В процессе эксплуатации вращающихся электрических машин под влиянием некоторых факторов, таких, как механические, вибрационные, электрические воздействия, износовые явления, увлажнение, старение материалов, конструктивные и технологические просчеты и др., может существенно снизиться надежность машины.
В последнее время делаются попытки расширить область применения средств инфракрасной техники при решении традиционных задач профилактических испытаний. Некоторые технические возможности инфракрасной диагностики применительно к электрическим машинам рассмотрены в табл. 1.
При тепловизионном контроле генераторов должны применяться тепловизоры с разрешающей способностью по температуре не хуже 0,1 °С и спектральным диапазоном 3 мкм и выше.
Испытание стали статора генераторов.
Тепловизионный контроль стали статора позволяет выявлять зоны повреждения в стали, распределение и значение температуры в зоне дефекта, глубину его залегания.
Испытание стали статора Турбо- и гидрогенераторов производят в соответствии с требованиями “Объема и норм испытания электрооборудования", ОСТ 16.0.800.343-76 и других нормативно-технических документов.
Испытания проводят при вынутом роторе и наложенных на его статор намагничивающей и контрольной обмотках. У гидрогенераторов испытания возможно проводить как при вынутом роторе, так и без его выемки.
Как известно, превышение температуры, измеренной тепловизором при испытаниях, будет являться функцией интенсивности радиации с поверхности расточки и ее излучательной способности. Поэтому перед проведением ИК-контроля необходимо тщательно обследовать поверхность расточки статора. Поверхность расточки статора обычно окрашивается и имеет коэффициент излучения примерно 0,94 независимо от цвета пигментации. Если с поверхности удалена краска и имеется ржавчина, то коэффициент излучения достигает 0,8 и фактический нагрев в 10 °С будет измерен как 12,5 °С.
Таблица 1
Контролируемый узел (элемент) | Возможная причина возникновения тепловой аномалии | Примечание |
Корпус машины | Увлажнение изоляции обмоток статора, витковые замыкания катушек, нарушение системы охлаждения обмоток, замыкания стали статора и т.п. | - |
Система тиристорного возбуждения | Старение тиристоров, нарушение контактов и др. | Применительно к мощным генераторам |
Пайки лобовых частей статора | Нарушение качества паек | Для машин с пайками, выполненными оловянистыми припоями |
Концевые выводы генераторов | Увлажнение конденсаторной изоляции выводов | Применительно к генераторам серии ТГВ |
Щеточный аппарат машин | Контактные соединения, ослабления нажатия щеток, неравномерность распределения токов по щеткам и т.п. | Может осуществляться тепловизором или радиационным пирометром |
Система охлаждения обмоток | Конструктивные просчеты, загрязнения вентиляционных каналов, нарушенный режим работы охладителей и др. | - |
Подшипники | Износовые явления металла, нарушения в подаче охладителя, загрязнения масла и др. | - |
Коробка выводов обмоток | Ухудшение состояния болтовых контактных соединений обмоток | Применительно к электродвигателям |
Полупроводящие покрытия лобовых частей обмоток статора, пазовая изоляция стержней | Износовые явления полупрово- дяших покрытий, образование воздушных зазоров в пазах заложения стержней обмоток | Применительно к генераторам мощностью более 5 МВт |
В процессе испытания стали статора периодически снимаются термограммы зубцов и всей поверхности сердечника. Первая термограмма снимается до подачи напряжения в намагничивающую обмотку, затем при прогреве статора через 20 и 45 мин и через 15, 30 и 45 мин при остывании. Термограммы снимаются при обесточенной намагничивающей обмотке.
Стандартом установлена методика оценки состояния стали статора по результатам ИК-контроля. В частности, отмечается, что локальные тепловыделения в стали статора могут различаться по следующим признакам: яркости пятна, форме, характеру изменения яркости
Таблица 2
Яркость пятна | Место обнаружения локального нагрева | Временные | Описание локального нагрева |
1. Слабая | Область головки зубца | Быстро возникает и быстро затухает | Поверхностное несильное замыкание листов или их “заглаживание” при ударе |
2. Сильная | То же | Быстро возникает, но характеризуется длительным послесвечением |
|
3. Слабая | Область головки зубца | Быстро возникает и быстро затухает | Не очень сильное повреждение листов в районе шейки зубца |
4. Слабая | То же | Медленно возникает и медленно затухает | Не очень сильное повреждение листов в глубине паза |
5. Слабая и сильная | Соседние зубцы пакета (в пределах сегмента) | Медленно возникает и затухает | Повреждение в области дна паза |
6. Слабая и сильная, переменная с усилением в отдельных точках | Соседние зубцы паза, сплошь или с разрывами, часто два параллельных зубца | Быстро возникает, затухает с разной скоростью | Повреждение клином шейки зубцов |
7. Чаще слабая | Пятно, захватывающее группу головок зубцов | Медленно возникает и медленно затухает | Глубинные зоны нагрева, в том числе неоднородности, плотности опрессовки и т.п. |
Таблица 3
Марка стали
Показатель | Э41 (1511), 342(1512) | 343(1513), | 3310 (3411), 3320 (3412), 3330 (3413) | |
вдоль проката | поперек проката | |||
Наибольшее превышение температуры дельта Tmax С | 22 | 17 | 18 | 25 |
пятна во времени при остывании сердечника после отключения обмотки нагрева (табл. 2).
