Диагностирование синхронных генераторов

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время синхронные генераторы являются основным источником электроэнергии. Их мощность - в пределах от нескольких киловатт до сотен тысяч киловатт. Синхронные генераторы устанавливаются в тепло- и гидроэлектростанциях, самолетах, судах, ими комплектуются различные передвижные источники электроэнергии.
Об основных свойствах синхронного генератора дают представление характеристики, которые определяют зависимость между напряжением на зажимах якоря, током возбуждения, током нагрузки при номинальной частоте вращения и постоянном коэффициенте мощности в установившемся режиме.
К синхронным генераторам предъявляются высокие требования по надежности и безотказности в работе. Важно раннее выявление дефектов. Вывод синхронных генераторов во внеплановый ремонт сопровождается экономическим ущербом, ведет к штрафам и снижению прибыли от реализации электроэнергии. В 2016 г. ущерб от штрафных санкций при аварийном выходе из строя синхронных генераторов только по пяти станциям составил 360 млн рублей, а в 2017 г. – 450 млн рублей. Каждый день простоя генерирующего оборудования по штрафам обходится станциям от 1,7 до 2,3 млн рублей, не считая затрат на ремонт. Каждое аварийное отключение стоит от 32 до 60 млн рублей.
Заблаговременное определение возникающих и развивающихся дефектов синхронных генераторов позволяет экономить от 1 до 2,5 млн рублей в день, даже при неплановом ремонте [1, 2]. Существует настоятельная потребность в достоверном и своевременном выявлении повреждаемости синхронных машин [3, 4].



 
1. Общие сведения об объекте диагностирования (назначение, состав, принцип действия)
Принципы работы электрогенератора. Генераторы могут быть двух типов: синхронные и асинхронные.
Синхронные генераторы составляют основу электрического оборудования электростанций, т.е. практический вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами.
Устройство и принцип действия синхронного генератора заключается в следующем (рис.1).

Рисунок 1. Упрощенная модель синхронного генератора
Неподвижная часть машины, называемая статором, представляет собой полый шихтованный цилиндр 1 (сердечник статора) с двумя продольными пазами на внутренней поверхности. В этих палах расположены стороны витка 2, являющегося обмоткой статора. Во внутренней полости сердечника статора расположена вращающаяся часть машины - ротор, представляющий собой постоянный магнит 4 с полюсами N и S, закрепленный на валу 3. Вал ротора посредством ременной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан). В реальном синхронном генераторе в качестве приводного двигателя может быть использован двигатель внутреннего сгорания либо турбина. Под действием вращающего момента приводного двигателя ротор генератора вращается с частотой n1 против часовой стрелки. При этом в обмотке статора в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой показано на рисунке стрелками. Так как обмотка статора замкнута на нагрузку Z, то в цепи этой обмотки появится ток i.
В процессе вращения ротора магнитное поле постоянного магнита также вращается с частотой n1, а поэтому каждый из проводников обмотки статора попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то и зоне южного (S) магнитного полюса. При этом каждая смена полюсов сопровождается изменением направления ЭДС в обмотке статора. Таким образом, в обмотке статора синхронного генератора наводится переменная ЭДС, а поэтому ток i в этой обмотке и в нагрузке Z также переменный.
Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе
е = B 2 l = B 2 l π D1 n1 / 60
где B — магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл; l - активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, м; = π D1 n1 /60 — скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с; D1 — внутренний диаметр сердечника статора, м.
Эта формула показывает, что при неизменной частоте вращения ротора форма кривой переменной ЭДС обмотки якоря определяется исключительно законом распределения магнитной индукции в зазоре. Если бы график магнитной индукции в зазоре представлял собой синусоиду (B = Вmax sin α), то ЭДС генератора была бы синусоидальной. Однако получить синусоидальное распределение индукции в зазоре практически невозможно. Так, если воздушный зазор постоянен то магнитная индукция в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону, а следовательно, и график ЭДС генератора представляет собой трапецеидальную кривую. Если края полюсов скосить так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен max, то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде, а следовательно, и график ЭДС генератора приблизится к синусоиде.
Частота ЭДС синхронного генератора (Гц) прямо пропорциональна частоте вращения ротора n1 (об/мин), которую принято называть синхронной частотой вращения:
f1 = pn1/60
Здесь — число пар полюсов; в рассматриваемом генераторе два полюса, т. е. p=1. Для получения промышленной частоты ЭДС (50 Гц) ротор такого генератора необходимо вращать с частотой n1=3000 об/мин,
тогда f1 = 1 3000/60 = 50 Гц.
Постоянные магниты на роторе применяются лишь в синхронных генераторах весьма малой мощности, в большинстве же синхронных генераторов для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения, располагаемую на роторе. Эта обмотка подключается к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, располагаемых на валу и изолированных от вала и друг от друга, и двух неподвижных щеток.
Как уже отмечалось, приводной двигатель (ПД) приводит во вращение ротор синхронного генератора с синхронной частотой n1. При этом магнитное поле ротора также вращается с частотой n1 и индуцирует в трехфазной обмотке статора переменные ЭДС ЕA ЕВ ЕC, которые, будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на периода (120 эл. град), образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.
С подключением нагрузки в фазах обмотки статора появляются токи IА, IB, IC. При этом трехфазная обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора (об/мин):
n1 = f160/p.