Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ причин выхода из строя автономных электростанций переменного тока на объектах нефтегазового комплекса
1.1. Анализ научных литературных данных о работе автономных электростанций переменного тока . 4
1.2. Реальные условия эксплуатации генераторных агрегатов переменного тока на объектах нефтегазового комплекса Дальнего Востока 19
1.3. Анализ совокупного влияния температур нагрева изоляции обмоток и климатических воздействий на работоспособность автономных электрогенераторов переменного тока 21
1.4. Постановка цели и задач исследования 26
2. Разработка усовершенствованной конструкции погодозащищающего контейнера для автономных электростанций и исследование тепловых режимов автономного генератора переменного тока 28
2.1. Устройство, технические характеристики и режимы работы комплектного автономного генераторного агрегата 28
2.2. Разработка конструкции и системы вентиляции нового погодозащищающего контейнера для генераторного агрегата 35
2.2.1. Предлагаемая усовершенствованная конструкция погодозащищающего контейнера 36
2.2.2. Устройство и принцип работы системы вентиляции усовершенствованного погодозащищающего контейнера 41
2.2.3. Принципы расчета вентиляции усовершенствованного погодозащищающего контейнера
2.3. Тепловые режимы автономного электрогенератора. Закономерности теплового старения изоляции электрогенераторов 50
2.4. Переходный тепловой режим электрогенератора 53
3. Исследование систем изоляции электрогенераторов переменного тока, используемых на автономных электростанциях объектов нефтегазовой отрасли 64
3.1 Конструкция обмоток генераторов переменного тока 64
3.2. Виды и компоненты систем электрической изоляции различных типов генераторных обмоток 66
3.3. Основные факторы выбора системы изоляции генераторов автономных электростанций 69
3.3.1. Изоляция ротора исследуемых генераторов автономных электростанций 70
3.3.2. Изоляция статора исследуемых генераторов автономных электростанций 71
3.3.3. Причины снижения срока службы систем изоляции 71
3.4. Композиционные электроизоляционные материалы в системах изоляции высоких классов нагревостойкости 75
3.5. Виды современных изоляционных материалов отечественных и зарубежных производителей 77
3.6. Разработка методики выбора наиболее устойчивых к тепловому воздействию многослойных изоляционных материалов одинакового класса нагревостойкости, но разного химического и композиционного состава 87
4. Испытания многослойных изоляционных материалов на основе полиэфирной пленки, и определение поправочных коэффициентов формул расчета срока их службы 103
4.1. Анализ изменения рабочих параметров материалов входящих в состав ламината при их тепловом старении 103
4.2. Разработка метода испытаний пропитанных многослойных изоляционных материалов с различным сочетанием толщин компонентов 106
4.2.1. Оценка точности существующих методов проведения испытаний теплового старения многослойной изоляции 106
4.2.2. Метод испытаний пропитанных многослойных изоляционных материалов 115
4.3. Расчет поправочных коэффициентов «В» для многослойной композиционной изоляции 121
4.4. Определение коэффициентов «В» многослойной изоляции и введение их в формулу срока службы многослойной изоляции с полиэфирной пленкой 126
4.5. Технико-экономическая оценка предлагаемых усовершенствованных изоляционных материалов 137
Заключение 140
Список литературы 142
Приложение 1 150
Приложение 2 152
Приложение 3 154
Приложение 4 156
- Анализ научных литературных данных о работе автономных электростанций переменного тока
- Устройство, технические характеристики и режимы работы комплектного автономного генераторного агрегата
- Конструкция обмоток генераторов переменного тока
- Анализ изменения рабочих параметров материалов входящих в состав ламината при их тепловом старении
Введение к работе
Автономные электростанции переменного тока широко применяются во многих отраслях народного хозяйства. Особенно часто они используются в системах электроснабжения промышленных объектов нефтегазовой отрасли. Это связанно с освоением и разработкой особо удаленных от электросетей месторождений нефти и газа в различных регионах мира, в том числе и в нашей стране: в Сибири, на о. Сахалин и других регионах Дальнего Востока.
Правительство России разработало долговременную программу развития производственных сил Дальнего Востока на период до 2020 года, включая и топливно-энергетический комплекс. В этой программе большое внимание уделено разработке новых и совершенствованию существующих конструкций и технологий этого комплекса, повышению надежности их работы и экономии топливно-энергетических ресурсов. Повышение эффективности работы промышленных объектов нефтегазовой отрасли основывается на разработке и совершенствовании таких технических решений в конструкции и управлении генераторных агрегатов автономных электростанций, которые обеспечивают рациональные энергетические показатели и надежную работу в различных режимах их эксплуатации.
Спецификой работы автономных электростанций нефтегазовых компаний, работающих на Дальнем Востоке и о. Сахалин является неблагоприятное сочетание жестких климатических условий, механических и электрических перегрузок, отсутствие развитой инфраструктуры, способной обеспечить нормальные условия эксплуатации. Поэтому, в настоящее время особое внимание компаний нефтегазовой отрасли уделяется машинному парку дизельных генераторов. Даже на новых объектах парк генераторных агрегатов, несмотря на недавние сроки выпуска (обычно 2003 - 2006 г.г.)
