Понимание процесса выработки генератором электрической энергии из механической энергии, поставляемой турбиной, не является интуитивно очевидным. Но большинство механизмов износа генераторов являются понятными для персонала, имеющего достаточный технический опыт работы. Некоторые из наиболее важных механизмов износа генераторов рассмотрены ниже. Все из указанных проблем приводят к необходимости модернизации генератора.

ОБМОТКА СТАТОРА

1. Вибрация стержней в пазах.

Прохождение тока в соседних проводах приводит к возникновению соответствующих электромагнитных сил. Эти силы могут быть достаточно высокими и составлять порядка 10 – 100 фунтов на линейный дюйм в пазовой части обмотки. Указанные силы приводят к вибрации проводников, которую требуется ограничивать. Если конструкция допускает вибрацию стержней статора в пазах, корпусная изоляция будет изнашиваться, и стержни могут выйти из строя (см. Фото 1).

Фото 1. Повреждение изоляции в связи с вибрацией стержней.

Существует также возможность «вибрационного искрения», возникшего по причине вибрации стержня, а также напряжения в зоне паза, действующего на покрытие заземления с низким сопротивлением (см. Фото 2).

Фото 2. Эрозия после искрения; изображение получено с помощью бороскопа.

Оба указанных механизма могут привести к эксплуатационному отказу спустя несколько лет.

2. Вибрация лобовых частей обмоток.

Электромагнитные силы, действующие в лобовых частях, ниже, чем в пазах, приблизительно наполовину, но все-таки являются значительными. Помимо этого, фиксирующая система лобовых систем значительно слабее фиксирующей системы пазов. В результате этого одним из наиболее значительных механизмов является вибрация лобовых частей (см. фото 3).

Фото 3. Накопление пыли в связи с вибрацией лобовых частей.

На мощных генераторах с фиксирующими системами, основанными на обвязке, данное явление представляет собой значительную проблему. Но генераторы с фиксирующими системами, рассчитанными на значительное усилие, не будут испытывать сильную вибрацию в лобовых частях, если только не будет действовать эффект резонанса. В последнем случае может произойти полное разрушение стержня (см. фото 4).

Фото 4. Разрушение верхнего и нижнего стержня при последовательном соединении. (Указано стрелкой.)

Для всех генераторов лобовые части часто повреждаются из-за попадания в них отсоединившихся деталей или посторонних объектов (см. фото 5).

Фото 5. Разрушение в виде выступающей наружу меди, в связи с воздействием постороннего объекта. (См. стрелку)

3. Частичный разряд (ЧР).

Признаки воздействия ЧР часто проявляются на обмотках, в особенности на статорах с воздушным охлаждением (см. фото 6 и 7).

Фото 6. ЧР на стержне статора в конце паза.

Фото 7. Признаки частичного разряда между фазами в лобовой части

Слюда корпусной изоляции стержня статора имеет высокую стойкость относительно частичного разряда, и любое воздействие на корпусную изоляцию будет малоэффективным. Тем не менее, ЧР может привести к разрушению изоляции стержней генератора при недостаточном зазоре в зоне лобовых частей и использовании изоляции, отличной от слюдяной, в зоне подсоединения фазового стержня к кольцевой шине (см. фото 8).

Фото 8. Разрушения из-за ЧР при высоковольтном подсоединении без слюдяной изоляции.

4. Течь воды на стержне статора.

На обмотках с водяным охлаждением, при наличии течи в водяном коллекторе стержня, вода может проникать в зону корпусной изоляции и приводить к ее серьезному повреждению. На фото 9 проиллюстрирован случай, когда, течь в водяном коллекторе может потребовать полной перемотки статора.

Фото 9. Течь водяного коллектора. (См. стрелку)

Другие виды течи легко могут быть идентифицированы по накоплению воды в корпусном детекторе течи и/или по высокой точке росы. Указанные виды течи могут быть устранены без серьезных повреждений.

5. Слабо зафиксированная система клиньев.

Существует несколько различных систем клиньев, и некоторые из них могут представлять определенные проблемы. При наличии вибрации стержня (см. фото 1), всегда имеется серьезная проблема. Но если имеется только вибрация клиньев, то проблему можно решить простой фиксацией клиньев в виде соединения типа «ласточкин хвост» (см. фото 10).

Фото 10. Вибрация клиньев без вибрации стержней.

Проблемы с клиньями, связанные с вибрацией стержней, обычно могут быть решены при соответствующей замене системы клиньев. Обычно замена клиньев включает использование радиальных пружин, если это использование допускает радиальный зазор в пазах.

СЕРДЕЧНИК СТАТОРА

1. Загрязнения.

Как и для обмоток статора, незначительное накопление загрязнений препятствует переносу тепла от железного сердечника к охлаждающему газу вентиляционной системы. Значительное загрязнение (см. фото 11) может полностью заблокировать вентиляционные каналы, что приведет к сильному перегреву сердечника.

Фото 11. Значительное загрязнение сердечника

Указанный перегрев может оказать отрицательное влияние, как на сердечник, так и на статорные обмотки косвенного охлаждения, для которых железный сердечник служит теплоотводом для тепла, генерируемого в стержнях статора.

2. Незакрепленные элементы сердечника.

