Аварии и неисправности в судовых электроустановках - Вентиляция судовых электрических машин

§ 9. Вентиляция судовых электрических машин и аварийные ситуации
Длительность безаварийной работы и объем трудозатрат на обеспечение нормального технического состояния электрических машин во многом зависят от степени соответствия принятой системы вентиляции электрических машин условиям их работы на судне. Качество охлаждающего воздуха определяет загрязненность обмоток электрических машин, возможности и способы их чистки, а также влияет на величину сопротивления их изоляции, состояние коллекторов и коммутацию. Многообразие существующих на судах систем вентиляции электрических машин, особенно в ГЭУ, свидетельствует о различном подходе к оценке указанных факторов при проектировании.
В табл. 4 представлены сведения о системах вентиляции электрических машин ГЭУ судов, находящихся в эксплуатации. В системы вентиляции многих из них пришлось вносить изменения, так как в процессе эксплуатации выявилось их несоответствие размещению и условиям работы электрических машин на судах.
Основное преимущество замкнутых систем вентиляции электрических машин заключается в возможности изолировать охлаждаемую машину от загрязнений, содержащихся в воздухе машинных отделений, и обеспечить охлаждение ограниченного объема воздуха на воздухоохладителях.
Однако на судах с такими системами вентиляции, в которых не применены фильтры (например, на дизель-электроходах типов «Днепрогэс», «Актюбинск», турбоэлектроходе «Ленин»), названные преимущества были реализованы не полностью. Угольная пыль, сдуваемая с коллектора, не попадала за пределы воздуховода и вновь возвращалась в генератор, увлажняясь подсасываемыми в систему вентиляции парами масла. На пути охлаждающего воздуха не были установлены фильтры для очистки от щеточной пыли. Загрязнение обмоток приводило к снижению сопротивления их изоляции до недопустимой величины, что создавало аварийные ситуации в ГЭУ.
На некоторых судах применялись самодельные фильтры из марли, натянутой на каркас, которые устанавливались под коллектором на входе загрязненного воздуха в вентиляционный короб. Позднее этот опыт был учтен при разработке штатных фильтров, устанавливаемых в вентиляционном коробе у воздухоохладителей, например на дизель-электроходах типа «Сибирь».
На турбогенераторах ГЭУ ледокола «Ленин» система вентиляции по замкнутому циклу была заменена разомкнутой системой, с установкой электростатических фильтров на приемных воздушных колонках. В новом варианте вентиляции в генераторы подается очищенный охлаждающий воздух, поэтому загрязнение обмоток существенно уменьшилось.
На судах типов «Днепрогэс» и «Актюбинск» после установки фильтров и проведения пропитки якорей генераторов получено устойчивое высокое значение сопротивления изоляции обмоток в условиях длительной эксплуатации.

Таблица 4
Данные систем вентиляции электрических машин некоторых судов-электроходов

Недостатки замкнутой системы вентиляции без фильтров проявились и в синхронных турбогенераторах типа ТК9-4 линейного ледокола. Для устранения подсоса загрязненного воздуха внутрь корпуса были изменены воздушные тракты генераторов и установлена система удаления щеточной пыли из короба контактных колец (см. § 6).
Опыт эксплуатации многих судов показывает, что применение фильтров в замкнутых системах вентиляции мощных электрических машин весьма эффективно.
Достоинством замкнутых систем вентиляции является отсутствие загрязнения машинных отделений щеточной пылью, недостатком — опасность попадания в машины морской воды из-за нарушения герметичности воздухоохладителей, обычно применяемых в таких системах.
Разомкнутые системы вентиляции с забором охлаждающего воздуха с верхней палубы (например, на дизель-электроходах «Лена», «Капитан Белоусов», «Ермак», «Капитан Сорокин» и др.) распространены на судах зарубежной постройки. Преимуществом таких систем является подача в машины чистого воздуха, не загрязненного парами масел, топлива, щеточной угольной пылью, а также возможность отказаться от установки воздухоохладителей, если судно предназначено для работы только в северных широтах.
Однако эти преимущества могут быть не реализованы, если неудачно выполнены элементы воздуховода. Так, на судах типа «Лена» по проекту вентиляционные короба подводились к генераторам со стороны дизелей, но не создавали единого замкнутого воздушного тракта с генераторами. Забортный воздух добавлялся к получаемому из машинного отделения. Вместе с охлаждающим воздухом со стороны дизеля осуществлялся подсос масляных паров. Обмотки генераторов интенсивно загрязнялись, что способствовало снижению сопротивления изоляции и являлось причиной частых чисток и даже пропитки якорей некоторых машин.
Эксплуатационным персоналом дизель-электрохода «Лена» были установлены дополнительно кожухи, соединяющие воздуховоды с генераторами по всей окружности их станин. Генераторы стали охлаждаться только наружным воздухом, поступающим по воздуховоду, поэтому загрязнение обмоток маслом существенно уменьшилось. Однако тепловой режим машин стал более напряженным из-за недостаточного напора, создаваемого вентиляторами.
Серьезные недостатки имелись и в устройстве приема наружного воздуха на судах типа «Лена». Для предохранения от попадания воды и снега в систему охлаждения генераторов были установлены специальные отбойные щиты в вентиляционном раструбе, смонтированном в трубе судна. Близость выхода отработанных газов от дизелей и котла приводила к загрязнению всасываемого воздуха, поэтому судовым персоналом были дополнительно установлены фильтры в системе вентиляции главных генераторов.