требует больших финансовых вложений на поддержку его в рабочем состоянии.
Проблемы с обеспечением бесперебойной работы генераторных
агрегатов автономных электростанций объясняются в основном большой
наработкой, жестким климатом и неравномерными режимами нагрузок,
приводящими к перегревам обмоток. Причиной последних служат частые
перегрузки генераторов, чередование их пусков и остановок, вызванные
необходимостью процессов добычи и перекачки нефти и газа с
использованием спектра мощных электродвигателей. Для защиты от
климатических воздействий генераторные агрегаты устанавливаются в
погодозащищающие контейнеры. Но как показал эксплуатационный опыт,
распространенные погодозащищающие контейнеры автономных
электростанций не могут одновременно обеспечить и надежную климатическую защиту, и необходимую вентиляцию для отвода тепла от агрегатов. Это приводит к быстрому износу изоляции обмоток генераторов и преждевременному выходу их из строя.
В связи с этим широкое применение автономных электростанций требует разработки мероприятий по усовершенствованию конструкции погодозащищающих контейнеров и систем вентиляции этих станций, а так же по увеличению сроков службы изоляции автономных генераторов переменного тока, приводящих к повышению эффективности работы электростанций.
Все это обуславливает актуальность и практическую значимость данной проблемы.
Научной основой для постановки задачи диссертации стали исследования вопросов теории и практики применения автономных генераторных агрегатов в жестких условиях окружающей среды в трудах ученых и специалистов: Оржаховского М. Л., Бута Д.А., Мизюрина СР., Бертинова А.И., Бернштейна Л. М., и других [1 — 3]. А также исследования
вопросов теории и практики применения специальных изоляционных материалов для электрических машин в трудах ученых: Похолкова Ю.П., Кузнецова Н.Л., Гитмана А.С., Стрельбитского Э.К., Муравлева О.П., Матялиса А.П., Бесперстова П.П., Котеленца Н.Ф., Серебрякова А.С., Кузьмича В.Д., Логиновой Е.Ю., Глущенко М. Д., Идиятуллина Р.Г., Давидовой А. А., Бернштейна Л. М., Холима Н. Н., Дакин Т.В, Забыриной К.И., Копусь И. Н., Черняка К. И., Скорика Н. С, Баева В. А., Маслова В. В. и многих других [4-8].
В основу настоящей работы положены результаты теоретических и практических исследований, а также испытаний, выполненных автором на объектах «ОАО НК Роснефть-Сахалинморнефтегаз»; компании «Fluor Daniel Eurasia, Inc» - генерального подрядчика "Exxon Neftegas Limited" (оператор проекта Сахалин-1») по строительству завода первичной переработки нефти в п. Чайво, о. Сахалин; «CTSD Limited» - генерального подрядчика "Sakhalin Energy 1С" (оператор проекта Сахалин-1) по строительству завода по сжижению газа в п.Пригородное, о. Сахалин. Чаще всего эти компании используют генераторные агрегаты "CATERPILLAR", производства Северная Ирландия, США, "CUMMINS", США, «Электроагрегат», Россия. Испытания материалов изоляции выполнены в лабораториях предприятий «DuPont», Швейцария и США, «Isovolta», Австрия, «VonRoll», Италия и «Элинар», Россия.
Наряду с тяжелыми механическими и электрическими нагрузками на работу автономных электростанций на объектах Дальнего Востока влияют неблагоприятные климатические условия. Влияние климата — это проблема, в первую очередь затрагивающая электрическую часть дизель-генераторного агрегата. Если правильный подбор подогревателей рубашки охлаждения избавляет от забот с дизелем, то стандартные заводские пространственные подогреватели обмоток электрогенератора слабо защищают изоляцию обмоток и электронику от влаги и переохлаждения. Между тем, именно эта электроника: регулятор частоты оборотов двигателя, регулятор напряжения,
отвечает за способность генераторного агрегата реагировать на изменяющиеся во времени внешние условия, скажем, на вязкость перекачиваемой нефти. Изоляция обмоток генератора, находящаяся в неблагоприятных условиях окружающей среды, также становится причиной снижения срока службы электрогенератора.
Во многом, влияние указанных выше факторов можно компенсировать, выбрав генераторный агрегат с большим запасом свободной мощности и более производительной системой вентиляции. Но тогда, необходимо руководствоваться правилом эксплуатации генераторных агрегатов, которое указывает, что машина, при постоянной работе должна быть загружена не менее чем на 70-80% установленной мощности. К тому же, изучая коммерческую составляющую вопроса, на примере генераторов «Caterpillar» (наиболее распространенных на объекта о. Сахалин) видно, что ценовой порядок машин сильно зависит от величины установленной мощности. Например, при переходе мощности с серии Olympian (до 550 кВА) на 3400 (от 500 до 1000 кВА), с 3400 на 3500 (от 1200 до 2500), и тем более, с 3500 на 3600 (от 3 до 6 MB А) цена резко изменяется в сторону увеличения на десятки и сотни тысяч долларов. Происходит это по понятным причинам: растут размеры дизельного привода по количеству и объему цилиндров; а так же усложняются системы охлаждения и управления двигателя.
