Эксплуатация генераторов - Дефекты статора гидрогенератора

ПРИЧИНЫ ДЕФЕКТОВ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ.
КОНТРОЛЬ И УСТРАНЕНИЕ

Дефекты статора

Ослабление прессовки активной стали сердечника. Высокая степень монолитности пакетов шихтованного сердечника является одним из основных требований, предъявляемых к производственно-технологическим процессам изготовления статоров ГГ Необходимая степень монолитности пакетов может быть обеспечена только достаточно большим давлением прессовки. В случае снижения давления при работе ГГ происходит расслоение (распушевка) активной стали и возникает аксиальная вибрация ее сегментов, которая является причиной развития ряда характерных дефектов и следующих затем отказов ГГ.
Вибрация сегментов активной стали ведет к нарушению изоляции вследствие повреждения лаковой пленки. Поскольку наружная сторона спинки сердечника замкнута призмами, на которых собирается сердечник, то в образующихся зонах повышенной электропроводности протекают добавочные токи, вызывающие местное увеличение потерь энергии и повышенный нагрев активной стали до 250-300 гр. Повышенный нагрев вызывает дальнейшее разрушение пленки лака. Развитие дефекта может привести к тяжелому повреждению - «пожару» активной стали, т.е. местному плавлению пакетов сердечника. Возникновение очага перегрева особенно опасно в зубцовой зоне, в которой развитие дефекта идет более интенсивно, чем в зоне спинки сердечника. Пожар стали сравнительно редкое событие, но может привести к большому объему ремонтных работ вплоть до замены статора ГГ.
Развитие дефекта может привести к отказу до возникновения пожара активной стали из-за пробоя изоляции обмотки статора, который наступает вследствие ускоренного старения и снижения электрической прочности под действием высокой температуры.
Вибрирующие листы зубцов активной стали постепенно разрушают верхние слои изоляции стержней обмотки статора. Прежде всего нарушается полупроводящий слой, который служит для предотвращения появления короны. При короне воздух ионизируется, образовавшийся озон - активный окислитель - вступает в реакцию с азотом, при наличии в воздухе влаги образуются азотная и азотистая кислоты, разрушающие изоляцию. Механическое разрушение может быть весьма глубоким и само по себе снижать электрическую прочность изоляции.
Большую опасность представляет вибрация сегментов крайних пакетов зубцовой зоны сердечника из-за быстро развивающихся усталостных сколов листочков активной стали, так как отломившиеся листы могут прорезать изоляцию обмотки статора, вызвать ее пробой и аварийное отключение генератора.
Прессовка стали ослабляется обычно при дефектах производственно-технологического характера под действием сил магнитного тяжения, добавочных сил электромагнитного
происхождения, сил температурных деформаций, вращающихся моментов, вибрации сердечника к других эксплуатационных факторов. Однако скорость и глубина процесса ослабления прессовки активной стали статора определяются в значительной мере причинами технологического характера. Принятая технология прессовки в целом обеспечивает довольно высокую монолитность сердечника, и его общая значительная распрессовка - явление очень редкое. Местное ослабление прессовки - распространенный дефект, составляющий значительную часть дефектов стальных конструкций статоров ГГ.
Одна из причин местной распрессовки заключается в том, что при заводской опрессовке не достигается достаточно равномерного распределения давления вдоль окружности статора, между спайкой и зубцами сердечника. В практике эксплуатации встречаются случаи, когда ослабевает только зубцовая зона или только спинка активной
стали, что является следствием неправильной регулировки отжимных болтов.
Пониженная плотность прессовки зубцовой зоны сердечника возможна из-за несовершенства технологии лакировки, в результате чего на зубцы наносится более тонкий слой лака. Распрессовка отчасти обусловлена коробоватостью сегментов, отчасти пластическими свойствами лаковой пленки.