Проблемы, связанные со слабой фиксацией сердечника, могут иметь несколько причин: недостаточное прижимное усилие при оригинальной сборке, недостаточная компенсация естественного выгибания железных пластин сердечника по радиальной линии высечки, отклонение формы тарельчатых фланцев от требуемой конусности, смещение изоляции между пластинами сердечника (см. фото 12).

Фото 12. Локально незакрепленные железные детали сердечника.

Если сердечник имеет конструкцию, в которой используются сквозные болты, прижимное усилие может быть недостаточным из-за недостаточного усилия затяжки и/или из-за собственного ослабления, связанного с высокотемпературным относительным расширением болтов из цветных металлов. Высокая температура сердечника, обусловленная конструкцией, или загрязнения, могут усилить влияние указанных выше факторов.

ОБМОТКА РОТОРА (ОБМОТКА ВОЗБУЖДЕНИЯ).

2. Деформация витков/обмотки.

Медь имеет слабые механические характеристики даже при комнатной температуре; при подвышенной температуре, приблизительно свыше 130ºС, указанные слабые характеристики ухудшаются еще больше. Но медные компоненты обмоток возбуждения работают при высоких механических нагрузках. Производителями используются многочисленные методы для снижения механической нагрузки: работа при более низких рабочих температурах, воздействующих на медь, уменьшение перепада температур между витками, избежание значительных изменений поперечного сечения, обеспечение точной конструкции систем блокировки, использование тефлоновых пластин скольжения. Но даже при этом, возникали проблемы, связанные с растрескиванием витков, а также с деформацией витков и обмоток возбуждения в виде: удлинения медных элементов и сокращения передних частей, трещин и разрывов медных витков, повреждения витков и корпусной изоляции. Суммарным результатом воздействия этих проблем являются закороченные витки, закороченные обмотки, а также замыкания в цепях заземления обмоток, что приводит к многочисленным простоям оборудования (см. фото 13).

Фото 13. Верхний виток, разрушенный из-за значительных изменений поперечного сечения.

2. Трещины на кованых деталях.

Циклическая нагрузка, особенно при операциях запуска/останова, способствует растрескиванию кованых деталей. Чаще всего трещины появляются на пазовых зубьях под стопорным кольцом, установленным с горячей посадкой. Но случайные трещины могут обнаруживаться в различных местах, например, в угловых частях полюсного наконечника по осевой линии кованой детали обмотки возбуждения.

3. Повреждение изоляции.

Обычно оно связывается с изгибом витков/обмотки и их смещением (см. фото 14), но обмотка может повредиться из-за наличия постороннего материала, например, «медной пыли», возникшей при отслаивании медного витка при работающем редукторе поворотного устройства. Иногда замыкания, включая и замыкания на землю, являются результатом перемещения изоляции витка или обмотки из зоны паза. Изоляция может также разрушиться из-за ухудшения механических характеристик при длительном воздействии нормальной температуры или при кратковременном воздействии повышенной температуры.

Фото 14. Разрушенный верхний слой изоляции.

ФАКТОРЫ СТАРЕНИЯ, КОТОРЫЕ МОГУТ СТАТЬ ПРИЧИНОЙ МОДЕРНИЗАЦИИ ГЕНЕРАТОРА

Кроме ухудшения характеристик, связанных с износом компонентов, генераторы старше 20 лет, возможно, потребуют замены некоторых деталей. К конструктивным элементам, испытывающим старение, относятся следующие:

• Обмотки возбуждения больших генераторов, стопорные кольца которых не имеют достаточно плотную посадку относительно корпуса обмоток. Медные проводники, в особенности верхние витки, подвержены разрыву, поэтому указанные витки, образующие группу, нуждаются в серьезном ремонте, связанном с их полной перемоткой.
• Все стопорные кольца, изготовленные из нержавеющей стали 18/5.
• Статоры больших генераторов с обвязкой опор лобовых частей обмоток. Эксплуатация этих машин может быть продолжена только после мелкого или иногда серьезного ремонта с вероятным вынужденным простоем оборудования.
• Уже многие годы используются многочисленные клиновые системы статора. Некоторые из них оказались малоэффективными и связанными с определенными проблемами, например, клин типа «верблюжий горб». Для генераторов, имеющих проблемы с клиньями, решением таких проблем стала бы замена клиньев на новые, более современные модели.
• За последние годы были значительно усовершенствованы измерительные приборы. Устаревшие приборы в случае отказа оборудования дают недостаточную информацию, в связи с чем необходима их замена на современные приборы, имеющие интеграцию с компьютером и удобное программное обеспечение.

Компания IRIS POWER может предложить своим клиентам широкий спектр современного диагностического оборудования, призванного обеспечить качественную диагностику описанных выше проблем, часто в режиме он-лайн, т.е. без необходимости остановки генератора. Это позволяет реально экономить значительные средства на техническое обслуживание, а также значительно сократить время длительного вынужденного простоя, связанного с большими производственными убытками.

Из статьи: «Повышение мощности и модернизация генераторов». Клайд В. Моуэн, П.Э. Эмеритус, Компания «Maughan Generator Consultants», г. Скенектади, шт.Нью-Йорк, 12306 США