Рассматривая техническую и финансовую стороны проблемы, становится очевидной необходимость нового подхода к её решению. В диссертационной работе автор предложил ряд технических и технологических решений, основными из которых являются: исследование факторов климатического влияния на работу генераторов автономных электростанций, модификация погодозащищающих контейнеров для установки генераторов и систем их вентиляции, исследование изменения температуры обмоток генераторов в зависимости от процессов их загрузки на различных стадиях добычи и перекачки нефти, исследование структуры
применяемых в генераторах систем изоляции и разработка методики выбора изоляционных материалов.
Применение новых технических решений и технологий, разработанных автором, позволит стабилизировать и улучшить положение в энергетической отрасли нефтегазового комплекса, снизить стоимость текущих затрат на обслуживание генераторных агрегатов.
Таким образом, диссертационная работа представляет собой новое
решение важной проблемы повышения эффективности работы автономных
электростанций, через усовершенствование конструкции
погодозащищающих контейнеров и систем их вентиляции, а так же увеличение сроков безотказной работы систем изоляции генераторов переменного тока, устанавливаемых на объектах нефтегазового комплекса.
Целью работы является повышение эффективности работы автономных электростанций переменного тока, через усовершенствование конструкции погодозащищающих контейнеров и систем вентиляции этих станций, а так же через увеличение сроков службы систем изоляции автономных генераторов на основе применения усовершенствованных многослойных изоляционных материалов.
Для достижения указанной цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:
Проведение анализа причин выхода из строя генераторных агрегатов переменного тока на автономных электростанциях нефтегазового комплекса;
Усовершенствование конструкции погодозащищающего контейнера генераторного агрегата и автоматизация процесса регулирования потока охлаждающего воздуха;
Исследование тепловых процессов в электрогенераторах и установление закономерностей теплового старения их изоляции;
Исследование пазовой изоляции электрогенераторов переменного тока, используемых на автономных электростанциях промышленных объектов нефтегазовой отрасли;
Исследование современных композиционных материалов пазовой изоляции российских и зарубежных производителей в системах изоляции высоких классов нагревостойкости;
а Разработка методики выбора наиболее устойчивых к тепловому воздействию многослойных изоляционных материалов одинакового класса нагревостойкости, но разного химического и композиционного состава для генераторов переменного тока;
Разработка метода испытаний пропитанных многослойных изоляционных материалов;
Определение поправочных коэффициентов формул расчета срока службы многослойных изоляционных материалов (на основе полиэфирной пленки) высоких классов нагревостойкости;
0 Разработка программы расчета сроков службы многослойной изоляции с различным сочетанием толщин и типов её компонентов.
Усовершенствование конструкции многослойных материалов пазовой
изоляции на основе полиэфирной пленки и проведение технико-
экономической оценки их производства.
Методы исследования.
Научные исследования диссертационной работы основаны на теории тепловых процессов в электрических машинах, численных методах расчета и экспериментальных исследованиях опытных образцов многослойной изоляции.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Разработана методика выбора наиболее устойчивых к тепловому
воздействию многослойных изоляционных материалов одинакового
класса нагревостойкости, но разного химического и композиционного состава для генераторов переменного тока;
Разработан метод испытаний пропитанной многослойной изоляции;
Установлены поправочные коэффициенты формулы расчета срока службы многослойной изоляции на основе полиэфирной пленки в зависимости от типа и толщины её компонентов.
Практическая ценность полученных результатов работы заключается в следующем:
Разработана и внедрена в производство усовершенствованная конструкция погодозащищающих контейнеров с автоматической системой регулирования потока охлаждающего воздуха для генераторов автономных электростанций;
На основе испытаний предложено использование наиболее нагревостойких из существующих многослойных изоляционных материалов на основе полиэфирной пленки с улучшенными механическими и электрическими свойствами для применения в генераторах автономных электростанции;
Усовершенствованна конструкция многослойных материалов пазовой изоляции на основе полиэфирной пленки и проведена технико-экономическая оценка их производства;
Разработана программа расчета сроков службы многослойной изоляции с различным сочетанием толщин и типов её компонентов.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы внедрены в производство на предприятиях России и Европы, о чем свидетельствуют акты внедрения и использования.
Контейнеры усовершенствованной конструкции внедрены в
производство на предприятии ООО «Камминз - Владивосток» и ООО
«Сахалин Машинери», и успешно используются на объектах НК «Роснефть - СМНГ» и других.
Результаты диссертационной работы в части применения
изоляционных материалов использованы предприятием ООО «Фон
Ролл» (Швейцария - Россия). В Европе - на предприятии «DuPont de
Nemours Int. S.A.» (Швейцария - Россия).
