Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Содержание

Введение

Рассмотрены различные методики контроля изоляции электрооборудования, а в частности изоляции статора генератора. Предложены критерии, согласно которым определяется состояние изоляции и дальнейшая судьба ее эксплуатации в той или иной электроустановке. Так же предложены комплексные решения контроля изоляции, рассмотрены способы предотвращения возникновения дефектов изоляции.

Ключевые слова: изоляция, генератор, метод частичных разрядов, сопротивление, напряжение.

1. Актуальность темы

На сегодняшний день большинство электростанций в странах бывшего СССР и западного зарубежья являются тепловыми. А как известно большинство электростанций за исключением АЭС оборудованы генераторами. Эксплуатация генератора сопровождается не только выработкой электроэнергии, но и обслуживанием генератора, контролем различных его параметров, выявлением дефектов и их устранением и т.п. В моей магистерской работе рассматриваются методики контроля изоляции статора генератора, а в частности программные решения, которые позволяют комплексно давать оценку состоянию изоляции генератора. Стоит отметить, что на сегодняшний день предложено немалое количество способов решения данной проблемы. Однако все современные новаторские решения основаны на классических методиках, таких как метода частичных разрядов, измерение сопротивления изоляции, измерение напряжения изоляции.

2. Исследования

2.1 Испытание повышенным сопротивлением

В ходе магистерской работы было изучено множество методик. Начнем с классических. Рассмотрим методику оценки состояния изоляции с помощью сопротивления. Во время ремонта или диагностики измеряют сопротивление изоляции обмотки каждой вазы либо параллельной ветви обмотки статора при соединении с корпусом всех остальных ветвей и фаз (рис1). Стоит отметить, что у генератора сопротивление изоляции обмотки статора не имеет каких–либо нормированных значений, показания, полученные в результате нынешних измерений, всегда сопоставляются с показателями, которые имели актуальность до сегодняшних тестов изоляции. Однако есть предел, в виде R60=Unom∗(1000+0,01∗Snom) значение которого должно быть не ниже 0,5 МОм.

К примеру рассмотрим измерение сопротивление изоляции обмотки статора турбогенератора с непосредственным водяным охлаждением.

Измерение сопротивления происходит без воды. Измерения производятся с помощью вольтметра постоянного тока с внутренним сопротивлением 50–100 кОм, для чего измеряют напряжение между контактными кольцами. По мимо этого, в статоре стоят термоиндикаторы, которые зачастую могут быть поврежденными, поэтому что бы определить их состояние, выполняют измерение сопротивления изоляции термоиндикаторов по отношению к корпусу мегаомметрами 250–500 В. В данном случае сопротивление должно быть не менее 0,5–1 МОм.

Фазы обмотки статора генератора с непосредственным охлаждением

Рисунок 1 – Фазы обмотки статора генератора с непосредственным охлаждением

Показателем состояния изоляции является коэффициент абсорбции. При температуре 15–30 ℃ для неувлажнённых обмоток этот коэффициент находится в пределах 1,2–2. Коэффициент увлажненных обмоток близок единице.

2.2 Испытание повышенным напряжением

Во время диагностирования генератора перед вводом в эксплуатацию используют проверку обмотки статора или ротора повышенным напряжением, по причине того, что существуют дефекты изоляции, которые невозможно выявить путем проверки повышенным сопротивлением или визуальным осмотром. Точная величина повышенного напряжения определяется такими параметрами как мощность, напряжение, типа системы охлаждения, конструкции и других параметров. Обмотка статора подвергается испытанию повышенным напряжением переменного тока с частотой 50 Гц, равным 1,5–2 Unom в течении 1 минуты после остановки машины. Испытание проводят в горячем состоянии и до отчистки от грязи. Так же в качестве дополнительного испытания, проводится проверка выпрямленным напряжением, равным 2,5 – 3 Unom в течении 1 мин. Преимущества испытания выпрямленным напряжением заключаются в болоее высокой эффективности контроля изоляции лобовых частей благодаря более равномерному распределению испытательного напряжения по их поверхности, так же к преимуществу данного метода можно отнести выявление потенциальных дефектов еще на ранних стадиях развития.

