Спосіб діагностики короткого замикання витків обмотки збудження турбогенератора

Реферат: UA 102050 U UA 102050 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Запропонована корисна модель належить до силового енергетичного обладнання, зокрема потужних синхронних електричних машин, наприклад, турбогенераторів, і може використовуватись для діагностики технічного стану обмоток роторів у процесі безперервної експлуатації. На сьогоднішній день високі вимоги до надійності потужних генераторів спонукають до пошуку і впровадженню нових способів контролю технічного стану у процесі їх експлуатації, що може бути досягнуте шляхом розробки ефективних методів діагностики ушкоджень важливих елементів їх конструкції. У роторах потужних синхронних генераторів у процесі експлуатації або при неякісному ремонті можуть виникнути короткі замикання між витками обмотки збудження (найчастіше в лобовій частині обмотки під бандажами) [1]. Виткові замикання призводять до низки негативних наслідків, які погіршують робочі характеристики генератора, зокрема магнітний потік збудження зменшується, розподіл магнітної індукції у повітряному проміжку між ротором і статором стає несиметричним [2]. З огляду на негативний вплив зазначених явищ, важливу роль набуває діагностика ушкоджень обмотки збудження, яка повинна базуватися на аналізі певних фізичних величин, що змінюються при ушкодженні обмотки збудження [3]. При великій кількості ушкоджених витків діагностика може бути виконана на основі спостереження величини струму збудження. Більш ефективною та чутливою до появи ушкоджень на ранніх стадіях їх розвитку є вібраційна діагностика, що базується на аналізі змін вібрацій осердя статора. Відомий метод виявлення коротких замикань витків обмотки збудження синхронного генератора [4], відповідно до якого застосовується система діагностичних параметрів на основі штучної нейронної мережі, що здатна визначити наявність замикань витків в обмотці збудження синхронного генератора, кількість короткозамкнених витків в процентах та оцінити важкість пошкодження шляхом аналізу вихідного сигналу штучної нейронної мережі. Недоліком даного методу є необхідність проведення великої кількості експериментів для набору даних, щоб "навчити" штучну нейронну мережу визначати появу замикання та визначення працездатності та адекватності методу ідентифікації пошкодження. Аналогом пропонованого способу є спосіб [5], який полягає у застосуванні на вході вимірювального вольтметра сигналу з індукційного давача при подачі на обмотку ротора постійного струму. Надалі проводять спектральний аналіз електрорушійної сили, що наведена в індукційному давачі та за частотним складом і відносній величині окремих спектральних складових робиться висновок щодо відсутності замикань витків та магнітної ізотропії ротора. Недоліком способу є те, що даний спосіб дозволяє виявити лише наявність замикань витків та не дає змогу визначити кількість замкнених витків та їх положення. Найближчим аналогом пропонованого способу є спосіб [6], що базується на аналізі сигналу генераторного давача, за який використовують давач магнітної індукції, який встановлено у повітряному проміжку машини. Спосіб реалізовано у вигляді пристрою для контролю замикань витків в обмотці ротора електричної машини, який містить встановлений у повітряному проміжку давач магнітної індукції, блок індикації, блок аналогових ключів і послідовно з'єднані блок пікових детекторів, блок суматорів, диференційний підсилювач і компаратор. Вихід давача електромагнітної індукції підключено до входу смугового фільтру з підсилювачем зі схемою автоматичного регулювання підсилення, вихід якого підключено до інформаційного входу блока аналогових ключів. Спосіб працює наступним чином. Сигнал з давача надходить на смуговий фільтр з підсилювачем. Завдяки наявності автоматичного регулювання підсилення (АРП), на виході фільтра усереднена амплітуда сигналу залишається постійною при зміні режиму збудження ротора в широких межах. Постійна часу АРП вибирається такою, щоб коефіцієнт підсилення не змінювався в інтервалах між