На защиту выносятся:
Усовершенствованная конструкция погодозащищающих контейнеров с автоматической системой регулирования потока охлаждающего воздуха для генераторов автономных электростанций;
Методика выбора наиболее устойчивых к тепловому воздействию многослойных изоляционных материалов одинакового класса нагревостойкости, но разного химического и композиционного состава для генераторов переменного тока;
Метод испытаний пропитанной многослойной изоляции;
Программа расчета сроков службы многослойной изоляции с различным сочетанием толщин и типов её компонентов.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и одобрены на:
Региональной научно-технической конференции творческой молодежи, Хабаровск, ДВГУПС, 18-20 апреля 2005 года;
Международной научно - технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томский Государственный Технический Университет 20 — 22 октября 2005 года, г. Томск;
Ежегодных заседаниях технического отдела подразделения изоляционных материалов компании Дюпон, г. Женева 2004-2008 годы;
15-й, 16-й и 17-й международных выставках - конференциях «Электрооборудование для энергетики, электротехники и электроники
в промышленности и народном хозяйстве, бытовой электротехники, энерго- и ресурсосберегающих технологий», секция международной ассоциации «ИНТЕРЭЛЕКТРОМАШ» - «Автоматизированный электропривод и силовая электроника», ЗАО «Экспоцентр», июнь 2006-2008 гг, г. Москва.
Публикации.
По теме диссертации было опубликовано 7 статей без соавторов, в том
числе 2 из них в периодическом рецензируемом научно-техническом
журнале «Электроника и электрооборудование транспорта», входящем в
перечень ВАК РФ.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав,
заключения, списка использованных источников, приложений и содержит
155 страниц машинописного текста, 25 рисунков и 32 таблицы.
Анализ научных литературных данных о работе автономных электростанций переменного тока
Вопросами повышения надежности и эффективности работы электрооборудования, эксплуатируемого в жестких условиях окружающей среды, при неравномерных нагрузках посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых и специалистов. Ими отмечено, что решение проблемы эффективности силового электрооборудования является актуальной задачей для многих отраслей народного хозяйства, включая нефтегазовую отрасль. Этой проблеме посвящены труды таких видных учёных, как Разевига Д. В., Бажанова С. А., Воскресенского В. Ф., Шагалова С. Б., Оржаховского М. Л., Каганова З.Г., Рогинской Л. Э., Хвальковского А. В., Галушко А. И., Максимовой И. С, Оснач Р. Г., Хазановского П. М. и других [9]. Ими установлено, что наименее надежными узлами автономных электростанций являются системы охлаждения автономных генераторных агрегатов и изоляционные конструкции их обмоток.
Многие из негативных воздействий на работу генераторов автономных электростанций можно компенсировать, установив более совершенные автоматические системы регулирования охлаждения. По мнению Е. Ю. Логиновой именно автоматические системы регулирования охлаждения (АСРО) могут обеспечить защиту от локальных перегревов и поддержание как средних, так и локальных температур обмоток электрических машин в установленных пределах.
Проблеме модернизации АСРО автономных генераторных агрегатов в настоящее время уделяется большое внимание. В частности, начальником конструкторского отдела электрических машин ОАО «Курскэлектроагрегат» Корсунским В. И. были разработаны специальные нормы, предъявляемые к конструкции АСРО автономных генераторов, работающих в условиях высоких температур и высокой запыленности воздуха.
В связи с этим, автором предлагается усовершенствованная конструкция погодозащищающего контейнера автономных электростанций с автоматической системой регулирования охлаждения, адаптированной к реальным условиям эксплуатации на объектах нефтегазового комплекса Дальнего Востока.
Однако не всегда АСРО способны решить проблему перегрева автономных генераторов. Поэтому решение данной проблемы приходится искать путем выбора систем изоляции наиболее устойчивых к негативным воздействиям климата, механических и электрических перегрузок.
Как отмечено в работах В. Д. Кузьмича, Е. Ю. Логиновой, А. С. Космодамианского, Р. Г. Идиятуллина, из внешних факторов, воздействующих на изоляцию электрооборудования, температура является доминирующим [9]. Скорость старения изоляционных материалов и конструкций определяется их нагревостойкостью.
В условиях эксплуатации на изоляционные конструкции автономных генераторных агрегатов воздействует сложный комплекс внешних факторов, приводящих с течением времени к постепенному изменению их структуры и ухудшению диэлектрических свойств.
Электрическое старение изоляционных конструкций происходит неравномерно. В начальный момент их эксплуатации, когда изоляция конструкции плотная и монолитная процесс старения идёт медленно. По мере старения изоляции она расслаивается, разрыхляется, в ней образуются поры, трещины, воздушные прослойки, газовые включения [10].
С появлением неоднородностей в изоляции развиваются ионизационные процессы, сопровождающиеся появлением частичных разрядов и прогрессирующим разрушением даже таких стойких материалов, как слюда. Первые работы по определению срока службы изоляции при воздействии температуры относились, в основном, к изоляции класса А. В процессе исследований термостойкости изоляции этого класса было сформулировано «правило восьми градусов» (правило Монтзингера) [11], согласно которому превышение температуры на каждые восемь градусов сверх предельно допустимой сокращает срок службы изоляции (изоляционной конструкции) вдвое.