Ослабление прессовки и расслоение крайних пакетов активной стали возможны из-за самоотвинчивания гаек стяжных шпилек сердечника и отжимных болтов, а также усталостной поломки стяжных шпилек при высоком уровне вибрации сердечника с частотой 100 Гц.
Расслоению крайних пакетов в зубцовой зоне способствуют нарушения технологии изготовления и монтажа нажимных плит (действие сил трения между сталью и стержнями обмотки статора при их взаимных перемещениях из-за тепловых продольных деформаций стержней).
На состояние прессовки отрицательно влияет переуплотнение (чрезмерное давление) стыков составного сердечника. Вследствие переуплотнения образуется волна активной стали - изгибы пакетов в аксиальном направлении. В ряде случаев в стыковой области стали возникают зоны распутывания или «вспучивания» пакетов, на стыках образуются «домики» как результат нарушения устойчивости и смятия пакетов сердечника.
Признаком ухудшения состояния и повышения уровня вибрации с полюсной частотой активной стали является увеличение уровня шума возбужденного генератора. Однако источником шума может оказаться и вибрация сердечника, возникающая, например, из-за ослабления плотности стыков, а не вибрация листов активной стали.
Другие признаки неудовлетворительного состояния прессовки пакетов сердечника статора выявляются при осмотрах и испытаниях ГТ. К таким признакам относятся контактная коррозия и перегревы сердечника, подвижность дистанционных распорок, трещины и обломы активной стали. Однако все они, как и шум, могут иметь двоякое происхождение.
Для контроля температуры при испытаниях активной стали служат переносной искатель местных перегревов, устройство контроля перегревов генераторов. Признаками возникновения перегрева являются высокодисперсные аэрозоли или характерные газы, выделяемые органическими компонентами лаковой пленки, которой покрыты сегменты активной стали, и органическими компонентами верхних слоев изоляции стержней обмотки статора, которые перегреваются вместе со сталью. Для обнаружения аэрозолей, выносимых охлаждающим воздухом, могут использоваться системы с ионизационными камерами, а для анализа примесей характерных газов - системы с хроматографами.
Степень ослабления прессовки активной стали определяется при осмотре с помощью специального ножа толщиной 1 мм. Если при сильном нажатии нож входит в пакет на глубину менее 5 мм, состояние прессовки считается удовлетворительным.
Местная незначительная распрессовка зубцовой зоны активной стали устраняется забивкой текстолитовых, гетинаксовых или стеклотекстолитовых клиньев толщиной 2-3 мм. Клинья перед забивкой промазываются щелочными или другими лаками холодного отверждения. Значительное местное ослабление прессовки без выкрашивания активной стали устраняется забивкой клиньев из немагнитной стали между нажимными пальцами и крайним пакетом, причем между листами активной стали в распушенных местах предварительно устанавливаются слюдяные прокладки. Все устанавливаемые детали также предварительно промазываются лаком.
В случае выкрашивания или оплавления активной стали используются заполнители из стеклотекстолита на эпоксидном лаке - «протезы».
Общая подпрессовка сердечника в условиях эксплуатации производится подтяжкой стяжных шпилек или отжимными болтами. В случае существенной подпрессовки вместе с подтяжкой стяжных шпилек необходимо регулировать отжимные болты.
Эффективным способом предотвращения расслоения и сколов активной стали являются склеивание и запечка сегментов крайних пакетов перед шихтовкой сердечника.
Ослабление стыковки и вибрация сердечника. Снижение плотности стыковки секторов является наиболее распространенной причиной возникновения опасных уровней вибрации составного сердечника статора ГГ с частотой 100 Гц (с частотой следования полюсов ротора), которые приводят к развитию серьезных дефектов и отказам машины.