пакетами імпульсів. Пакети імпульсів, що несуть інформацію про стан котушок відносно короткого замикання витків, подаються на блок аналогових ключів. Недоліком аналога є низька надійність та недостатня чутливість пристрою, який реалізовує даний спосіб. Задачею корисної моделі є створення такого способу діагностики коротких замикань витків обмотки збудження турбогенератора, за яким, завдяки аналізу в спектрі сигналу обертової та кратних їй гармонік досягається новий технічний результат: підвищення надійності й безпеки електричних машин шляхом постійного контролю вібропараметрів давача у процесі експлуатації, а також висока чутливість до появи збурень магнітного поля у повітряному проміжку внаслідок ушкоджень обмотки збудження та можливість визначення та ідентифікації ушкодження на ранній стадії його розвитку. 1 UA 102050 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Поставлена задача вирішується тим, що спосіб діагностики короткозамкнених витків обмотки збудження турбогенератора, який включає в себе вимірювання та спектральний аналіз сигналу генераторного давача, що встановлений на ярмі осердя статора турбогенератора, згідно з корисною моделлю, як генераторний давач використовують давач віброприскорення, при цьому наявність короткозамкнених витків в обмотці збудження визначають за появою в спектрі сигналу обертової гармоніки частоти 50 Гц та кратних їй гармонік, а кількість короткозамкнених витків визначають за допомогою чисельних діагностичних коефіцієнтів, які дорівнюють відношенню амплітуди обертової та кратних їй гармонік до основної гармоніки електромагнітних коливань частоти 100 Гц. При появі ушкодження на роторі це ушкодження обертається разом з ротором відносно статора з частою обертання і генерує в статорі віброзбуджуючу силу частоти обертання ротора, тобто 50 Гц. Порівняльний аналіз відомих технічних рішень показує, що запропонований спосіб забезпечує високу чутливість до визначення пошкоджень обмотки збудження синхронного генератора, надає можливість виявити кількість короткозамкнених витків та ідентифікувати місце розташування к.з. витків. Окрім цього, спосіб дозволяє забезпечити безперервний контроль за станом обмотки збудження у процесі його експлуатації. На основі приведеного вище можна зробити висновок про те, що суттєві ознаки, які приведені у формулі корисної моделі, є необхідними й достатніми для досягнення нового технічного результату: підвищення надійності й безпеки електричних машин шляхом постійного контролю вібропараметрів давача у процесі експлуатації, а також висока чутливість до появи збурень магнітного поля у повітряному проміжку внаслідок ушкоджень обмотки збудження та можливість визначення та ідентифікації ушкодження на ранній стадії його розвитку. На фіг. 1 показано розташування давача віброприскорення турбогенератора, де статор генератора 1, ротор генератора 2, місце установки давача 3. На фіг. 2, 3 показано відповідно часову функцію нормальної складової тензору магнітного натягу, який характеризує тиск віброзбуджуючої сили на поверхню розточки статора та його спектр при ушкодженій котушці обмотки збудження. Оскільки тензор магнітного натягу при обертанні ротора характеризує зміну вібрацій, вважаємо, що дана функція у певному масштабі відображає сигнал з давача віброприскорення. Запропонований спосіб ґрунтується на тому, що у номінальному режимі роботи у повітряному проміжку синхронного генератора діє електромагнітне поле, яке змінюється при появі дефектів (замикань) витків в обмотці збудження та призводить до появи віброзбуджуючих сил частоти 50 Гц, що діють на осердя статора. Відповідні вібрації фіксуються давачем віброприскорення, який встановлюють на ярмі осердя статора генератора. Після цього виконується спектральний аналіз сигналу давача віброприскорення і в результаті появи в спектрі сигналу обертової та кратній їй гармонік визначається обсяг ушкодження та його розташування на основі системи діагностичних коефіцієнтів. При вимірюванні вібродавача у результуючому сигналі окрім вібрацій електромагнітного походження присутні також вібрації механічного