоторые специфические закономерности причинно-следственных связей мелду термическими дефектами и обусловленными ими изменениями температурного поля;
эффективный способ регистрации частичных разрядов и разработать на его основе информационно-измерительные системы электромагнитного контроля статорной обмотки гидрогенератора в процессе его эксплуатации;
метод выявления глубинных очагов нагрева путем проведения поэлементного контроля температуры однотипных зон активных узлов гидрогенератора и сравнения температуры перегреваемой зоны контролируемого узла с температурой соседних исправных зон в стационарном или переходном режимах;
пирометрическую систему контроля температуры зубцовой зоны статора гидрогенератора (ИКП-СГ), предназначенную для исследования распределения температуры по окружности статора с точным указанием координаты контролируемой зоны;
пирометрическую систему контроля зубцовой зоны статора гидрогенератора с предварительной обработкой информации на роторе, позволяющую увеличить пропускную способность канала передачи-радиотелеметрической системы и, тем самым, увеличить оперативность контроля;
с учетом многообразия существующих конструкций гидрогенераторов три конструкции пирометрических преобразователей как с линзовой и световодной оптической системой (их использование целесообразно для контроля обмотки возбуждения и демпферных стержней ротора соответственно), так и без оптической системы;
уотройсгво для теплового контроля демпферных стержней
гидрогенератора (ИТУ0-2Б),.позволяющее своевременно обнаружить неравномерный нагрев стержней демпферной системи ротора;
устройство, регистрирующее не только перегрев зубца статора, но и перегрев паза с указанием местоположения возникшего перегрева;
радиотелеметрическую систему измерения температуры (РИТ)' для контроля температуры активной стали и корпусной изоляции в вентиляционных каналах статора гидрогенератора;
оптический канал передачи информации пирометрического преобразователя, а также устройство для измерения температуры, в котором осуществляется преобразование принятого длинноволнового инфракрасного излучения в электрический сигнал с последующим преобразованием в коротковолновую область спектра и передачи его по обычному световолокну;
информационно-измерительные системы ШС-РГ-І и ШС-РГ-2 для электромагнитного контроля статорной обмотки гидрогенератора непосредственно в процесса его эксплуатации;
универсальную систему электромагнитного контроля, регистрирующую очаги опасных излучений статорной обмотки с ротора гидрогенератора;
радиотелематрические системы РТС-РГ-І и РТС-РГ-2 и оптические телеизмерительные системы для осуществления бесконтактной передачи информации с ротора гидрогенератора в машинный зал ГЭС;
метод измерения токов демпферной обмотки и различные модификации устройств измерения последних;
устройство контроля воздушного зазора гидрогенератора в процессе его эксплуатации, с помощью которого могут быть выявлены диагностические признаки многих дефектов генератора;
компактную функциональную схему устройства для контроля воздушного зазора гидрогенератора с применением микропроцессорной техники с выдачей на цифровой индикатор результатов гармонического анализа;
функциональную и структурную схемы подсистемы тепловой диагностики гидрогенераторов.
Полученные результаты были использованы при проектировании новых устройств диагностики, а также применяются в учебном процесса Государственного инженерного университета Арме-
9 ний в лекционных курсах и при выполнении дипломного проектирования.
Одаиц из итогов этой многолетней работы явилось становление л развитие в Армении научно-технического направления по технической диагностике электрических машин.
Реализация результатов работы. Реиение поставленных в работе задач позволило:
- в содружестве с Армглавзверго (договор ДС-І49) разра
ботать, изготовить, испытать и внедрить малогабаритную кон
струкцию опытно-промышяевного образца устройства контроля
воздушного зазора гидрогенератора;
'- а содружестве с НИИЗвергетики (г.Тбилиси) разработать, изготовить, испытать и внедрить метод'намерения токов демпферных обмоток крупных-гидрогенераторов и устройства, разработанные на его основе;
в содружестве с НИИЭнергетики (г.Тбилиси) при разработке .подсистемы тепловой диагностики'Ингури ГЭС использовать чертежи разработанных устройств теплового контроля гидрогенератора; - .
разработать и внедрить в НИИЗвергетики (г.Тбилиси) алгоритмы и.программы методики расчета магнитного поля ва основе МИВТ| ...
разработать и передать отделу электроэнергетических проблем Российской академия наук (ОЗЗП РАН) (г.Ленинград) чертежи различных пирометров для использования в системах тепловой диагностики малых ГЭС;.
