Попов И. Н., Зражевский С. М., Калмыков А. В
Обслуживание щеточно-контактных аппаратов на электростанциях России должно основываться на “Типовой инструкции по эксплуатации и ремонту узла контактных колец и щеточного аппарата турбогенераторов мощностью 63 МВт и выше” [1], введенной в действие с 01/VII 2000 г.
Первые два пункта этой типовой инструкции определяют главную задачу обеспечения основной функции ЩКА и его безаварийной работы: “1.1. Оптимальная настройка работы щеточноконтактного аппарата (ЩКА) и его регулирование в процессе эксплуатации заключается в обеспечении максимально равномерной загрузки по току каждой из параллельно включенных электрощеток.
1.2. Измерение уровня тока каждой из параллельно включенных электрощеток следует производить с помощью клещей-индикаторов постоянного тока или специально отпарированного милливольтметра постоянного тока (приложение 1).”
“2.2.3. Не реже одного-двух раз в неделю в дневное время ремонтный персонал электроцеха обязан для каждого из обслуживаемых генераторов:.... производить регулирование распределения тока между щетками, стремясь по возможности к равномерной загрузке их током. Следует считать достаточным для прекращения регулирования достижение отношения уровней токов максимально и минимально загруженных щеток 4:1. Не следует допускать работы щеток марки ЭГ-4 с током более 80 А, 61 110М и ЭГ2АФ с током более 100 А.” Многочисленные поездки на различные электростанции показали, что эти два пункта инструкции нигде не соблюдаются. Кроме того, пункты инструкции, касающиеся контроля усилия нажатия щеток, на станциях также не выполняются. Часто это требование нельзя выполнить из-за конструктивных особенностей ЩКА конкретного генератора.
Можно сделать достоверное заключение, что настройка и контроль работы такого ответственного узла, как ЩКА, совершенно не обеспечено технически и отдано под ответственность слесарям, имеющим “набитую руку” и интуитивно чувствующим ЩКА. Руководство электроцехов полностью полагается на их опыт и ответственность. Объективной оценки качества работы нет.
Следует отметить, что число отказов турбогенераторов из-за нарушения работы ЩКА до 1986 г., т.е. в период систематического документирования всех аварий, сохранялось из года в год на высоком уровне и в среднем составляло 10% общего числа отказов [2]. В настоящее время происходит постепенное снижение квалификации обслуживающего персонала, падает техническая культура.
Эти факторы закономерно приводят к авариям, в том числе обусловленным ЩКА. Из известных нам случаев последних лет можно отметить аварию на ГРЭС в Грузии, где произошло расплавление контактных колец.
Аварии на щеточно-контактных аппаратах совсем не свидетельствуют о плохом качестве щеток или некачественном изготовлении этого узла генератора. При расследовании таких аварий совершенно не принимается во внимание уровень обслуживания конкретного ЩКА в период эксплуатации. Качество обслуживания не подвергается сомнению по той простой причине, что проконтролировать его невозможно.
Совершенно очевидно, что основной и чуть ли не единственной характеристикой качества настройки и обслуживания ЩКА является равномерность токораспределения.
В настоящее время практически на всех электростанциях “постсоветского” пространства, где эксплуатируются генераторы с щеточно-контактными аппаратами, настройка ЩКА оценивается по одинаковости усилия нажатия щеток. При этом предполагается коррелированная равномерность токораспределения. Мало того, что сила прижатия не контролируется прибором, полностью выпадают из контроля такие факторы, как состояние контакта между клеммой щетки и траверсой ЩКА, неравномерность характеристик установленных щеток, состояние поверхности контактного кольца и другие факторы. Это приводит к тому, что реальное токораспределение ЩКА не коррелирует с распределением усилий нажима щеток и носит случайный характер. Об этом свидетельствует приборный контроль токораспределения ЩКА, проведенный на многих (более 20) электростанциях.