Используя схему испытания обмотки статора генератора повышенным напряжением переменного тока, представленную на рис.3, разберем процесс измерения поэтапно.

Схема испытания обмотки статора генератора повышенным напряжением переменного тока

Рисунок 2 – Схема испытания обмотки статора генератора повышенным напряжением переменного тока

К повышающему испытательному трансформатору подводится линейное напряжение Uл=380 В. В качестве регулятора данного напряжения выступает реостат Рр, работа которого отображается на вольтметре V1. Разрядник РЗ с искровым промежутком служит для предотвращения повышения испытательного напряжения выше допустимой величины. Данный разрядник работает с напряжением, превышающее испытательное на 10%. С того момента как было приложено линейное напряжение, по цепи испытательного устройства протекает выпрямленный ток значительной величины. Данный ток состоит из зарядного тока и тока абсорбции. Геометрические параметры изоляции обмотки и ее расположение оказывают сильное влияние на величину зарядного тока. В свою очередь ток абсорбции возникает из–за перераспределения зарядов между внутренними неоднородными слоями изоляции. С момента подачи тока в цепь в течении 2–3 минут ток утечки в зависимости от минимума влажности и других факторов достигает установившейся величины. При наличии каких–либо дефектов в изоляции, протекающий через нее ток, меняет темп своего падения. Сравнение такого тока между фазами может дать характеристику о состоянии изоляции. Самым явным признаком наличия дефектов в изоляции является большая разница между токами утечки по фазам. Обычно разница в 1,5–2 раза между токами утечки по фазам говорит о том, что присутствует дефекты в изоляции, подверженные немедленному устранению.

Существует также метод испытания повышенным напряжением переменного тока, однако есть отличия применимо к генераторам с водяным охлаждением. Весь период испытания должен сопровождаться непрерывным циркулированием воды в обмотке статора, в противном случае температура воды поднимется до 95 ℃ и спровоцирует повреждения уплотнителей коллекторов обмотки.

2.3 Метод частичных разрядов

Любую оценку состояния оборудования на количество по контролируемым параметрам можно выполнить только на основе сопоставления данных и непосредственного их сравнения, при этом свежие данные полученные в результате измерений, должны сопоставляться с опорными данными, в качестве которых обычно выступают пороговые значения. Пороговые значения должны интегрально соответствовать изменению категорий качества оборудования. Количественные значения порогов считают нормированными и выступают опорным стандартом для разных видов электрооборудования.

Метод частичных разрядов сам по себе не предусматривает стандартных нормированных значений. Однако существуют локальные нормированные значения и рекомендации присущие разным видам электрооборудования. Исходя из этих нюансов количественная оценка состояния изоляции того же генератора может проводиться только на основе сравнения свежеполученных измерений и измерений прошлых испытаний. Т.е. стоит сказать, что состояние изоляции не оценивается за одно испытание в целом, а прослеживается зависимость ее состояния от времени, путем сбора показаний контролируемых параметров в разные периоды времени. В конечном итоге формируется зависимость изменения таких параметров от времени, что называется временным трендом.

Такая методика измерений подходит для различного оборудования, и любого диагностического метода, в том числе и для метода частичных разрядов, что и делает такой способ измерений универсальным.

Использование временного тренда, для оценки состояния оборудования по частичным разрядам, предусматривает корректный выбор расчетных параметров, присущий тому или иному оборудованию.

Частичный разряд измеряется пикокулонах. Пикокулоном определяется заряд, который несет в себе каждый импульс частичного разряда. Стоит отметить тот факт, что иногда частичные разряда измеряются и в мВ. Однако применение мВ полноценно невозможно во временном анализе по причине того, что в данном виде измерений можно снять только одну конкретную характеристику импульса частичного разряда, но нельзя зафиксировать другие импульсы в той же дефектной зоне и в других зонах изоляции, если дефектов несколько. Как показывает практика, большое количество импульсов с короткой амплитудой наносит более значительный ущерб изоляции электрооборудованию, чем единичные импульсы с большей амплитудой.