Двойная амплитуда вибрации сердечника статора ГГ с частотой 100 Гц не должна превышать 30 мкм. При значительном снижении плотности стыковки уровень вибрации может увеличиться в 10 раз.
Повышенная вибрация вызывает гул работающего генератора и контактную коррозию стальных конструкций статора. Еще более высокая вибрация приводит к повреждению узлов крепления сердечника: трещины и разрушения сварных швов приварышей, трещины и изломы наборных призм, сколы и выкрашивание активной стали в местах контакта с наборными призмами.
Вследствие повреждения узлов креплений сердечника статора под действием сил магнитного тяжения происходит смещение отдельных участков в воздушный зазор генератора вплоть до касания ротора.
Опыт эксплуатации позволяет предполагать, что первоначальной причиной ухудшения стыковки является несовершенство производства и монтажа статора, например плохая взаимная пригонка стыкуемых торцов смежных секторов сердечника, имеющих неровности или непараллельности поверхностей. Недостаточная жесткость стыка может быть также обусловлена малой толщиной уплотняющей прокладки.
Распределения вибросмещений составных сердечников статоров ГТ с частотой 100 Гц могут рассматриваться как стоячие волны, причем по разные стороны ослабленных стыков нередко возникают противофазные колебания. На разных участках сердечника уровень вибрации отличается. Особенно высоких уровней (до 500 мкм) достигает вибрация вблизи сильно ослабленного стыка. Одной из причин возникновения особенно высоких уровней вибрации является неодинаковая жесткость креплений сердечника в корпусе на различных участках статора.
Необходимая плотность стыковки обеспечивается  только достаточно большим усилием, стягивающим секторы сердечника в тангенциальном направлении, под влиянием которого возникают силы трения, препятствующие взаимному смещению концов обоих секторов, и моменты сил, противодействующие взаимному повороту опирающихся друг на друга стыкующихся плоскостей. При монтаже статора это усилие возникает за счет затяжки стыковых плит и передается от корпуса к сердечнику через узлы крепления в корпусе.
Непосредственное определение плотности стыковки путем измерений усилий, стягивающих сектора, затруднено из-за отсутствия достаточно надежных методов и средств измерений. Признаками ухудшения состояния стыковки считаются рост уровня вибрации с частотой 100 Гц и дефекты стальных конструкций статора, возникающие под действием вибрации. По этим косвенным признакам можно своевременно обнаружить ухудшение состояния стыковки и не допускать возникновения тяжелых, трудно устранимых повреждении конструкций статора.
Незначительное ослабление стыковки обнаруживается по наличию характерного максимума вибрации на ненагретом статоре в опыте подъема возбуждения при холостом ходе генератора. По мере ухудшения стыковки максимум вибрации наблюдается при все большем токе ротора. Вибрации следует измерять на спинке сердечника вблизи всех стыков с обеих сторон.
Восстановление плотности стыковки, т.е, необходимая монолитность сердечника статора, достигается установкой новых уплотняющих прокладок в стыки, находящиеся в неудовлетворительном состоянии. Переуплотнять следует все стыки с повышенным уровнем вибрации.
Способы распускания стыка выбираются в зависимости от местных условий. Иногда прибегают к равномерному радиальному смещению секторов статора, иногда поднимают корпус статора снизу до образования вверху сердечника зазора в несколько миллиметров и вставляют в этот зазор стальную пластину. После опускания статора зазор образуется по всей высоте сердечника. Но поиск совершенных способов уплотнения стыка остается актуальной задачей.
Надо отметить, что вибрация сердечника возможна из-эа неудачного выбора схемы обмотки статора, а низкочастотная вибрация статора возникает вследствие асимметрии ротора генератора.
Некоторые рекомендации по осмотрам стальных конструкций статора. Осмотру подлежат узлы крепления сердечника, спинка и расточка сердечника, стыки секторов статора и фундаментальные крепления корпуса статора. При осмотре должны быть установлены качественные характеристики, место обнаружения и по возможности количественная оценка следующих аномалий и дефектов:
1. Повышенный уровень шума при холостом ходе и в нагрузочных режимах работы ГГ,
2. Следы контактной коррозии, ослабление прессовки, расслоение, трещины и изломы активной стали в зубцовой зоне, особенно крайних пакетов и со стороны спинки сердечника (у наборных призм и стыков).

