Ревизия и ремонт статоров электродвигателей АЭС - Замена обмотки статора

Объективными критериями состояния изоляции служат испытания обмотки статора повышенным напряжением и обязательный тщательный осмотр изоляции всех элементов обмотки. Недостаточно делать вывод о пригодности изоляции обмотки статора к дальнейшей эксплуатации только по результатам ее испытания повышенным напряжением.
Вследствие теплового старения микалентной компаундированной изоляции с течением времени уменьшается количество связующего. Она теряет эластичность, становится хрупкой, расслаивается. Признаком старения изоляции является вспухание ее в вентиляционных каналах и в местах выхода из паза. При нажиме пальцами на изоляцию чувствуется немонолитность и ее ослабленность.
Технический уровень и состояние изоляции в таких случаях не обеспечат надежность ее работы в процессе дальнейшей эксплуатации при пусках электродвигателей, при работе в анормальных режимах. Изоляцию с большим содержанием связующего более эластична, гибка и лучше противостоит электродинамическим усилиям.
Специальные испытания и исследования, проведенные автором, дают основания делать вывод о том, что у электродвигателей 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. Перемотку необходимо выполнять даже в тех случаях, если обмотка выдержала высоковольтные испытания, так как в ней отдельные элементы (катушки или стержни) будут иметь значительно более низкое пробивное напряжение. В дальнейшем, в случае продолжения эксплуатации такого электродвигателя, вследствие снижения электрической прочности, происходящего под действием совокупности факторов эксплуатационного характера, произойдет пробой изоляции при его работе и аварийный останов ответственного механизма. Частичную перемотку обмотки статора целесообразно выполнять только в том случае, если изоляция оставшейся части ее имеет высокий технический уровень.

Рис. 3. Гистограмма и теоретическая кривая распределения значений пробивных напряжений обмотки статора электродвигателя типа АВ-113-4М

На рис. 3 показана гистограмма пробивных напряжений обмотки статора электродвигателей типа АВ-113-4М (Р = 250 кВт, (/=6 кВ, п= 1480 об/мин) после работы в анормальном режиме - короткое замыкание в обмотке статора. По вертикальной оси отложено количество пробитых при испытаниях катушек, по горизонтальной — значения пробивных напряжений. Кривая, построенная вокруг ступенчатой фигуры - гистограммы, является теоретической кривой распределения пробивных напряжений и называется кривой нормального распределения или кривой Гаусса.
Анормальные режимы являются кратковременными, так как электродвигатель, как правило, отключается действием релейной защиты. Однако в этот период в обмотке статора протекают токи, значительно превышающие номинальные. Эти токи вызывают значительные электродинамические усилия, которые больше всего сказываются на изоляцию в местах выхода ее из паза.
В зависимости от принятой конструкции крепления обмотки электродинамические усилия вызывают деформацию, смещение витков, образование местных дефектов изоляции и трещин. Несмотря на кратковременность действия этих усилий они вызывают необратимые процессы в изоляционной конструкции, снижающие пробивные напряжения отдельных ее элементов. Изменение пробивных напряжений катушек наглядно видно из рис. 3. Три катушки имели пробивное напряжение менее 1 кВ. Еще три катушки имели пробивные напряжения от 11 до 14 кВ, остальные — выше 28 кВ. Отсюда следует, что если выполнить замену трех пробитых катушек, то в обмотке останутся три катушки, которые при дальнейшей эксплуатации приведут к аварийному пробою обмотки статора.
У электродвигателей, находящихся в эксплуатации и не имеющих деформации обмотки вследствие работы в анормальных режимах, пробивные напряжения катушек распределены по нормальному закону. Из физического анализа следует, что нормальное распределение пробивных напряжений действительно при одинаковой интенсивности воздействия эксплуатационных факторов на все однотипные элементы обмотки.
Планирование периода замен изоляции обмоток статоров на основе прогнозирования сроков службы корпусной изоляции обмоток статоров является важным вопросом для ремонтного и эксплуатационного персонала, так как отказ электродвигателя вследствие пробоя обмотки при работе приводит к аварийному останову механизма. Представляет интерес прогнозирование снижения уровня пробивных напряжений с процессе эксплуатации для возможности планирования перемоток с заменой корпусной изоляции. Для этого необходимо определить период, к концу которого уровень пробивных напряжений наиболее "слабых" элементов обмотки приблизится к испытательному напряжению. Если перемотка будет выполнена позже этого срока, то возможны пробои отдельных элементов обмотки в процессе эксплуатации. Планирование перемоток с периодом, меньшим, чем фактический ресурс корпусной изоляции обмотки, значительно ухудшает стоимостные характеристики ремонтопригодности существующего парка электродвигателей. Стоимость полной перемотки обмотки статора с заменой корпусной изоляции соизмерима со стоимостью статора, а в отдельных случаях и превышает ее.
Вновь изготовленные обмотки статоров высоковольтных электродвигателей имеют значительный запас электрической прочности изоляции по отношению к испытательному и номинальному напряжениям. Однако в процессе эксплуатации на корпусную изоляцию обмотки статора воздействуют факторы, снижающие первоначальную электрическую прочность и в определенный момент приводящие к пробою обмотки при работе электродвигателя или при профилактических испытаниях.
Снижение электрической прочности происходит вследствие нагрева и температурных деформаций, динамических воздействий и вибрационного старения изоляции.
Электрическая прочность корпусной изоляции под воздействием изложенных выше факторов может быть определена уравнением