Контроль токораспределения ЩКА во всех приводимых далее примерах проводился с помощью специального прибора для контроля тока щеток ПКТЩ, разработанного ООО “Научно-производственная фирма “ЭЛИСА” (Патент РФ № 2157033). Прибор работает как токовые клещи постоянного тока, кроме того, имеет большую энергонезависимую память, позволяющую сохранить значения токов щеток 15 генераторов (до 100 щеток на полюсе). Записанные данные легко переносятся в любой компьютер для последующего анализа. Результаты контроля могут быть распечатаны в виде протокола, на котором выведены измеренные значения токов каждой щетки в виде таблицы и гистограммы, а также результаты статистической обработки токораспределения. Одновременно на протоколе выводятся рассчитанная сумма всех щеток, а также средний ток щетки на полюсе и некоторые комментарии.
Картина токораспределения щеточно-контактного аппарата, получаемая на компьютере, позволяет объективно оценить качество обслуживания ЩКА и своевременно провести необходимые мероприятия.
19 мая 2000 г. во время посещения Литовской ГРЭС в г. Электрепай был проведен контроль состояния ЩКА генератора ТГ-1. Из девяти генераторов, имеющихся на станции, в тот момент работал один. Результаты контроля, приведенные на соответствующем протоколе, оказались шокирующими для обслуживающего персонала станции. На каждом полюсе -56 щеток. На одном полюсе половину тока несли 4 щетки, 19 - практически нулевые; на втором полюсе половину тока несли 7 щеток, 23 - нулевые. При проведении контроля ток некоторых щеток превышал 250 А. Достоверность полученных результатов не вызывала сомнения. Ограниченность времени не позволила провести немедленную приборную настройку ЩКА. Было проведено обсуждение полученных результатов, выданы рекомендации по обслуживанию ЩКА.
Вскоре руководство станции приняло решение перенести нагрузку на другой генератор, предварительно подготовив и настроив ЩКА с учетом полученных рекомендаций.
16 июня во время повторного посещения Литовской ГРЭС был проведен контроль состояния ЩКА генератора ТГ-2, введенного в работу вместо ТГ-1. Настройку ЩКА можно было оценить как хорошую на одном полюсе и удовлетворительную на втором.
Следует отметить, что на всей территории б. Советского Союза на электростанциях используются одни и те же эксплуатационные инструкции и ситуация с настройкой и обслуживанием ЩКА одинакова.
В качестве примера можно привести обследование состояния настройки ЩКА на всех генераторах одной из ТЭЦ Ленэнерго 6 апреля 2000 г.
Обслуживание ЩКА всех генераторов станции проводится одним слесарем, имеющим многолетний опыт. Качество настройки ЩКА большинства генераторов станции можно оценить как “хорошее”, однако обнаружилось заметное различие в настройке ЩКА генераторов. Измерения показали неудовлетворительную настройку ЩКА на некоторых полюсах генераторов. Была сделана попытка провести коррекцию настройки путем некоторого погружения “нулевых” щеток (изменением нажатия пружины при одновременном контроле тока щетки). В некоторых случаях откорректировать настройку удалось. В то же время было обнаружено, что во многих случаях “передергивание” и поджим “нулевой" щетки не приводит к появлению на ней тока. После анализа ситуации оказалось, что наблюдается полная потеря электрического контакта между клеммой поводка щетки и токоведущей консолью (траверсой) ЩКА. После снятия такой щетки, зачистки места контакта и установки щетки на место она взяла на себя токовую нагрузку.
Приведенный пример показывает, что выполнение эксплуатационных инструкций даже при большом опыте не обеспечивает нормативное качество настройки ЩКА и не гарантирует безаварийную работу генератора в целом. Это объясняется тем, что эксплуатационные инструкции не обязывают приборный контроль настройки, хотя “Типовая инструкция” [1] предписывает использовать токовые клещи.