Будет правильнее, если проводить анализ наличия частичных разрядов в изоляции на основе энергетических параметров. Энергетические параметры включают в себя количественную характеристику, а также позволяют увидеть энергию каждого отдельно взятого импульса. Физически, при каждом импульсе частичного разряда дополнительно вводится из источника испытательного напряжения в контролируемый объект кажущийся заряд, при этом такой заряд в контролируемый объект инжектируется мгновенно и зависит от фазового угла питающего напряжения сети. Это говорит о том, что величина энергии, дополнительно вводимой в оборудование и выделяемая в зоне дефекта, равна заряду, умноженному на мгновенное значение приложенного напряжения.

Полная энергия частичных разрядов считается как сумма всех импульсов. Если такую энергию поделить на полное время суммирования, то получим мощность частичных разрядов, или другими словами потеря энергии на частичные разряды:

pic3

где P – мощность разрядов, W;

Т – время наблюдения, с.;

M – число наблюденных импульсов зв время Т;

QiVi – энергия i–го импульса.

Некоторые стандарты содержат энергетический параметр под другим обозначением, а именно как PDI–Partial Discharge Intensity, что в переводе обозначает как интенсивность частичных разрядов. Данный параметр предусматривает только действующее одинаковое напряжение для всех импульсов. Практика показала, что погрешность между двумя параметрами в разных стандартах составляет не более 20%. Такая погрешность считается оптимальной для оценки состояния изоляции.

Параметр PDI относится к группе основных параметров, применяемых для оценки интенсивности частичных разрядов в контролируемом объекте. Основной критерий, характеризующий скорость развития дефектов в изоляции, это тренд изменения параметра PDI. Если величина PDI сохраняет значение const в пределах всего интервала измерений, то можно говорить о исправности изоляции электрической машины. Если же const не сохраняется, то следует рассматривать изоляцию на наличие дефектов.

Количественная оценка всегда относительна. Ее использование делает ограниченно возможным отсутствием достоверных и универсальных критериев, порогов качества. Только наличие явно выраженной тенденции в увеличении интенсивности частичных разрядов может служить достоверным признаком наличия опасных и развивающихся дефектов в изоляции электрической машины.

2.4 Экспертные системы

Примером системы мониторинга частичных разрядов в изоляции обмотки К таким система можно отнести систему MDR от бренда DIMRUS. А если точнее, то полное название этой системы MDR–3/UHF. Работает система на основе высокочастотных трансформаторов тока. Одним из достоинств такой системы является простота установки, а к недостаткам можно отнести сравнительно низкую чувствительность. Стоит отметить, что вышеперечисленные достоинства и недостатки определяется типами датчиков частичных разрядов. Что бы повысить общий уровень чувствительности системы, была реализована функция подключения измерительных конденсаторов связи. Конденсаторы связи значительно повышают чувствительность системы к возникновению дефектов, даже если дефектное место находится значительно далеко от датчика. Высокая чувствительность таких датчиков объясняется тем, что они являются наиболее низкочастотными датчиками из всех применяемых для регистрации частичных разрядов. Чем ниже частота, тем меньше затухает сигнал в зубцово–пазовой структуре статора.