1. Подвижность дистанционных (вентиляционных) распорок, ослабление затяжки отжимных болтов и стяжных шпилек сердечника, а также поломки последних, перекосы нажимных гребенок.
2. Трещины и обрывы сварных швов приварышей, наборных призм активной стали, а также выкрашивание активной стали у наборных призм.
3. Ослабление затяжки стяжных шпилек стыковых плит корпуса, зазоры в стыках секторов сердечника и выползание или разрушение уплотняющих прокладок.

Дефекты изоляции обмотки статора.

Старение изоляции является естественным процессом, протекающим непрерывно во времени и ухудшающим прочностные и теплофизические свойства изоляции. Старению подвержен весь объем изоляции, но наиболее интенсивно ухудшаются ее свойства в местах концентрации тепловых воздействий, механических напряжений и повышенных градиентов напряженности электрического поля, т.е. носит местный характер Старение изоляции обмотки статора во время эксплуатации включает в себя процессы теплового, электрического и механического старения, химических изменений под действием окружающей среды. В реальных условиях все или часть видов старения обычно проявляют себя одновременно. В анормальных условиях какой-либо один вид старения может стать преобладающим и вызвать ускоренное старение изоляции.
При тепловом старении изоляции входящие в ее состав органические вещества постепенно разрушаются. В термореактивной изоляции старится связующее - термореактивный компаунд, становится более хрупким (темнеет), от чего ухудшаются
механические свойства изоляции в целом.
Дефекты под действием электрического поля возникают главным образом в пазовой части обмотки, где напряженность поля в изоляции и электромагнитные усилия, действующие на проводники, выше, чем в лобовых частях.
Толщина стержня обмотки всегда меньше ширины паза, и между стержнем и стенкой паза имеется зазор. Если этот зазор достаточно велик, то появляются условия для вибрации стержня в пазу от
взаимодействия тока в стержне с частью главного магнитного потока, проходящего через паз, и с потоком рассеяния. Эта вибрация может привести к усталостному излому элементарных проводников или изоляции косвенным ее действием является возникновение пазового разряда. Полупроводящее покрытие, поврежденное пазовым разрядом, увеличивает свое сопротивление до такой степени, что напряжение на зазоре между стержнем и стенкой паза становится выше пробивного и происходит пробой зазора с образованием микродуги в местах, где стержень не касается стенки паза при вибрации. Пазовый разряд может вызвать полное разрушение изоляции за 1-2 года.
Основными признаками пазового разряда являются: выгорание лака против пакетов активной стали; образование углублений в изоляции, выгорание или обугливание прокладок в пазу.
Известны три основных метода борьбы с пазовым разрядом: уменьшение допусков на размер стержня, так, чтобы последний укладывался в паз практически без зазора; закрепление стержня в пазу с помощью отверждающейся полупроводящей замазки; уплотнение стержня с боковых сторон полу проводящими волнистыми пружинящими прокладками. Кроме того, во всех случаях требуется плотная заклиновка пазов.
На изоляцию гидрогенераторов действуют в основном такие вещества из окружающей среды, как кислород воздуха; влага, содержащаяся в воздухе или попадающая в изоляцию в виде жидкости (из-за течей в системе водяного охлаждения, отпотевания газоохладителей, при небрежном хранении статора и т.п.); масло, попадающее из систем смазки подпятников и из тормозной системы; пыль от тормозов.
Данные вещества ухудшают свойства изоляции, поэтому при эксплуатации ГГ их воздействие необходимо сводить к минимуму.
Механическим воздействиям изоляция подвергается как во время изготовления и ремонта генератора, так и во время его эксплуатации. Механические воздействия приводят к возникновению в изоляции деформаций растяжения, сжатия, изгиба, смятия, кручения, а также к трению поверхности стержней о прилегающие к ним детали. При неблагоприятных условиях это приводит к появлению дефектов изоляции в виде трещин, складок, расслоения и местного уменьшения толщины.
Статор ГГ со стержневой обмоткой имеет большое число контактных соединений (более 1000). Наличие дефектов даже в одном соединении сказывается на надежности работы ГГ. Контактные соединения выполняются с помощью пайки твердым припоем.
В практике встречаются следующие дефекты контактных соединений: недостаточное заполнение места пайки припоем; малая площадь спая соединяемых поверхностей, включения флюса; пережег элементарных проводников и т.п.
Возникновение дефекта в контактном соединении приводит к двум существенным последствиям: возрастает переходное
сопротивление контакта и уменьшается его механическая прочность. Повышение переходного сопротивления является причиной перегрева контактного соединения. Перегрев приводит к ускоренному тепловому старению изоляции соединений, ее термическому разрушению. Сильный перегрев может вызвать пробой по воздуху на «землю» и обрыв цепи статора. Уменьшение механической прочности контактного соединения может привести к нарушению контакта (обрыву цепи обмотки) в соединении стержней или шин под действием их вибрации и деформации. В месте обрыва возникает мощная дуга, приводящая к тяжелым последствиям: междуфазному короткому замыканию, повреждению шин, кронштейнов, пожару в обмотке с выгоранием изоляции, меди.
Витковые замыкания возникают при изготовлении и сборке обмотки статора, а также во время эксплуатации (из-за теплового старения изоляции элементарных проводников, ее ионизационного разрушения и т.п.). Основной причиной возникновения витковых замыканий в ГГ с катушечной обмоткой является металлическое замыкание витков вследствие грубых дефектов или разрушения витковой изоляции. В генераторах со стержневой обмоткой витки могут замкнуться лишь при замыкании между соседними стержнями в лобовых частях. Витковой изоляцией в этом случае являются два слоя корпусной изоляции и промежуток между стержнями. Пробивное напряжение этой изоляции при самых неблагоприятных условиях во много раз выше напряжений между витками. Поэтому в стержневых обмотках витковые замыкания в результате дефектов изоляции не возникают; они могут явиться следствием посторонних причин (пролезание изоляции посторонним предметом, открепившейся деталью генератора, отломившимся листом активной стали).
В случае замыкания элементарных проводников в пазу происходит сильный разогрев места замыкания, который может привести к обугливанию изоляции в близлежащих местах и к разрастанию повреждения.
При замыкании соседних элементарных проводников в лобовых частях нагрев в месте замыкания существенно меньше и как следствие такого повреждения возможно разрушение участка корпусной изоляции в лобовых частях с возникновением виткового или межвиткового замыкания.
Методы выявления наиболее характерных дефектов изоляции обмотки статора ГГ приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1
Способы выявления дефектов изоляции обмоток статора гидрогенератора