Дальнейшие исследования показали, что чем выше класс изоляции, тем медленнее происходит её старение при данной температуре. Показано, что для изоляции класса В правило «восьми градусов» трансформируется в «правило 10 градусов», а для класса Н (180) в «правило 12 градусов».
Величины отношений Ea/R для изоляции различных классов определены экспериментальным путём и приведены в справочниках [12]. Однако, данные величины зависят и от рода материала изоляции. Справочные значения отношений Ea/R установлены для однородных материалов классов нагревостойкости А, Е, В, F и Н. В современных генераторах однослойные однородные изоляционные материалы применяются редко. Они или слишком дороги, или не способны сочетать требуемые свойства электрической и механической прочности. Поэтому чаще всего применяются композиционные материалы — ламинаты. Ламинаты представляют собой многослойные листы изоляции, состоящие из 2 и более слоев различных материалов. Определять соотношение Ea/R для каждого сочетания толщин слоев таких материалов в составе ламината процесс долгий, трудоемкий и затратный. В данной работе автор проводит специальные испытания многослойных ламинатов и на основании полученных данных предлагает математический метод расчета поправочных коэффициентов для величин отношений Ea/R разнородной многослойной изоляции высоких классов нагревостойкости. Этот метод дает возможность рассчитывать срок службы такой изоляции более точно.
Помимо электрических нагрузок и тепловых нагрузок на изоляционные конструкции автономных генераторных агрегатов в эксплуатации воздействуют механические и термомеханические нагрузки.
Механические нагрузки на изоляцию генераторов являются следствием электродинамических сил, возникающих в них, неуравновешенности вращающихся частей, центробежных усилий и в результате ударов и толчков со стороны привода. Эти усилия обычно имеют знакопеременный циклический характер. Термомеханические нагрузки возникают в результате периодического нагревания и остывания обмоток и связаны с различием коэффициентов теплового расширения изоляции и материала проводников тока. Термомеханические процессы активизируются при форсированных режимах и частых переходных процессах, характерных для условий эксплуатации. Смещение обмоток генераторов, определяемое разницей температур и коэффициентов теплового расширения меди обмоток и стали магнитопроводов, тем больше разрушают изоляцию, чем чаще оно происходит в процессе эксплуатации и чем больше его значение.
В работах Глущенко М. Д. снижение электрических прочностных характеристик изоляционных конструкций под действием комплексных факторов эксплуатации, ориентируется на средние значения температур обмоток [9]. Применение неразрушающего метода предопределения пробивного напряжения дало возможность М. Д. Глущенко получить расчетную формулу, характеризующую одновременное влияние нагрева и вибрации на снижение электрической прочности изоляции тяговых электродвигателей. Автором данной работы предлагается метод математического расчета, который позволяет прогнозировать срок службы изоляции трехфазного генератора переменного тока, работающего под переменной нагрузкой. Все изменения нагрузки за счет внешних воздействий, таких как вязкость перекачиваемой нефти, скорость перекачки, пуск и остановка электродвигателей влияют на изменение тока обмоток генератора. Величина рабочего тока обмоток постоянно выводится на монитор системы управления автономного генератора и всегда доступна для применения в расчетах.
Устройство, технические характеристики и режимы работы комплектного автономного генераторного агрегата
Комплектные автономные генераторные агрегаты используются для покрытия пиковых нагрузок, либо в качестве основных или резервных источников электроэнергии. Комплектные генераторные агрегаты предназначены как для наземного, так и для морского применения [15].
Генераторный агрегат включает в себя дизельный или газопоршневой двигатель с генератором переменного трехфазного тока, смонтированным на общей несущей, стальной раме. Генераторный агрегат укомплектован необходимой трубной обвязкой, силовым распределителем и системой управления, обеспечивающей автоматическую работу оборудования и наблюдение за состоянием работы двигателя. В данной работе мы будем рассматривать один из числа наиболее распространенных в мировой нефтегазовой индустрии типов генераторных агрегатов, агрегаты CATERPILLAR, серии 3400 и 3500 [16].
В состав комплектного генераторного агрегата серии 3400 и 3500 входит генератор типа SR4B, двигатель внутреннего сгорания (дизельный либо газо-поршневой), система управления агрегатом. Генераторы типа SR4B. Генераторы типа SR4B в составе агрегатов 3400 и 3500 предназначены для питания трехфазных цепей нагрузки. Генераторы имеют возбуждение, которое осуществляется в роторной обмотке постоянным током с помощью двухполупериодного выпрямителя, и регулирование выходного напряжения статорных обмоток с помощью этого возбудителя. Генераторы способны вырабатывать переменный трехфазный ток частотой 50 Гц. Наиболее часто выводы статорных обмоток генераторов соединяют по схеме звезда или по схеме треугольник.
Генераторы SR4B служат для питания следующих потребителей: смешанные нагрузки, включающие в себя электродвигатели и осветительные приборы; оборудование; компьютерные центры, снабженные блоками управления на тиристорах; узлы связи и нефтебуровые установки. Отсутствие коллектора и щеток в генераторах повышает безопасность их работы в потенциально опасных средах. В таблице 2.1. приведены технические характеристики генераторов типа SR4B наиболее часто используемых на объектах нефтегазового комплекса Дальнего Востока.