Оценка состояния стали статора производится исходя из места расположения локального тепловыделения.
Поверхностные тепловыделения создают легко обнаруживаемые очаги нагрева. Оценка их допустимости определяется предельной разностью нагрева между максимальными (ΔТтах) и минимальными (ΔТтт) превышениями температуры зубцов в конце испытаний, составляющей не более 10 °С.
Кроме того, наибольшие превышения температуры ΔTmax в конце испытаний не должны превышать значений, указанных в табл. 3.
Глубинные локальные тепловыделения создают слабый нагрев на поверхности, который удовлетворяет нормам по превышению температуры. Поэтому допустимость глубинных локальных тепловыделений определяется по значению расчетной мощности нагрева.
По известным в процессе проведения испытаний стали статора значениям:
t1 — суммарное время нагрева, ч;
t2 — время от момента отключения питания намагничивающей обмотки до момента термографической съемки, ч;
ΔT0 — превышение температуры в локальном тепловыделении сразу после отключения нагрева, °С;
Рис. 2. Определение глубины залегания очага нагрева
— левая шкала
--- правая шкала
Рис. 3. Определение параметра 5Т
Δ Т2 — превышение температуры в локальном тепловыделении в момент съемки, т.е. через время t2 после отключения питания намагничивающей обмотки, °С, определяет глубину залегания дефекта и мощность тепловыделения в очаге нагрева.
Для этого вычисляют отношение Δ Т2/Δ T0. Для найденного значения отношения ΔTj/ΔT0 и времени t2 по кривым рис. 2 определяют ориентировочную глубину залегания дефекта, выбирая кривую, с которой наиболее точно совпадает точка пересечения координат.
По значению t1 и найденному значению глубины залегания дефекта rх определяют параметр δТ (рис. 3).
Тогда мощность тепловыделения в дефекте, Вт,
Найденное значение Рх не должно превышать 100 Вт.
Следует отметить, что приведенная выше методика оценки состояния стали статора разработана применительно к инфракрасной камере с погрешностью 0,5 °С. Применение современных тепловизионных систем с компьютерной обработкой результатов измерения позволяет повысить точность определения дефекта и выявить его на более ранней стадии развития.
Испытание на нагрев.
Испытание генераторов на нагревание проводится в соответствии с методическими указаниями, разработанными ВНИИЭ.
Определение картины теплового поля генератора, выявление температурных аномалий на поверхности статора, оценка эффективности работы газоохладителей и теплообменников, охлаждения подшипников и других деталей с выдачей термограмм позволяет получить дополнительный информационный материал.
Проверка паек лобовых частей обмотки статора.
Проверка качества паек проводится у генераторов, пайки лобовых частей обмотки статора которых выполнены оловянистыми припоями. ИК-контроль паек рекомендуется осуществлять при питании обмотки статора постоянным током, при снятых торцевых щитах у турбогенераторов.
В качестве источников постоянного тока следует использовать установки, применяемые при сушке генераторов методом потерь в меди обмоток. Значения тока, протекающего по обмотке статора, не должны превышать (0,5 — 0,7)/ном.
Измерение температуры осуществляется с помощью тепловизора или пирометра с лазерной наводкой. В качестве репера используется поверхность изолирующей коробочки паяного контактного соединения стержня, который имеет термопару на меди.
В процессе ИК-контроля составляется теплокарта с температурами на поверхности коробочек паяных контактных соединений. Снятие коробочек с паяных контактных соединений и ревизию последних начинают с паек, имевших максимальную температуру.
Проверка работы щеточного аппарата.
Контроль температуры щеток с помощью инфракрасного пирометра, лучше с лазерной наводкой, позволяет своевременно принимать меры по регулировке их нажатия, выравниванию токов в параллельно работающих щетках, более точно выбирать уставки по температуре в щеточных аппаратах с непрерывным автоматическим контролем.
Согласно требований отношение уровней токов максимально и минимально нагруженных параллельно щеток 4 : 1 считается достаточным. Таким же следует принять и разброс по температуре щеток. Предельно допустимое превышение температуры для щеточного аппарата составляет 60 °С.
