РЕМОНТ И МОДЕРНИЗАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
ИНОЗЕМЦЕВ Е. К., инж., Ростовэнергоремонт
В процессе эксплуатации мощных высоковольтных электродвигателей наблюдается их работа в анормальных режимах: однофазного и двухфазного КЗ, несимметричного включения электродвигателей и др.
Анормальные режимы работы кратковременны, так как электродвигатель, как правило, отключается действием релейной защиты. Однако в этот период в обмотке статора протекают токи, значительно превышающие не только номинальные, но и пусковые значения. Эти токи сопровождаются существенными электродинамическими усилиями, которые больше всего сказываются на лобовых частях обмотки статора.
В зависимости от принятой конструкции крепления обмотки электродинамические усилия вызывают деформацию, смещение витков, образование трещин и местных дефектов изоляции. Несмотря на кратковременность действия, такие явления приводят к необратимым процессам в изоляционной конструкции, снижающим пробивные напряжения отдельных ее элементов.
Гистограмма, совмещенная с кривой нормальной плотности вероятности значений пробивных напряжений корпусной изоляции обмотки статора электродвигателя АВ-113-4М
Снижение пробивного напряжения отдельных элементов и обмотки в целом зависит от ее технического состояния: температуры обмотки, наличия связующего в изоляции (для микалентной компаундированной изоляции), положения шнуровых бандажей и др.
Вследствие термомеханических и химических процессов количество связующего в изоляции уменьшается. Она становится сухой и хрупкой, тогда работа электродвигателя в анормальных режимах может привести к резкому снижению электрической прочности элементов обмотки. Если это снижение будет ниже рабочего напряжения, то произойдет пробой изоляции при работе электродвигателя.
Изоляция с большим содержанием связующего более эластична и лучше выдерживает электродинамические усилия. На пластичность изоляции влияет также температура обмотки, так как с повышением температуры связующего битум размягчается.
Автором исследованы значения пробивных напряжений обмоток статоров электродвигателей напряжением 6 кВ в процессе длительной эксплуатации. За этот период электродвигатели не работали в анормальных режимах. В результате исследований установлено, что значения пробивных напряжений в катушках распределены по нормальному закону.
Для диагностики технического состояния и прогнозирования надежности электродвигателей после работы в анормальных режимах представляет интерес анализ распределения значений пробивных напряжений электродвигателей, работавших в анормальных режимах.
Экспериментальная часть работы была выполнена на обмотке трехфазного асинхронного электродвигателя вертикального исполнения АВ-113-4М (Р=250 кВт, и=6 кВ, я=1480 об/мин), используемого в качестве привода насоса слива дренажа энергоблока мощностью 300 МВт. Обмотка статора двухслойная и изготовлена из жестких катушек. Изоляция катушек непрерывная, микалентная, компаундированная.
Поскольку при демонтаже обмотка может деформироваться, нарушая целостность изоляционной конструкции с образованием микротрещин, изломов и др., испытания проводились до ее демонтажа. При такой методике ошибки в результатах эксперимента исключаются.
На каждую катушку в отдельности подавалось повышенное напряжение переменного тока частотой 50 Гц относительно корпуса при остальных заземленных. Перед испытаниями межкатушечные и межполюсные соединения были разизолированы и распаяны. Напряжение на каждую катушку подавалось плавно от нулевого значения до пробивного со скоростью, обеспечивающей возможность отсчета по измерительным приборам.
Эксперимент проводился на 60 катушках обмотки статора электродвигателя, который находился в эксплуатации 12 лет, после двухфазного КЗ в обмотке статора и при работе под нагрузкой.
По данным эксперимента построена гистограмма пробивных напряжений обмотки статора электродвигателя, представленная на рисунке. На оси абсцисс отложены частичные интервалы значений пробивных напряжений, а их высоты равны частотам соответствующих пробивных напряжений.
Три катушки имели пробивное напряжение менее 1 кВ, еще три катушки — от 11 до 14 кВ, остальные — выше 28 кВ. Если в данном случае выполнить ремонт с заменой трех .пробитых катушек, то в обмотке останутся еще три, которые в дальнейшем приведут к аварийному пробою обмотки статора.
Таким образом, в электродвигателях привода ответственных механизмов, имеющих остаточные деформации лобовых частей катушек или стержней обмотки статора, после работы в анормальных режимах целесообразно выполнять полную перемотку обмотки с заменой изоляции. Кроме того, ее необходимо выполнять даже, если обмотка выдержала высоковольтные испытания, так как отдельные ее элементы (катушки или стержни) будут иметь значительно более низкое пробивное напряжение.
