3-8. МЕСТНЫЕ ПЕРЕГРЕВЫ В ТУРБОГЕНЕРАТОРАХ
3-8-1. Перегреты ребра и поперечные стенки корпуса статора, нажимные плиты статорной стали и шпонки крепления плит.
В машине имеются блуждающие токи, вызываемые магнитными потоками, выходящими за пределы активной стали статора. Блуждающие токи появляются при большом насыщении активной стали статора. Эти токи обычно имеют место даже при незначительном повышении напряжения сверх допустимого 5 %-ного. Вследствие насыщения часть магнитного потока выходит за пределы активной стали и охватывает металлические контуры корпуса статора (рис. 3-1). Линии магнитной индукции главного потока, проходящие по активной стали статора, показаны сплошными, а линии магнитной индукции, ответвляющиеся в корпус статора,— штриховыми. Ответвляющимся потоком индуктируется переменная ЭДС машины. Токи, текущие вдоль ребер, замыкаются главным образом через торцевые части корпуса: поперечные стенки, нажимные плиты, крайние пакеты активной стали.
Блуждающие токи могут достичь большого значения и вызвать сильные перегревы указанных частей машины. Особенно сильно нагреваются шпонки (рис. 3-2), крепящие нажимные плиты (шпоночное крепление плит встречается в некоторых старых типах турбогенераторов), и сегменты крайних пакетов активной стали в местах соприкосновения сегментов с ласточкиными хвостами ребер (см. рис. 3-1). В некоторых случаях нагрев контактов в этих частях может вызвать даже их оплавление и появление искр.
Рис. 3-1. Магнитные потоки, ответвляющиеся в корпус статора турбогенератора
Радикальным способом устранения или уменьшения блуждающих токов является работа машины при нормальном напряжении.
Следует отметить, что нагрев нажимных плит, шпонок и крайних пакетов активной стали может быть и от других причин (см. п. 3-8-3). Поэтому, прежде чем приступить к устранению неисправности, следует путем испытания машины в режимах холостого хода и короткого замыкания убедиться в правильности диагноза.
3-8-2. Перегреты щиты, стенки и обшивка корпуса статора, внутренние щиты и болты, крепящие щиты к корпусу статора.
Рис. 3-2. Крепление нажимной плиты статора турбогенератора 1 — шпонка; 2 — ребро; 3 — вентиляционный канал; 4 — активная сталь; 5 — нажимная плита
Рис. 3-3. Магнитные линии, ответвляющиеся в конструктивные части турбогенератора 1 — уплотнение щитов; 2 — диффузор; 3 — щит; 4 — болт; 5 — внутренний щиток; б — вентилятор; 7 — ротор; 8 — активная сталь; 9 — стенка корпуса
Магнитные потоки выходят за пределы активной стали статора. На рис. 3-3 показаны магнитные линии потока, ответвляющегося в конструктивные части турбогенератора. Так как этот магнитный поток является переменным, то образующиеся вихревые токи вызывают нагревание конструктивных частей турбогенератора.
Рассмотрение путей прохождения линий ответвляющегося потока показывает, что они концентрируются около вала ротора, а также во внутренних щитках вблизи вентилятора ротора. Поэтому в этих местах может быть наиболее сильное нагревание. Учитывая это, заводы-изготовители выполняют детали, находящиеся в этих местах (уплотнения и диффузоры), из немагнитных материалов.
Для уменьшения нагревания щитов вблизи вала ротора, а также внутренних щитков рекомендуется увеличить размеры вставок из немагнитных материалов. С той же целью стальные болты для крепления щитов полезно заменить латунными. 3-8-3. Перегреты лобовые части обмотки статора, нажимные плиты статорной стали, шпонки, крепящие плиты, щиты статора и крайние пакеты активной стали.
Перегрев вызван потоками рассеяния лобовых частей статорной обмотки.
Особенно сильно перегреваются эти части у турбогенераторов устаревших типов.
Магнитные линии рассеяния лобовых частей обмотки (рис. 3-4) замыкаются через крайний пакет стали статора /, щит 2, бандаж ротора 3, нажимную плиту 4 (вставка из немагнитного материала в бандаже на рисунке не заштрихована).
Рис. 3-4. Схема замыкания магнитных линий рассеяния лобовых частей обмотки статора
Поток рассеяния лобовых частей, являясь переменным, нагревает детали, находящиеся вблизи этих частей. Степень нагрева зависит от величин полей, которые, в свою очередь, определяются главным образом конструкцией лобовых частей обмотки, а также материалом нажимных плит и роторных бандажей (капп). Так, очень большому нагреву подвержены эвольвент-ные лобовые части обмоток турбогенераторов старых типов, выполненные в виде массивных вилок. Их нагрев, подчас приводящий к обугливанию изоляции и нарушению паек, может вызвать аварию машины.