  1. Первая отличительная особенность MDR–3/UHF это наличие регистрационной аппаратуры. Такая аппаратура работает в диапазоне частот от 0,5 до 1500 МГц. Регистрационная аппаратура позволяет исследуемой экспертной системе с максимальной чувствительностью фиксировать дефекты изоляции как внутри пазов, так и в лобовых частях.
  2. Второе преимущество – это применение электромагнитных антенн в качестве датчиков ЧР. Такая антенна представляет из себя проводник в высоковольтной изоляции, проложенный по окружности статора в зоне лобовых частей обмотки. Антенна проста в конструкции, надежна, не имеет гальванической связи с обмотками машины, что имеет место при использовании конденсаторов связи. По мимо этого использование электромагнитных антенн позволяет не отключать конденсаторы связи если проводятся высоковольтные испытания статора.
    Система MDR–3/UHF

    Рисунок 3 – Система MDR–3/UHF"
    (анимация: 10 кадров, 5 циклов повторения, 27,1 килобайт)

  3. Третья особенность заключается в том, что электромагнитная антенна, установленная на лобовых частях обмотки статора, обеспечивает одинаковую чувствительность к дефектам во всех фазах и секциях обмотки статора, так же позволяет регистрировать ЧР в обмотке ротора, это объясняется тем, что антенна расположена на небольшом расстоянии от всех обмоток. Кроме того, поскольку максимальное расстояние от места возникновения частичных разрядов до кольцевой антенны не превышает половины длины одного проводника, проложенного в пазу статора, то и к этим дефектам электромагнитная антенна имеет высокую чувствительность. Используя временную разность прихода импульсов к лобовым частям обмотки можно определять место возникновения дефекта изоляции в пазу статора.
  4. Четвертая особенность заключается в том, что электромагнитная антенна защищена металлическими крышками, которые полностью закрывают все лобовые части электрической машины. Такое решение позволило сделать антенну малочувствительной к высокочастотным помехам, появляющимся извне электромагнитным путем.

Выводы

Вывод. На момент написания данного автореферата, магистерская работа не была закончена и в будущем предусматривает расчет модели поведения изоляции генератора в тех или иных режимах работы. Были изложены основные методики для обеспечения контроля изоляции, предложены различные решения от коммерческих организаций, такие решения основаны на методе частичных разрядов и за основу берут классические методики в сочетании с современным вычислительным ПО и датчиками.

Список источников

  1. Профилактические испытания изоляции оборудования высокого напряжения, Бажанов С.А., М., ЭНЕРГИЯ, Москва 1968 г.,72 с.
  2. Обслуживание электрических подстанций/ О.В. Белецкий, С.И. Лезнов, А.А Филатов. – М.: Энергоатомиздат, 1985, – 416 с.
  3. Обслуживание генераторов, Чернев К.К. – М.: Энергоатомиздат, 1989 г., 592 с.
  4. Электрические системы и сети, Идельчик В.И. Учебник. – М.: Высшая школа, 2003. – 463 с.
  5. Электрические машины, Кацман М.М. Учебник. – М.: Высшая школа, 2003. – 463 с.
  6. Рожкова Л.Д., Козулин В.С., Электрооборудование станций и подстанций 3–е изд., перераб. и доп. Учебник для техникумов. М.: Энергоатомиздат, 1987. – 648 с.
  7. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций. Учебник для вузов – 2–е изд. М. Энергоатомиздат, 1986. – 640 с.
  8. Сайт компании DIMRUS Измерение частичных разрядов в изоляции статоров высоковольтных электрических машин [Электронный ресурс] – Режим доступа: Компания DIMRUS – (дата обращения: 15.10.18).
  9. Сайт компании DGM KZ Краткая информация о частичных разрядах (ЧР) и их измерении [Электронный ресурс] – Режим доступа: Компания DGM KZ – (дата обращения: 17.10.18).
  10. Выдержка из книги Бажанов С.А. Профилактические испытания изоляции оборудования высокого напряжения [Электронный ресурс] – Режим доступа: Большая энциклопедия нефти и газа – (дата обращения: 14.11.18).
  11. Выдержка из книги Бажанов С.А. Профилактические испытания изоляции оборудования высокого напряжения [Электронный ресурс] – Режим доступа: Большая энциклопедия нефти и газа – (дата обращения: 10.12.18).
  12. Сушка изоляции генераторов [Электронный ресурс] – Режим доступа: Электронный ресурс KazEDU – (дата обращения: 16.12.18).