походження (дефекти підшипників, валу, опор та ін.) Тому у подальшому для проведення адекватної діагностики необхідне виконання додаткового досліду, який полягає у тому, що ротор обертається з номінальною швидкістю без збудження, а отриманий, з такого досліду, спектр вібрацій віднімається від результуючого спектру при збудженні ротора, що дозволяє виділити обертову гармоніку вібрацій електромагнітного походження. Надалі проводиться аналіз діагностичних ознак, які отримані в результаті математичного моделювання та виявляються конкретні закономірності зміни величини спектрів сигналу у відсотковому співвідношенні. Для цього введено діагностичний параметр ki - коефіцієнт зміни їої гармоніки, який характеризує відношення величини амплітуди спектру сигналу і-ої гармоніки до основної гармоніки частоти 100 Гц та визначається за формулою:ki  Tni _ y Tn100 _ нy 100%, де Tni _ y - амплітуда гармоніки і-ої частоти в спектрі сигналу давача вібрації ушкодженої обмотки збудження, а Tnі _ нy - амплітуда гармоніки частоти 100 Гц в спектрі сигналу давача 55 вібрації неушкодженої обмотки збудження, i = 50, 150,250,350 Гц. В результаті установки давача віброприскорення на ярмі осердя статора синхронного генератора і використання запропонованих діагностичних коефіцієнтів спрощується застосування способу на практиці, досягається новий технічний результат: підвищення 2 UA 102050 U 5 надійності й безпеки електричних машин шляхом постійного контролю вібропараметрів давача у процесі експлуатації, а також висока чутливість до появи збурень магнітного поля у повітряному проміжку внаслідок ушкоджень обмотки збудження та можливість визначення та ідентифікації ушкодження на ранній стадії його розвитку, підвищення точності та вірогідності діагностики коротких замикань витків обмотки збудження. Результати моделювання способу проведені на прикладі серійного турбогенератора типу ТГВ-200-2 та наведено у таблиці. Таблиця Чутливі діагностичні коефіцієнти при ушкодженні обмотки збудження Діагностичні коефіцієнти Неушкоджена k50 K150 K250 K350 10 15 20 0 0 0 0 1 2,35 0,43 1,47 0,97 Вид ушкодження обмотки збудження Ушкоджено витків у котушці 2 3 4 5 6 7 3,1 3,93 4,81 5,74 6,65 7,56 0,6 1,49 2,43 3,38 4,33 5,28 1,18 0,89 0,62 0,36 0,15 0,24 1,02 1,11 1,21 1,34 1,48 1,64 8 8,53 6,24 0,48 1,81 9 9,44 7,21 0,72 2 10 10,4 8,17 0,96 2,2 ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ: 1. Брановский М.А. Основные проблемы вибрации современных турбогенераторов. В кн.: Ремонт оборудования турбинных цехов электростанций. М: Энергия, 1966. 2. Брановский М.А., Лисицин И.С., Сивков А.П. Исследование и устранение вибрации турбогенераторов. М.: Энергия, 1969. - 232 с. 3. Глебов И.А., Данилевич Я.Б. Диагностика турбогенераторов. - Л.: Наука, 1989. - 119 с. 4. Розум Т.И., Полищук В.И. Метод выявления витковых замыканий в обмотке возбуждения синхронного генератора // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 8, ч. 5. - С. 1061-1065. 5. Патент 2192649 от 10.11.2002 Ройтгарц М.Б. "Способ диагностики и контроля витковых замыканий в роторе синхронной машины". 6. Патент 5510 від 28.12.1994 р., Конарєв О.П., Кузьмін В.В., Ліцов В.І., Шофул А.К. "Пристрій для контролю виткових замикань в обмотці ротора електричної машини". ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Спосіб діагностики короткого замикання витків обмотки збудження турбогенератора, за яким здійснюють вимірювання та спектральний аналіз сигналу генераторного давача, що встановлений на ярмі осердя статора турбогенератора, який відрізняється тим, що як генераторний давач використовують давач віброприскорення, при цьому наявність короткозамкнених витків у обмотці збудження визначають за появою в спектрі сигналу обертової гармоніки частоти 50 Гц та кратних їй гармонік, а кількість короткозамкнених витків визначають за допомогою чисельних діагностичних коефіцієнтів, які дорівнюють відношенню амплітуди обертової та кратних їй гармонік до основної гармоніки електромагнітних коливань частоти 100 Гц. 3 UA 102050 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4