Система управления управляет параметрами агрегата и отображает выходные характеристики генератора, параметры генераторного агрегата, нештатные состояния и основные параметры двигателя. Система получает информацию от оператора, магнитного измерительного преобразователя, датчика давления масла, датчика температуры охлаждающей жидкости и дополнительных дистанционных источников сигналов. Особенности и функции системы управления.
Система управляет штатным пуском и остановом двигателя. При нажатии кнопки «Старт» на пусковой панели, в систему управления поступает команда на пуск генераторного агрегата. При этом система включает подачу топлива и старт двигателя. Когда частота вращения коленчатого вала двигателя достигает значения, при котором проворот коленчатого вала стартером прекращается, стартер отключается. Генератор выходит на номинальные параметры за 10 - 30 сек. Когда в систему поступает команда на останов двигателя, система отсекает подачу топлива. Система осуществляет контроль на предмет возникновения нештатных состояний. При возникновении нештатного состояния система выполняет управляемый останов двигателя либо генерирует соответствующее предупреждение. Для описания характера нештатного состояния система использует световые индикаторы и дисплеи.
Управление регулятором частоты вращения коленчатого вала двигателя: Если давление моторного масла снижается ниже заданного уровня, система управления выдает регулятору команду на увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя со значения, соответствующего малой частоте вращения холостого хода, до номинального значения.
Остывание: По получении команды на штатный останов двигателя система управления, прежде чем остановить двигатель, прекратив подачу топлива и выжидает в течение заданного периода времени.
Регуляторы управления. При исправно работающем двигателе, система управления постоянно получает информацию от датчиков слежения за параметрами генераторного агрегата. Для изменения параметров работы агрегата, система управления посылает сигналы на регуляторы, которые осуществляют необходимые изменения. В составе агрегата находятся три основных регулятора, которые имеют следующие характеристики [16]:
1. Регулятор напряжения. Рабочие характеристики: Регулирование напряжения от номинала: -25% - +10%. Температура окружающей среды при работе: -40 - +70 С. 2. Регулятор распределения нагрузки: Погрешность в распределении мощности между генераторами: + 5%. Температура окружающей среды при работе: -40 - +70 С. 3. Регулятор частоты вращения вала двигателя (генератор находится на общем валу с двигателем и, следовательно, частота вращения вала напрямую связанна с частотой тока, вырабатываемого генератором): Погрешность в регулировании: + 5%. Температура окружающей среды при работе: -40 - +85 С. Ограничение по влажности воздуха: 95% при + 35 С.
Конструкция обмоток генераторов переменного тока
Обмотки генераторов переменного тока автономных электростанций мощностью от 50 до 3000 кВА с дизельным или газо-поршневым приводом имеют несколько типовых конструкций [25]. Конструкции статорных обмоток по направлению витков можно подразделить на три типа: волновые, концентрические и петлевые намотки, которые в свою очередь подразделяются на всыпные и шаблонные.
Наиболее распространенными являются петлевые и концентрические обмотки. Петлевые обмотки представляют собой перекрещивающиеся петли, намотанные в форме двойного ромба. Всю группу катушек можно намотать одновременно, в связи с чем соединения делаются только со всей группой катушек, а не с отдельными катушками. Каждая группа катушек отделяется изоляционным материалом, называемым межфазовой листовой изоляцией, который увеличивает длину пути тока утечки. Петлевая обмотка является двухслойной. На каждый паз приходится по две стороны катушек, в результате чего число катушек и пазов идентично. К лобовым частям присоединяются противовыбросовая нить и лента для удержания лобовых частей на месте при бросках напряжения, пуске электродвигателя и переходных процессах. Противовыбросовая нить, изготовленная из прочного стекловолокна и эпоксидной смолы, также снижает деформацию лобовых частей при механических напряжениях. Лента обеспечивает дополнительную защиту лобовых частей катушки от трения между катушками.
Концентрические обмотки наматываются в петли внутри петель большего размера, в результате чего образуется простейшая механическая На рисунках 3.1 и концентрических обмоток. сборка, расходуется наименьшее количество меди, однако несколько повышаются уровни гармоник. Эта разновидность обмоток наиболее экономична и дает возможность производить одновременную намотку всей группы катушек и вставлять их в машину. Как и при петлевой обмотке, соединения делаются со всей группой катушек, а не с отдельными катушками. Концентрическая обмотка является однослойной. На каждый паз приходится по одной стороне катушки, в результате чего пазов оказывается вдвое больше, чем катушек. Между фазами размещается межфазная листовая изоляция для обеспечения дополнительной изоляции между группами катушек. Межфазная листовая изоляция помещается также между фазами в генераторах с петлевыми обмотками.
В тех случаях, когда катушка наматывается под углом 180 электрических градусов, напряжения на проводниках с обеих сторон равны по величине и противоположны по направлению, и такая обмотка называется полношаговой. Иногда катушка наматывается под углом меньше 180, и ее называют катушкой с частичным шагом. Делается это для снижения определенных коэффициентов гармоник. Соединения треугольником в более мощных генераторах (свыше 250 кВт) требуется устанавливать в конфигурации 2/3 шага из-за высокого содержания гармонического тока. Всыпные обмотки катушек изготавливаются из круглого провода. Это обеспечивает снижение затрат на материал, но при этом между отдельными проводами остается пустое пространство.