Можно подвергать сомнению некоторые положения инструкции (например, требование “отношение уровней токов максимально и минимально нагруженных щеток 4:1” не соблюдается ни на одном из обследованных генераторов, ни на одной станции). В то же время, эксплуатация такого ответственного узла, каким является щеточно-контактный аппарат генератора, должна обеспечиваться хотя бы минимальным приборным контролем и качество его работы должно оцениваться количественно. Вибрация подшипников, давление масла, температура, влажность водорода и прочие эксплуатационные характеристики всех систем и узлов генератора основаны на объективном приборном контроле и нормированы. Действующие на станциях инструкции по обслуживанию щеточноконтактных аппаратов не ориентированы на приборный контроль правильности регулирования, поэтому настройка и контроль щеточно-контактного аппарата повсеместно ведутся “мануальным” методом, т.е. вручную.
Во время посещения электростанций выявилась очень тревожная тенденция снижения технической культуры станционного руководящего звена.
Иногда отсутствие эксплуатационной инструкции для ЩКА конкретного генератора позволяет руководству электроцеха станции оправдывать пассивную позицию в вопросах обеспечения эксплуатационной надежности оборудования. Так, например, на одной из станций начальник электроцеха заявил, что действующая в то время типовая инструкция по обслуживанию ЩКА не имеет отношения к генераторам его станции, так как их мощность меньше 165 МВт.
Кажущаяся нормальная работа ЩКА генераторов в последние годы обусловлена снижением электрической нагрузки на генераторах, что привело к появлению ресурсного запаса узлов генератора.
По нашему мнению, при разработке новых эксплуатационных инструкций необходимо опираться на “Типовую инструкцию” и одновременно ориентироваться на современные методы диагностики и на активное применение средств вычислительной техники.
Прибор для контроля тока щеток (любые токовые клещи постоянного тока) должен быть обязательным на каждой станции. Обязательным должно быть компьютерное документирование результатов контроля. При этом не имеет значения, какое используется программное обеспечение и каким образом заносятся результаты контроля в память ЭВМ. Также не имеет значения класс точности прибора для контроля тока. Как показала практика, ток конкретной щетки - величина нестабильная в течение короткого времени. Главным показателем точности прибора должно быть совпадение суммы измеренных им токов щеток с током ротора по показаниям прибора на главном щите (в случае изолированных щеткодержателей).
На основе опыта приборного контроля состояния настройки щеточно-контактных аппаратов различных генераторов можно предложить общие подходы к диагностике и оценке качества настройки.
Технической функцией щеточно-контактного аппарата является равномерное распределение токовой нагрузки по поверхности контактного кольца генератора. Конструкция щеточно-контактного узла генератора и число щеток определяются, в первую очередь, мощностью генератора (максимальным током ротора). Чем мощнее генератор, тем больше ток ротора, тем больше щеток в щеточноконтактном узле. Средняя плотность тока подвижного контакта, на которую рассчитаны щетки, составляет 10 А/см2. Электрофизические процессы, происходящие в щеточном узле, практически не зависят от типа генератора, поэтому и общие подходы в оценке его настройки должны быть едиными для всех типов генераторов.
Настройка щеточно-контактного аппарата должна сводиться к попытке обеспечения одинакового тока всех щеток. Одинаковый ток каждой щетки - это средний ток щетки, который равен току ротора, деленному на число щеток на полюсе. Если ток конкретной щетки точно равен среднему току, то можно предположить, что для нее точно обеспечены все необходимые условия для нормальной работы. Если ток конкретной щетки отличается от среднего тока, то для нее конкретно и для щеточно-контактного аппарата в целом не обеспечены одинаковые и оптимальные условия токопрохождения. Степень отклонения тока конкретной щетки от среднего значения есть основная численная характеристика точности настройки конкретной щетки и ЩКА в целом. Так как в процессе токораспределения одновременно принимают участие все щетки полюса и каждая щетка оказывает влияние на все остальные, то при оценке качества настройки ЩКА необходимо использовать методы статистического анализа, хотя бы в минимальном виде.
Для оценки качества настройки щеточно-контактного аппарата генератора необходимы следующие его характеристики:
число щеток на каждом полюсе ЩКА; номинальный и допустимый ток конкретного типа щеток (по данным завода-изготовителя);
ток ротора (по показаниям прибора на главном щите);
гистограмма токораспределения по щеткам (номер щетки - ток щетки);
статистика токораспределения (ток щетки - число щеток с таким током).