в содружестве о.ВШЭ (г.Мооква).разработать, изготовить, испытать я внедрить опытный образец радиотелеметрической системы РТС-РГ-І на Красноярской ГЭС, который после соответствующих доработок будет внедрен на ГЭС в составе АСУ ГП;
. - разработать, изготовить и испытать опытный образец информационно-измерительной системы ИИС-РГ-І на Красноярской Г5С, который после соответствующих доработок будет внедрен на ГЭС в составе АСУ ТП;
в содружестве с БНИИЭ (г.Москва) разработать, изготовить, испытать я внедрить методы и устройства тепловой диагностики гидрогенераторов;
в содружестве о НИИЭС (г.Москва) разработать, изгото-
10 виїь и внедрить информационно-измерительную систвиу ИИС-РГ-2 с оптическим каналом передачи а устройство для измерения токов демпферной обмотки гидрогенератора ИТУ0-2Б;
в содружестве с НИИЭС (г.Москва) разработать и внедрить методики расчетов магнитного и теплового полей гидрогенератора по методу МИВТ;
разработать и внедрить в институте высоких температур Российской академии наук (г.Москва) пирометры инфракрасного излучения;
разработать и внедрить на Красноярской ГЭС методику измерения электромагнитных помех;
в содружестве о Ариглавэнерго и ВНИИЭ (г.Москва) разработать, изготовить и подготовить к внедрению устройство контроля температуры зубцовой зоїш отатора гидрогенератора ИКП-СГ, устройство контроля воздушного зазора гидрогенератора и информационно-измерительную систему ИИС-РГ-І.
Апробация работы. Основные положения и результати диссертационной работы докладывались и обсуждались на следущих научно-технических конференциях (НТК) и научно-технических совещаниях и семинарах (НТС): Всесоюзном НТС "Разработка, создание и внедрение системы технической диагностики турбо-и гидроагрегатов (Киев, IS82), Республиканском НТС "Автоматизация технологических процессов гидроэнергетических комплексов" (Ташкент, 1983), Республиканской НТК "Автономные ис-ючники электроэнергии и их применение в народном хозяйстве" (Ереван, 1984), Всесоюзном НТС "Проектирование систем технической диагностики" (Ростов-на-Дону, 1984), Всесоюзном НТС "Опыт проектирования"и производства электрических машин ав-юномных электрических систем" (Ереван, 1985), Республиканском НТС "Техническая диагностика и метода расчетов магнитных и тепловых полей гидрогенераторов" (Ереван, 1985), Всесоюзном НТС "Опыт применения средств технической диагностики и контроля за оосюяниеы электроэнергетического оборудования" (Суздаль, 1986), Республиканском НТС "Проблемы разработки и внедрения автоматизированных систем технической диагностики гидрогенераторов ГЭС" (Ташкент, 1988), XXI, ХЖЕЗХ профессорско-преподавательского'состава ВТУЗ-ов Закавказья (Ереван, 1982 и 1985).
Результаты работы обсуждались и получили одобрение на ежегодных НТК профессорско-преподавательского состава Ереванского политехнического института в I974-I99I годах.
Кроме того, результаты работы обсукдались на НТС БНИИЭ (г.Москва), НИИ энергетических сооружений (г.Москва), Глав-техуправления Минэнерго СССР, Минвуза Ари.ССР в 1980-1990го-дах.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 60 печатных работах (из коих б авторских свидетельств СССР и I патент Российской Федерации) и в 17-ти отчетах о НИР» В автореферате приведена 42 научнее, работы. Опытные и промышленные образцы устройств технической диагностики демонстрировались на.ВДНХ Армянской ССР.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и прилокений. В Приложении I приводятся результаты экспериментальных исследований, разработанных уотройотв тепловой диагностики на гидрогенераторах Красноярской, Гюиушской и Саратовской ГЭС, а также на турбогенераторах Раэданской ГРЭС. Полученные результаты подтверждают работоспособность и надежность разработанных устройств, а также позволили внести соответствующие коррективы как в конструкции, так и в принципиальные схемы устройств для последующей разработки подсистемы тепловой диагностики гидрогенераторов. В Приложении 2 приводятся документы, подтверждающие внедрение в практику результатов диссертационной работы. Весь материал диссертации изложен на 396 стр., в том числе 228 стр. машинописного текста, 81 рис. на 59 стр., 7 табл. на 8 стр., 211 библиографических источников на 25 стр., приложений I и 2 на 76 стр.