Примечание. + - возможно выявление дефекта данным способом

Выявление дефектов изоляции при осмотре.

Осмотры доступных частей обмоток являются не менее эффективным средством выявления дефектов изоляции, чем испытания и измерения. Ряд дефектов можно обнаружить в начальной стадии развития, т.е. до того как произойдет значительное повреждение изоляции, только в результате осмотра.
При выявлении следов ослабления креплений лобовых частей необходимо обращать внимание на состояние бандажных вязок, изменение расстояния между стержнями и следы истирания изоляции и защитного покрытия. Следует проверять рукой подвижность прокладок, их смещение или выпадение, ослабление или обрывы бандажных вязок со стороны расточки и со стороны спинки. Особое внимание обращается на присутствие порошка пыли вблизи прокладок и кронштейнов, свидетельствующее об истирании изоляции и деталей крепления.
При наличии вынутых стержней необходимо осмотреть все места, в которых имеются следы прокладок. При термореактивной изоляции любые борозды являются признаком истирания.
Интенсивность замасливания обмотки оценивается в результате осмотра и пробной протирки чистой тряпкой отдельных участков лобовых частей верхнего и нижнего слоев обмотки, а также промежутков между соседними стержнями и между верхним и нижним слоями обмотки.

При оценке запыленности лобовых частей фиксируются цвет пыли и ее расположение. Если пыль красная, бурая или цвета ржавчины, следует проверить ее магнитные свойства. Источником пыли цвета ржавчины обычно является контактная коррозия активной стали. Если источник пыли не установлен, следует провести химический анализ порошка для определения содержания железа, его соединений и других компонентов.
Необходимо Тщательно осматривать стержни в местах выхода из паза. Скопление пыли на этих участках может явиться признаком истирания изоляции вибрирующими листами активной стали,
В некоторых случаях на обмотке имеются следы повреждения изоляции случайно попавшими в промежутки между стержнями мелкими посторонними стальными предметами или отломившимися от активной части стали кусочками стали. Повреждения в этих случаях имеют вид небольших конусов или «червоточин» со сглаженными краями. Более крупные предметы оставляют следы в виде отверстий или борозд с гладкими краями.
Выявление следов увлажнения имеет особое значение для обмотки с непосредственным охлаждением стержней дистиллятом. При осмотре проверяется наличие капель воды на лобовых частях обмотки, на головках, водоподводящих шлангах. Следует также обращать внимание на обугливание поверхности лобовых частей (из- за попадания воды на обмотку).
Плотность заклиновки пазов проверяется обычно простукиванием клина по центру и краям молотком массой 0,2-0,4 кг и определяется по характерному звуку.