Нарушению паек из-за нагрева может способствовать и расположение их в местах с большой индукцией потока рассеяния.
Значительному нагреву подвергаются нажимные плиты, если они выполнены из обычной (магнитной) стали, и щиты статора, особенно в местах входа потока рассеяния.
Шпонки, крепящие нажимные плиты, могут нагреваться от токов, индуктируемых потоком рассеяния в замкнутых контурах, состоящих, например, из нажимной плиты, шпонки, болтов, крепящих лобовые части, и металлической накладки на лобовой части. Нагреваются шпонки и от вихревых токов, вызванных потоками рассеяния.
Устранение или уменьшение перегревов по указанной причине возможно лишь путем сложных конструктивных изменений. Так, в современных турбогенераторах это достигнуто благодаря применению двухслойных статорных обмоток с укороченным шагом и конусным расположением лобовых частей, отставленных бандажей ротора или бандажей из немагнитной стали (в случае их насаживания на бочку ротора), нажимных плит из немагнитного материала, а также благодаря отказу от применения шпонок для крепления нажимных плит.
Единственным простым средством, служащим для той же цели, является снижение токовой нагрузки машины.
Так как перегрев шпонок, нажимных плит и крайних пакетов активной стали, а также щитов возможен и от других причин (см. пп. 3-8-1 и 3-8-2), то для установления действительной причины перегревов следует испытать турбогенератор в режимах холостого хода и короткого замыкания. В режиме холостого хода напряжение статора повышают на 10 % сверх номинального. Опыт короткого замыкания проводят при номинальном токе, а для крупных машин — при токе, составляющем 80 % номинального. Для выявления перегрева немассивных частей (шпонок) может оказаться достаточным проведение каждого из этих опытов в течение получаса.
Если перегрев частей проявляется в режиме короткого замыкания и не проявляется в режиме холостого хода, то причиной перегрева служат потоки рассеяния лобовых частей; если же перегрев проявляется в режиме холостого хода, то причиной перегрева являются потоки, ответвляющиеся в конструктивной части машины 3-8-4. Перегреты отдельные участки поверхности ротора, пазовых клиньев у концов бочки ротора, бандажей в месте посадки их на бочку ротора.
Имеет место несимметричная нагрузка статора, или произошло несимметричное короткое замыкание.
При несимметричной нагрузке турбогенератора возникает магнитный поток в бочке ротора, вызывающий токи двойной частоты (100 Гц), которые протекают по относительно тонкому внешнему его слою. Токи замыкаются через поверхности соприкосновения пазовых клиньев и зубцов ротора (главным образом вблизи торцов ротора), пазовых клиньев и зубцов с бандажами. В этих контактах и выделяется так много тепла, что температура может подняться до 500—700° С; могут появиться подгары бандажей в местах их посадки на бочку ротора. Высокая температура вызывает понижение механической прочности металла, что особенно опасно для бандажей (известны аварии вследствие образования трещин в бандажах и выкрашивания их в месте посадки на бочку ротора). Кроме этого, чрезмерные перегревы могут оказаться опасными и для изоляции обмотки ротора.
Особенно опасна несимметричная нагрузка для роторов с проволочными бандажами, встречающимися лишь на старых установках: происходит расплавление олова и ослабление замков на бандажах, что приводит к аварии турбогенератора.
Необходимо устранить несимметричную нагрузку. В соответствии с правилами технической эксплуатации ЛПЭО «Электросила» допускает при длительной нагрузке несимметрию токов (отношение разности наибольшего и наименьшего токов к наибольшему току), составляющую 10 % для турбогенераторов с бандажами, насаженными на бочку ротора, и 15% для генераторов с отставленными бандажами. Ток в наиболее нагруженной фазе не должен превышать значения, допускаемого для данных условий работы на симметричную нагрузку.
*Из местных перегревов частей турбогенератора, указанных в пп. 3-8-1, 3-8-2 и 3-8-3, наиболее опасными являются перегревы шпонок (известны крупные аварии, вызванные повреждением шпонок) и лобовых частей обмотки статора, в то время как перегрев щитов или ребер корпуса непосредственной опасности для машины не представляет. электрических станций и сетей для турбогенераторов допускается длительная работа при полной нагрузке с неравенством токов в фазах, не превышающим 10 % номинального тока. При этом ни в одной фазе ток не должен превышать номинального значения. При меньшей нагрузке, определяемой испытаниями, генераторы могут работать при большем неравенстве токов в фазах.