На ледоколах типа «Капитан Сорокин» (1977 г.) с аналогичной системой вентиляции в месте приема наружного воздуха установлены противоснежные фильтры. Однако они недостаточно эффективны. В электрические машины, в особенности в ГЭД, вместе с охлаждающим воздухом попадает снег, что приводит к снижению сопротивления изоляции, появлению темных пятен на коллекторах и ухудшению коммутации.
На этих ледоколах система вентиляции электрических машин оборудована устройством автоматического поддержания установленной температуры охлаждающего воздуха. При низких температурах поступающего снаружи воздуха он смешивается с теплым воздухом из машинного отделения, поступление которого регулируется шибером в воздухопроводе. Положение шибера меняется электродвигателем, включающимся автоматически при отклонении температуры входящего в машину воздуха от заданной уставки. Устройство способствует стабилизации температурных режимов машин, но не устраняет названных выше недостатков принятой системы вентиляции.
Таким образом, в конструкции систем охлаждения электрических машин с забором воздуха с наружной палубы должна быть предусмотрена и исключена возможность попадания воды и снега в воздуховоды и на внутренние поверхности электрических машин. Это необходимо учитывать и при выборе места для установки подобных систем. При разомкнутой системе вентиляции электрические машины должны выполняться с изоляцией повышенной влагостойкости. Чтобы избежать снижения сопротивления изоляции обмотки при неработающих машинах, на приемных раструбах системы вентиляции необходимо предусматривать водонепроницаемые крышки.
Недостатком разомкнутых систем вентиляции с выбросом воздуха из охлаждаемых электрических машин ГЭУ в помещение является загрязнение помещений и оборудования щеточной угольной пылью. При этом загрязняются обмотки машин малой мощности, расположенных поблизости от электрических машин ГЭУ (или в одном помещении с ними). Для мощных ГЭУ с развитым коллекторно-щеточным аппаратом это обстоятельство является особенно опасным, так как масса щеточной пыли, получаемой на одном коллекторе за год, может составлять несколько килограммов. Большое количество пыли вносится также вентиляцией машинных отделений. Поэтому для мощных электрических машин применение фильтров целесообразно при разомкнутой системе вентиляции не только в случае, когда прием воздуха осуществляется с палубы, но и когда воздух забирается из помещения и выбрасывается из электрических машин также в помещение. В особо сухих и чистых помещениях фильтры следует устанавливать на выходе охлаждающего воздуха из электрических машин. Как видно из табл. 4, такая система применяется для охлаждения ГЭД многих судов.