При дальнейшей эксплуатации такого электродвигателя вследствие снижения электрической прочности под действием совокупности факторов эксплуатационного характера произойдет пробой изоляции и аварийный останов ответственного механизма. Частичную перемотку обмотки статора целесообразно выполнять только в том случае, если уровень изоляции оставшейся части достаточно высокий.
По форме гистограммы можно предположить, что основное число пробоев (90 %) распределено по нормальному закону, т. е. имеющееся статистическое распределение может быть выравнено теоретической кривой и функцией, плотность которой описывается уравнением
где х — математическое ожидание;
- — среднеквадратическое отклонение нормального распределения.
Из рисунка следует, что шесть значений пробивного напряжения (10 % общего числа) не являются элементами генеральной совокупности (массива), распределенной по нормальному закону.
В результате визуального осмотра катушек, пробивные напряжения которых не входят в массив, выявлены их значительная деформация в лобовой части обмотки и место пробоя на выходе из паза. В результате остаточной деформации обмотки статора в лобовых частях в изоляции произошли необратимые процессы, способствующие резкому (скачкообразному) снижению значений пробивных напряжений этих катушек.
По данным испытаний катушек, не имеющих деформаций (вариационного ряда значений пробивных напряжений), необходимо проверить гипотезу о том, что случайное значение пробивного напряжения в обмотках статоров электродвигателей 1 кВ подчиняется нормальному закону.
В связи с тем, что число наблюдений случайного значения пробивного напряжения составляет 54, проверка «согласия» распределения значений из опыта с теоретическим распределением выполняется по критерию «согласия» со2. Критерий со2 более мощный, чем критерии х2 и Колмогорова, но его применение связано с выполнением множества вычислительных операций.
Расчет по критерию со2 выполняется в соответствии с ГОСТ 11,006-74 в следующей последовательности. Вычисляется значение величины :
где Xj (/=1, 2,...,«)—результат наблюдений, имеющий /-й номер в вариационном ряду ..,.<xn; F(xj) — значение функции теоретического распределения при значении аргумента, равном Xj.
Оценка параметров нормального распределения, выполненная по данным эксперимента, равна соответственно:
По табл. 6 ГОСТ 11.006-74 находим значение функции а, соответствующие вычисленному значению &2п , которая представляет собой функцию распределения величины а=0,025. Задаем уровень значимости а = 0,2. Если а<(1—а), то гипотеза принимается.
В данном случае 0,025 <0,8. Следовательно, гипотеза о согласии опытного распределения значений пробивных напряжений с нормальным распределением принимается.
Таким образом, в электродвигателях 6 кВ, работавших в анормальных режимах, пробивные напряжения катушек обмоток статоров, не имеющих остаточных деформаций, распределены по нормальному закону. Из физического анализа следует, что нормальное распределение значений пробивных напряжений возможно при одинаковой интенсивности воздействия эксплуатационных факторов на все однотипные элементы обмотки.
Однотипные элементы обмотки катушек со значительными деформациями и изменением первоначальной геометрической формы имеют значительно более низкие пробивные напряжения и не распределены по нормальному закону. Среднее пробивное напряжение деформированных катушек (9,25 кВ) в 4,19 раза ниже, чем пробивное напряжение недеформированных катушек (38, 78 кВ).
С целью повышения эксплуатационной надежности электродвигателей ответственных механизмов мощных энергоблоков, для которых характерны остаточные деформации лобовых частей катушек обмотки статора после работы в анормальных режимах, целесообразно выполнять полную перемотку обмотки статора с заменой изоляции без проведения высоковольтных испытаний.
Эксплуатация, например, электродвигателя привода ответственного механизма с деформированными лобовыми частями значительно снижает надежность энергоблока, так как при повреждении двигателя будет остановлен один корпус котла, мощность блока снизится вдвое. Сроки замены электродвигателя могут корректироваться в зависимости от его места установки, времени эксплуатации, наличия или отсутствия резерва.
В случае применения в качестве приводов механизмов с различной степенью надежности однотипных электродвигателей, имеющих деформацию лобовых частей, они могут переставляться с ответственного механизма на неответственные. При этом должны быть проведены высоковольтные испытания. Электродвигатели привода неответственных механизмов с деформированными лобовыми частями при положительных результатах высоковольтных испытаний могут быть оставлены в эксплуатации.
Окончательный выбор при различных вариантах должен быть сделан на основе технико-экономического анализа с учетом стоимости перемотки и оценки ущерба в случае аварийного останова. Во время капитальных ремонтов и перемоток обмоток статоров целесообразно ужесточать крепления обмотки статора с целью повышения динамической устойчивости обмоток.