где Unp — напряжение пробоя после воздействия эксплуатационных факторов, вызванных тепловыми и механическими нагрузками; UQ пр — напряжение пробоя после укладки обмотки в статор; b — коэффициент, характеризующий скорость уменьшения пробивного напряжения и определяющий интенсивность эксплуатационных воздействий на корпусную изоляцию; t — время эксплуатации.
Предполагаемая методика оптимизации планирования сроков замены изоляции базируется на использовании вероятностно-статистических методов. В этом случае определяют пробивные напряжения новых катушек и катушек, отработавших какой-либо длительный срок. На основании формулы определяют по данным испытаний коэффициент b. Зная распределение пробивных напряжений (рис. 4) и закон старения изоляции, с помощью методов математической статистики и теории вероятностей определяют период времени, к которому пробивное напряжение наиболее "слабого" элемента обмотки (катушки) приблизится к значению испытательного напряжения, равного 10 кВ. В табл. 2  приведены результаты высоковольтных испытаний катушек обмотки статора до пробоя и прогнозируемый срок службы корпусной изоляции обмоток статоров двухскоростных электродвигателей типа ДВДА 215/39-12-16 (Р= 1000/500кВт,U= 6кВ,и = 500/375об/мин). Работы, выполненные по предлагаемой методике, согласуются с практикой эксплуатации электродвигателей этих типов.

Таблица 2. Расчетные и экспериментальные данные для определения срока службы корпусной изоляции обмоток статоров электродвигателей ДВДА 215/39-12-16

Рис. 4. Гистограммы и теоретические кривые распределения значений пробивных напряжений электродвигателей типа ДВДА 215/39-12/16 после эксплуатации в течение 12,42 года:
а - электродвигатель № 1; б - электродвигатель № 2

Во втором варианте планирования сроков перемоток обмоток статоров используют данные об аварийных остановах однотипных электродвигателей в процессе эксплуатации из-за пробоев обмотки статора. Для оценки ресурса изоляции обмоток статоров электродвигателей в этом случае необходимо определить срок ее службы — календарную продолжительность эксплуатации электродвигателя до наступления предельного состояния. Под предельным состоянием для электродвигателей привода ответственных механизмов подразумевается такое техническое состояние изоляции, при котором ее дальнейшая эксплуатация экономически нецелесообразна. Критерием экономической нецелесообразности дальнейшей эксплуатации электродвигателей ответственных механизмов является резкое увеличение интенсивности эксплуатационных отказов обмотки статора, которые являются следствием старения изоляции обмотки.
Если в рассматриваемый период эксплуатации однотипных электродвигателей интенсивность отказов остается величиной постоянной, то из этого следует, что старение изоляции еще не сказывается, так как это является периодом нормальной эксплуатации электродвигателей. Постоянство интенсивности отказов в определенном промежутке времени свидетельствует о том, что отказы обмотки статора подчинены экспоненциальному закону.
Сначала роста интенсивности отказов заканчивается период случайных отказов обмотки статора и начинается период износовых отказов. Эта точка перехода и является в нашем случае временем для замены изоляции обмоток.
В качестве примера планирования сроков перемоток обмоток статоров рассмотрим данные эксплуатационных пробоев 24 электродвигателей тина СДМЗ-20-49-60 (Р = 2000 кВт, U = 6 кВ, п = 100 об/мин). Эти электродвигатели устанавливаются на ТЭС. На рис. 3 точками обозначены случаи аварийного пробоя обмоток статоров. Система координат выбрана с использованием вероятностных сеток. Из рассмотрения расположения построенных точек видно, что первые 18 точек лежат в области, близкой к прямой, а последующие точки — также к прямой, но имеющей значительно больший угол наклона к горизонтальной оси. Из этого можно сделать вывод, что первая прямая характеризует период нормальной эксплуатации, а вторая — период наступления износовых отказов обмотки статора. В качестве объективного способа построения прямой, которая имеет наименьшее отклонение от этих точек, используем метод наименьших квадратов. Угол наклона проведенных прямых с горизонтальной осью характеризует интенсивность отказов обмотки статора, а точка пересечения определяет период перехода к износовым отказам.