После установки фильтров в системе вентиляции ГЭД и генераторов ледокола «Ленин» состояние изоляции машины значительно улучшилось. За навигацию 1965 г., когда на приеме охлаждающего воздуха не было фильтров, сопротивление изоляции якорных обмоток изменилось: на среднем ГЭД с 20 до 8 МОм; на правом с 4,5 до 1,0 МОм; на левом с 5,0 до 1,7 МОм. После установки электрических фильтров типа «Плиотрон» за продолжительность работы втрое большую сопротивление изоляции якорных обмоток ГЭД практически не изменилось.
Особенно наглядно проявилась зависимость технического состояния и работоспособности электрических машин от конструкции системы вентиляции на турбогенераторах типа 2ПГК- 120/50.
По проекту эти двухъякорные генераторы были выполнены с самовентиляцией по замкнутому циклу, через воздухоохладители. Фильтрация воздуха не предусматривалась. На валу генераторов между якорями установлены две крылатки, осуществляющие циркуляцию воздуха. Из-за неправильно выбранного направления воздушного потока (от коллектора в машину) и недостаточной износоустойчивости электрощеток обмотки быстро запылились и сопротивление их изоляции снижалось до недопустимой величины.
В машинном отделении, где были установлены генераторы, имелось несколько десятков подшипников скольжения с масляным охлаждением и разветвленная сеть маслопроводов. Поэтому щеточная пыль в соединении с имеющимися в воздухе парами масла создавала трудноудалимые загрязнения обмоток.
Завод-изготовитель признал несоответствие системы вентиляции генераторов условиям их работы и опробовал другие варианты вентиляции. В результате многих испытаний было установлено, что наиболее целесообразной для данных условий является принудительная вентиляция по разомкнутой системе с воздухоохладителями на выбросе и забором воздуха из машинных отделений через фильтры. Для охлаждения каждого двухъякорного генератора были установлены по два вентилятора с приемом воздуха через фильтро-вентиляционные колонки с электростатическими фильтрами. Были приняты меры по улучшению уплотнений в подшипниках всех валов с целью уменьшения содержания паров масла в воздухе. Этот вариант вентиляции и применяется в настоящее время.
Исправление недостатков системы вентиляции оказалось дорогостоящим и для судовладельца, и для изготовителей генераторов. Трудозатраты на разборку и чистку всех генераторов составили около 1500 чел.-ч.
Для электрических машин, расположенных в помещениях с небольшим содержанием паров масел и топлива в воздухе, целесообразно применять вентиляцию по разомкнутому циклу с воздухоохладителями и электрическими фильтрами на приеме.

При такой системе охлаждения электрических машин важное значение для баланса температур имеет общая вентиляция помещений и взаиморасположение приемных колонок вентиляции электрических машин и распределительных раструбов охлаждения помещения.

Рис. 82. Изменение сопротивления изоляции ГЭД во времени в зависимости от состояния фильтров.
------- — после чистки фильтров; —   после смены фильтров.
Когда в помещении, где предполагается установить электрические машины, возможно загрязнение воздуха, наиболее предпочтительной следует считать систему вентиляции по замкнутому циклу с обязательной установкой фильтров и воздухоохладителей. Затраты на очищение охлаждающего воздуха будут оправданы за счет снижения эксплуатационных затрат.
При проектировании систем вентиляции крупных электрических машин с применением воздушных фильтров целесообразно предусматривать штатные средства контроля их загрязнения. Одним из методов контроля может быть измерение токов нагрузки электродвигателей вентиляторов. Этот метод успешно применяется при эксплуатации системы вентиляции генераторов типа 2ПГК-120/50, где ток нагрузки электродвигателя вентилятора мощностью 20 кВт уменьшается на 5—6 А при загрязнении фильтра на приеме воздуха.
Представляют интерес результаты наблюдений за влиянием степени чистоты электростатических фильтров на изменение сопротивления изоляции обмоток электрических машин по отношению к корпусу. На рис. 82 представлен график изменения сопротивления изоляции гребного электродвигателя типа 2МП-9800-150 ледокола «Ленин» при работе в навигацию 1971—1972 г. На графике показано изменение сопротивления изоляции электродвигателя после чистки и замены приемных фильтров без проведения чистки или продувки сжатым воздухом без обмоток. Под чисткой фильтра подразумевается замена марлевого покрытия, устанавливаемого на рамку электростатического фильтра для предохранения сетки от влаги, снижающей эффективность его действия.
Замена и промывка фильтров являются весьма трудоемкими операциями. Так, на ледоколе «Киев» эти операции производятся через 600 ч работы генератора и занимают около 40 чел-ч, на ледоколе «Ленин» — около 100 чел.-ч. Поэтому при постройке судов с мощными ГЭУ и большим количеством фильтров необходимо устанавливать специальные машины для промывки фильтров.