Ток ротора и число щеток необходимы для расчета среднего тока щетки в данном режиме работы генератора и последующего сравнения с ним статистики токораспределения. Допустимый ток данного типа щеток позволяет оценить запас надежности или степень опасности ненормального режима.
Качественную оценку настройки щеточно-контактного аппарата, не привлекая математический аппарат статистического анализа, можно сделать по внешнему виду картин статистики токораспределения и гистограммы токораспределения.
С теоретической точки зрения идеальной картиной токораспределения является такая, при которой все щетки несут средний ток. При этом гистограмма токораспределения представляет собой горизонтальную прямую на уровне среднего тока, а статистика - один вертикальный столбик, высота которого равна общему числу щеток полюса ЩКА (рис. 1).
Идеальной картиной токораспределения с технической точки зрения, с учетом статистического разброса характеристик щеток, неравномерности прижима щеток и других аналогичных факторов, является нормальное распределение, т.е. симметричная колоколообразная кривая с максимумом точно равным среднему току и полным отсутствием нулевых щеток (щеток, не несущих токовой нагрузки). При этом гистограмма токораспределения будет представлять набор столбиков, незначительно отличающихся по высоте от среднего тока.
Рис. 1. Гистограммы теоретически идеального токораспределения ЩКА
Рис. 2. Пример гистограмм отличного токораспределения ЩКА
Такая настройка щеточно-контактного аппарата может быть оценена “отлично” и безаварийная работа узла может быть гарантирована (рис. 2).
Хорошей настройкой ЩКА можно назвать такую, при которой наблюдается небольшое отклонение вершины “колокола” статистического распределения в любую сторону от значения среднего тока щетки, а также наличие единичных нулевых щеток и щеток с большим током, допустимым по заводским характеристикам для конкретного типа щетки (рис. 3).
Важна форма кривой, огибающей гистограмму статистической обработки токораспределения. Колоколообразная форма кривой с шириной 40 А говорит о сравнительно одинаковом прижиме щеток, стабильности процессов, происходящих в подвижном контакте (щетка-кольцо). Значительное уширение кривой токораспределения, появление на ней нескольких максимумов говорят о большом различии настройки щеток, неравномерности токовой, механической и тепловой нагрузок по поверхности контактного кольца.
Если картина статистики токораспределения не имеет определенной формы с выраженным максимумом, а значения токов отдельных щеток не выходят за допустимые пределы, настройку ЩКА можно оценить как “удовлетворительную”. Такие случаи встречаются при работе генератора в режиме недогрузки (с токами ротора ниже номинального). Гарантировать надежную работу узла при такой настройке нельзя (рис. 4).
Если картина статистики токораспределения имеет форму экспоненты с максимумом в нуле, т.е. максимальное число щеток несет ток меньше 10 А, такое состояние ЩКА должно оцениваться как “неудовлетворительное” и требующее обязательной диагностики и соответствующего обслуживания. Безаварийность работы узла обусловлена только сниженным током ротора, и повышение тока может привести к появлению нештатных ситуаций в работе ЩКА (рис. 5).
Рис. 3. Пример гистограмм хорошего токораспределения ЩКА
Рис. 4. Пример гистограмм удовлетворительного токораспределения ЩКА
Как уже говорилось, форма огибающей кривой результатов статистического анализа токораспределения характеризует общее состояние настройки узла. Колоколообразная форма статистики токораспределения при отсутствии нулевых щеток характеризует в первую очередь хорошую регулировку прижима щеток. В то же время необходимо обращать внимание на форму гистограммы токораспределения. Если гистограмма токораспределения имеет выраженные периодические максимумы или ступеньки при равномерной настройке прижима щеток, необходимо обратить внимание на состояние контактных колец (состояние поверхности, профиль, вибрацию) (рис. 6).
При компьютерной обработке результатов контроля токораспределения легко установить нормативные численные характеристики. Можно, например, использовать предложенный в [2] коэффициент вариации тока, оптимизировав критериальные диапазоны.