В шаблонных обмотках применяются квадратные или прямоугольные провода, которые возможно укладывать наиболее тесно друг к другу, что обеспечивает максимальное заполнение паза. Это сокращает объем пустого пространства паза, заполненного воздухом, обладающим повышенным удельным магнитным сопротивлением, т.е. силой, противодействующей магнитному потоку. Хотя концентрические и петлевые обмотки можно производить методами всыпной или формованной намотки, шаблонные обмотки, как правило, практически нецелесообразны в генераторах низкой мощности (менее 250 кВт).
Катушки со всыпной обмоткой наматываются круглым медным проводом, изолированным влагостойкой толстой полиэфирной пленкой и амидимидным наружным слоем. Катушки, содержащие несколько проводов на виток, состоят каждая из одного или нескольких витков и наматываются в форме двойного ромба. Катушки со всыпной обмоткой экономически эффективны и пригодны для аппаратов низкой мощности, резервной техники, эксплуатации в условиях чистой окружающей среды и в течение непродолжительного времени эксплуатации.
Статор со всыпной обмоткой обрабатывается электротехническим пропиточным составом методом окунания и отверждения при нагреве [26, 27]. Статор окунается и полностью погружается в полиэфирную смолу. Для современных электрических машин используется именно полиэфирная смола, благодаря своим свойствам гибкости, стойкости к электрическому пробою, влагостойкости и превосходному рассеянию тепла. Смола проникает в пространство между проводниками, образуя однородную массу. Затем эта смола отверждается циклом нагрева. Поскольку смола удерживает проводники на месте, она препятствует появлению вибрации и преждевременному выходу обмотки из строя.
Эпоксидная смола обеспечивает дополнительную защиту от влаги, химреагентов и других внешних факторов. Если это требуется и/или является необходимым, производятся дополнительные окунания и отверждения для доведения до максимума однородности смолы и защиты от внешних воздействий (от 2 до 4 окунаний и отверждений) [28].
На конец вывода для дополнительной защиты от истирания и влаги может также наноситься битумная эпоксидная смола. На все статоры со всыпными обмотками напыляется красный герметик, для задержки трекинга напряжения и защиты всех деталей от ржавчины и коррозии. Трекинг вызывается загрязняющими примесями, например, соленой водой, которая может задержаться на лобовых частях катушки. После этого возникают токи на поверхности, вызывающие обугливание или появление «ходов» на поверхности смолы [29].
Для повышения защиты от внешних воздействий иногда всыпные обмотки дополнительно обеспечиваются прибрежной изоляционной защитой. Накоплению влаги и загрязняющих примесей особенно подвержены лобовые части, а поэтому на лобовые части накладывается лента из стекловолокна для улучшения сохранности однородной массы смолы. Лента также придает лобовым частям гладкость, задерживает накопление влаги и примесей. Наконец, наряду с нормальным процессом окунания и отверждения производится дополнительное окунание и отверждение.
Катушки с шаблонными обмотками предварительно формуются прямоугольным магнитным проводом, затем обматываются несколькими слоями ленты из сплавленной двойной нити «дагласс» поверх толстой полиэфирной пленки, а затем покрываются наружным амидимидным слоем. Катушки обматываются лентой для придания механической прочности. Число слоев ленты варьируется в зависимости от напряжения, прилагаемого к катушке, и требуемой диэлектрической прочности (корпусной изоляции). Если этого требуют внешние факторы воздействия, катушкам может быть обеспечена дополнительная защита. Для корпусной изоляции высоковольтных генераторов может применятся слюдяная лента. Слюда обладает хорошими изоляционными свойствами, а именно, диэлектрической прочностью, высокой стойкостью к пробивным напряжениям, высокой изоляционной стойкостью и прекрасной защите от влаги, химреагентов и других факторов внешней среды [30].
Открытые пазы статора позволяют размещать катушки в пазах не разделяя провода в катушках. Катушки соединяются группами или по отдельности как обжимом, так и пайкой. Соединения обматываются лентой, а уже на них надевается трубчатая изоляция для обеспечения хорошей герметичности, защищающей от внешних воздействий.
Анализ изменения рабочих параметров материалов входящих в состав ламината при их тепловом старении
В предыдущем разделе мы убедились, что ламинаты на основе полиэфирных пленок сохраняют свои исходные параметры по-разному, в зависимости от того каким материалом пленка защищена снаружи. Проведенные испытания показали, что нельзя делать выводы о способности наружного слоя защитить пленку, основываясь лишь на его классе нагревостойкости. Были проведены испытания ламинатов с одинаковой толщиной внешнего слоя и одинаковой заявленной нагревостойкостью этого слоя. На приведенных графиках старения (рисунки 3.7 - 3.10) была видна большая разница в работе таких ламинатов.