Рис. 6. Сечение катушек (р-г) электродвигателей серии ДА302 и стержней (д) обточки статора электродвигателя ВАЗ 215/109-6АМО5:
1 - корпусная изоляция; 2 - витковая изоляция; 3 - элементарные проводники; 4 - защитное покрытие; 5 - полупроводящее покрытие

Рис. 5. Определение перехода от нормальной эксплуатации к износовым отказам обмотки статора электродвигателя типа СДМЗ-20-49-60

Рис. 7. Крепление лобовых частей стержневой и катушечной обмоток статоров электродвигателей ВАЗ 215/109-6АМ05 (а), ДА302 (б) и 4 АЗМ-4000/6000У4 (в):
1 - головки; 2 — кольцо наружное бандажное; 3 - стержни верхние; 4 - кольцо внутреннее бандажное; 5 - бандажи шнуровые; 6 - крепление стержней на выходе из паза; 7 - стержни нижние; 8 - межкатушечные соединения; 9 - распорка; 10- головки, катушек

Рис. 7 (в)

Для электродвигателей типа СДМЗ-20-49-60 при имеющейся интенсивности воздействия эксплуатационных факторов период износовых отказов обмотки статора начинается с времени эксплуатации, равной 7,71 года. После этого периода интенсивность отказов увеличивается в 4,66 раза. Следовательно, с Целью обеспечения эксплуатационной надежности электродвигателей СДМЗ-20-49-60 целесообразно выполнить полную перемотку обмотки статора после эксплуатации по истечении 8 лет.
Обмотки электродвигателей, установленных на АЭС, конструктивно изготовлены из катушек или стержней (рис. 6). Катушки имеют по несколько витков, каждый из которых содержит один или несколько параллельных проводников. Стержень содержит два ряда элементарных проводников. Технология перемотки катушечных и стержневых обмоток с термопластичной изоляцией во многом сходна, однако имеет некоторые отличия и выполняется по специальной технологии.
После разборки электродвигателя до разборки обмотки определяют и заносят на эскиз:
вылеты лобовых частей обмотки статора относительно активной стали статора и торца корпуса статора с помощью контрольного угольника;
расположение дистанционных распорок, установленных в лобовых частях, и крепление на выходе из паза (рис. 7);
расположение соединительных и выводных шин (рис. 8); места установки шнуровых бандажей и количество нитей в каждом из них;
расстояние между головками стержней, а также следует сверить схему термоконтроля с заводскими чертежами.

Рис. 8. Схема соединения обмотки статора электродвигателя ВАЗ 215/109-6АМ05

Демонтаж обмоток статоров с термореактивной изоляцией из сердечника затруднен. Для повышения ремонтопригодности обмотки предприятие "Востокэнергоремонт" применяет технологию удаления изоляции обмоток статоров высоковольтных электродвигателей на основе метода гидролитического разложения термореактивного связующего. Разложение связующего изоляции происходит в автоклаве, габариты которого обеспечивают погружение в него статора наиболее крупного электродвигателя, подлежащего ремонту. Технологический цикл разложения происходит при температуре рабочей среды 160 - 170°С и при давлении в автоклаве (9,8 - 11,8) . 102 кПа в течение 20 ч. Обмотку с размягченной в автоклаве изоляцией удаляют из пазов статора обычными методами в условиях ремонтного цеха.
После демонтажа обмотки испытывают и подготавливают сердечник к укладке, выполняют ревизию нового комплекта обмотки. Расточку статора, нажимные пальцы и пазы покрывают тонким слоем лака БТ-99 из краскораспылителя. У электродвигателей ВАЗ 215/109-6АМ05 внутреннюю поверхность пазов и термосопротивления покрывают полупроводящим лаком № 57 с удельным поверхностным сопротивлением в пределах ps = 103 -г 8 • 103 Ом.
Стержни электродвигателей ВАЗ 215/109-6АМ05 проверяют на отсутствие коронирования, проводя электрические испытания в затемненном помещении. Затем стержни (или катушки) укладывают и закрепляют в пазах и в лобовых частях, паяют и изолируют схемные соединения.