Система тиристорного возбуждения. Проверяется тепловое состояние контактных соединений токоведуших проводников, тиристоров, резисторов, устройств АГП, коммутационных аппаратов и др.
Таблица 4
Части электродвигателя | Предельно допустимое превышение температуры, “С (при температуре охлаждающего воздуха 40 “С) при изоляционных материалах класса нагревостойкости | ||||
А | Е | В | F | н | |
Обмотки переменного тока электродвигателей 5000 кВ * А и выше или с сердечником длиной 1 м и более | 60 | 70 | 80 | 100 | 125 |
То же, но менее 5000 кВ • А или с сердечником длиной менее 1 м | 50 | 65 | 70 | 85 | 105 |
Стержневые обмотки фазных роторов асинхронных электродвигателей и обмотки возбуждения синхронных электродвигателей | 65 | 80 | 90 | 110 | 135 |
Сердечники и другие стальные части, соприкасающиеся с обмотками | 60 | 75 | 80 | 100 | 125 |
Рис. 4. Система вентиляции электродвигателей типа АТД-3200, АТД-4000 и АТД-5000 и рекомендуемые зоны контроля при ИК-диагностике электродвигателей: / — поверхность корпуса машины — для обнаружения аномальных тепловыделений, характера распределения температуры между зонами подачи охлажденного воздуха и зоной выхода; 2 — торцевые зоны корпуса машины —для проверки эффективности внутреннего охлаждения обмоток; 3 — подшипники скольжения — для определения температуры нагрева масляной камеры; 4— клеммные коробки — для определения (при возможности) теплового состояния. В камере охлаждения машины —зона теплообменника
Температурный перепад водяного охлаждения: ΔТ= T1 — Т3 < 7 ч- 10 °С, при этом соответственно Т3 < 33 или 30 °С
Рис. 5. Трехструйная система вентиляции электродвигателей АТМ-3500-2. Рекомендуемые зоны контроля при ИК-диагностике электродвигателей ATM идентичны соответствующим зонам машин серии АТД; кроме того, проверяется соответствие температур в торцевых левой и правой частях электродвигатели (1)
Рис. 6. Система вентиляции электродвигателя и рекомендуемые зоны контроля при ИК-диагностике дутьевых вентиляторов серии ВДН:
1— нагрев верхнего подшипника; 2 — нагрев нижнего подшипника (при временно снятой заглушке; 3— эффективность работы системы охлаждения (методом сравнения)
Температура нагрева контактных соединений токоведущих проводников не должна превышать 75 °С (или ΔТ< 35 °С).
Измеренные значения температур нагрева тиристоров системы возбуждения не должны различаться более чем на 30 %. При ИК-контроле обращается внимание на равномерность нагрева тиристоров параллельных ветвей.
Корпус статора электродвигателей.
Выявление аномальных перегревов на поверхности корпуса электродвигателя позволяет определить очаги витковых замыканий в обмотках, закупорку вентиляционных каналов в статоре и в ряде случаев нарушение паек в обмотках. При оценке теплового состояния электродвигателя следует учитывать допустимые превышения температур последних в зависимости от класса нагревостойкости электроизоляционных материалов обмоток (табл. 4).
Коллекторы и контактные кольца.
Предельно допустимое превышение температуры для коллекторов и контактных колец составляет 60 “С.
Подшипники.
Предельно допустимые температуры нагрева подшипников:
- для вкладышей подшипников скольжения — 80 °С;
- для обойм подшипников качения — 100 °С.
При отсутствии штатного температурного контроля с помощью ИК-прибора измеряется температура протекающего через подшипники масла. Перегрев не должен превышать 20 °С.
Температура масла, подводимого к подшипникам, должна находиться в пределах 15 — 45 °С, а температура выходящего масла должна быть не более 65 °С.
Коробки выводов.
Определение температуры на поверхности коробки выводов электродвигателя позволяет в ряде случаев выявлять некачественные контактные соединения выводов обмоток.
Система охлаждения
При оценке работоспособности водяных охладителей мощных электродвигателей снимается тепловое поле на поверхности корпуса последних, со стороны входящего и выходящего воздуха, а также по окружности корпуса электродвигателя. На поверхности корпуса электродвигателя не должны проявляться аномальные перегревы, возможными причинами которых могут быть витковые замыкания в катушках, дефекты стали статора, локальные нарушения охлаждающего воздуха.
Температура воздуха, циркулирующего в электродвигателе, не должна превышать 40 °С, а температура охлаждающей воды в водяном охладителе — 30 °С. Разность между температурой воздуха, выходящего из охладителя, и температурой охлаждающей воды, поступающей в охладитель, должна быть не более 10 °С (рис. 4 — 6).