Необходимо смотреть комплексно на сочетание толщин пленки и внешнего слоя, учитывать химический состав внешнего слоя и его способность защитить пленку от окисления [40, 41, 42]. Важно знать нагревостойкость клея, соединяющего части ламината и качество его нанесения. Также надо знать качество пропиточного состава, которым покрывается обмотка после сборки [43].
Чтобы оценить влияние каждого из компонентов ламината на его работу, рассмотрим исходные параметры этих компонентов и сравним их изменения под воздействием температуры. Сначала сравним материалы отдельно, а потом в составе ламината.
Ниже в таблицах 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 приведены рабочие параметры материалов в составе исследуемых ламинатов и параметры самих ламинатов. В зависимости от толщины и исходных параметров каждого материала в составе ламината, исследуется его влияние на работу ламината в целом.
До воздействия высоких температур, Номекс и TufQUIN дают в среднем от 5 до 10 процентов электрической прочности ламината, и от 10 до 25 процентов прочности на разрыв. Пленка дает соответственно от 75 до 95 процентов электрической прочности, и до 90 процентов механической прочности.
Важно помнить, что ламинат считается неработоспособным, если его электрическая прочность, либо механическая прочность на разрыв достигнет 50 процентов исходного значения [37, 44]. Несмотря на то, что в исходном состоянии полиэфирная пленка определяет до 95 процентов свойств ламината, она является материалом класса нагревостойкости 130 (В) и будет терять свои параметры быстрее внешнего слоя из Номекса или TufQUIN (классов 180 (Н) - 220 (С)).
При помощи опытов проверим, на каком уровне сохранят свои исходные параметры Номекс и TufQUIN в составе ламината. Выясним, насколько хорошо каждый материал осуществляет защиту пленки. На основании опытов установим, насколько точно МЭК 60626-3 и UL [34] классифицирую ламинаты по классам нагревостойкости, опираясь на сравнительный анализ данных по толщине и нагревостойкости защитного слоя поверх полиэфирной пленки. Достаточно ли основывать выводы о тепловой способности новых композиционных материалов на опытах старения ранее исследованных материалов, схожих по составу. Результаты опытов и выводы к ним изложены в п. 4.2.
Автором проводились различные испытания теплового старения однородных, композиционных изоляционных материалов и систем изоляции. Существует большое количество стандартных методов тепловых испытаний [34, 37, 45, 46, 47]. Это связано с тем, что изоляционные материалы имеют очень широкое применение в различных конструкциях электрических машин и, в зависимости от этого, подвергаются различным тепловым нагрузкам. Всякий раз, проводя испытания необходимо быть уверенным в том, что выбранный метод исследования даст результат наиболее близкий к реальным условиям эксплуатации.
Для разработки предлагаемого автором метода испытаний изоляционных материалов использовались основные международные стандарты IEEE, МЭК60216, ГОСТ 27710-88 и др. Все эти стандарты описывают общие требования к методу испытаний твердых и гибких электроизоляционных материалов на нагревостойкость.
Для оценки нагревостойкости материалов все перечисленные стандарты опираются на критерий конечной точки. Критерий конечной точки — это значение параметра изоляции (например, механической или электрической прочности), при котором она считается работоспособной [48]. Для гибких однослойных и композиционных изоляционных материалов стандарты МЭК, ГОСТ и IEEE в качестве критерия конечной точки одинаково специфицируют 50%-ю потерю механической или электрической прочности. Но методы проведения испытаний этих критериев в перечисленных стандартах различны.
Следовательно, для сравнения отличающихся по своей структуре материалов необходимо выбрать единый метод испытаний. Это позволит сравнивать разные изоляционные материалы в равных условиях. Выбранный метод должен будет давать результаты наиболее близкие к реальным условиям эксплуатации. Таким образом, возникает необходимость проверки существующих методов испытаний.
Смысл применения указанной выше установки состоит в том, чтобы электрическое поле прикладывалось к образцам находящимся в механически напряженном состоянии. Однако, по мнению автора далеко не всегда справедливо требовать проведения испытаний электрической прочности гибких материалов при помощи такой установки.
От испытываемых материалов требуется выдерживать напряженное состояние на стадии сборки оборудования. При укладке материала в паз статора генератора, после того как в пазу уплотняется обмотка, пазовая изоляция испытывает постоянную механическую напряженность [49, 50]. Она прочно закреплена между сталью статора и медным проводом. Значит несправедливо подвергать изоляционный материал новой насильственной деформации после теплового воздействия, как это происходит при установке его между криволинейными электродами. Как известно, исследуемые композиционные материалы содержат полиэфирную пленку, которая высыхает и становиться очень хрупкой при температурах выше 130 С. А ведь именно диэлектрические свойства пленки составляют основу электрической прочности композиционного материала (ламината). При фиксировании между криволинейными электродами пленка трескается из — за дополнительного физического воздействия нехарактерного для реальной эксплуатации. Поэтому данные электрической прочности ламинатов измеренные с помощью криволинейных электродов не имеют практического смысла. Они будут заведомо ниже тех, которые мог бы сохранить ламинат неподвижно закрепленный внутри паза реально эксплуатируемого генератора [51].
