Повышение долговечности работы щеточно-контактного аппарата турбогенератора за счет использования смазывающих щеток, выполненных на основе дисульфида молибдена

УДК 621.3.047

Повышение долговечности работы щеточно-контактного аппарата турбогенератора за счет

использования смазывающих щеток, выполненных на основе дисульфида молибдена

А. И. Изотов, А. А. Фоминых, С. В. Никулин, Д. К. Прокошев, А. Б. Леготин, Н. В. Тимина

Вятский государственный университет, г. Киров, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-31-37

Аннотация - Предложен способ снижения неравномерности распределения тока многощеточных систем скользящего токосъема с уменьшением их износа за счет установки на контактные кольца смазывающих щеток, выполненных на основе дисульфида молибдена, которые обеспечивают образование на поверхности контактных колец смазывающего наноразмерного покрытия. Представлены результаты промышленных испытаний по оценке эффективности применения смазывающих щеток на токосъемных кольцах турбогенератора ТВВ-320-2У3, которые показали, что их использование позволяет уменьшить износ электрощёток марок 6110 ОМ+М и ЭГ2А+М в 1,2 и 2,1 раза соответственно, неравномерность распределения тока по параллельно работающим щеткам за счет стабилизации дуги контактирования, а также температуру щеточно-контактного аппарата вследствие снижения коэффициента трения щеток.

Ключевые слова: смазывающие щетки, электрические щетки, токораспределение, износ, контактные кольца, политурная пленка.

I. Введение

В турбогенераторах широко применяются многощёточные узлы скользящего токосъёма. Как показывает опыт эксплуатации, работа этих узлов характеризуется неравномерным распределением тока по параллельно работающим щёткам, что приводит к перегрузке отдельных щёток, их последующему нагреву и разрушению. Более четверти общего числа отказов турбогенераторов приходится на щёточно-контактный узел [1].

Целью данной статьи является оценка возможности повышения долговечности работы щеточно-контактного аппарата турбогенератора путем снижения износа электрических щеток, уменьшения неравномерности токо-распределения по параллельно работающим щеткам и температурной напряжённости контактного узла. Задача решена путем установки в дополнительные щеткодержатели щеточно-контактного аппарата турбогенератора смазывающих нетокопроводящих щеток, выполненных на основе дисульфида молибдена. Данный способ разработан коллективом кафедры «Электрические машины и аппараты» Вятского государственного университета совместно с ООО «ЭФ-КОНТЭЛ» (г. Москва) [2, 3].

II. Методика проведения испытаний

Эксперимент проводился на турбогенераторе типа ТВВ-320-2У3, на контактных кольцах щеточно-контактного аппарата которого используются электрощетки типа ЭГ2АФ+М (кольцо отрицательной полярности) и 611ОМ+М (кольцо положительной полярности). Щеточный аппарат генератора ТВВ -320-2У3 оснащен двумя четырехдорожечными токосъемными кольцами, каждая дорожка оборудована 14 щеткодержателелями типа ДБУ, как показано на рис. 1.

Использование электрощеток с индексом +М [4] обеспечивает возможность работы контактного узла с половинным рабочим комплектом (28 штук на кольцо) за счет оригинальной конструкции токоподвода к угольному телу щетки с использованием латунной скобы. При этом число рабочих электрических щеток на дорожке составляет 7 штук размером 20*32*64 мм вместо 14 ординарной конструкции. Это позволило для проведения исследования использовать 4 щеткодержателя для установки смазывающих щеток.

С целью оценки возможности использования смазывающих щеток в щеточно-контактном аппарате испытуемого генератора был произведен расчет микротемператур в зоне контакта электрощетка - контактное кольцо при помощи программы моделирования подвижного электрического контакта «CONTACT» [5]. Для использования данного программного комплекса были проведены натурные испытания для определения средней температуры контактного узла, и на основании полученных данных выполнена оценка микротемпературы в зоне непосредственного контакта щетка - кольцо. Результаты моделирования показали, что температура в зоне микроконтакта не превышает 300оС, что делает возможным использование смазывающих щеток, выполненных на

основе дисульфида молибдена (при температуре, превышающей 400оС, смазка теряет свои свойства и переходит в оксид - абразив).

Контактные кольца

+ —

|_V_ и_О

Ш\ 1 Н1 Ж 1

(_Ш1_1Н 1_ш

Г 1Н1 1 I 1Н1 1

1 ИИ

Пустые щеткодержатели Щеткодержатели с такойедущими щетками

Рис. 1. Схема расположения электрических щеток по дорожкам

В дальнейшем были разработаны два варианта конструкции щеткодержателя под установку смазывающих щеток, обеспечивающих оптимальную толщину смазки в зоне контакта. По первому варианту в штатный щеткодержатель 1, представленный на рис. 2, устанавливается дополнительный 2, выполненный из изоляционного материала, на торцевой поверхности которого имеются упоры для защиты от провисания. В обойму дополнительного щеткодержателя устанавливается смазывающая щетка, выполненная составной в виде несущей 4 и контактной частей 3, подпружиненная двумя спиральными пружинами 5, обеспечивающими регулирование усилия в широком диапазоне (50-300 гр.). Крышка 6 обеспечивает нажатие на пружины 5, которая в свою очередь подпружинивается штатной пружиной щеткодержателя ДБУ. Основным достоинством данной конструкции является широкий диапазон регулирования величины нажатия на смазывающую щетку, а также изоляция дополнительной щетки от токопроводящего щеткодержателя. К недостаткам данной конструкции можно отнести сложность и трудоемкость ее изготовления.

Рис. 2. Конструкция дополнительного щеткодержателя под установку смазывающей щетки на турбогенератор мощностью 320 МВт: 1 - штатный щеткодержатель, 2 - дополнительный щеткодержатель, 3 - контактная часть смазывающей щетки, 4 - несущая часть смазывающей щетки, 5 - спиральные пружины, 6 - крышка

По второму варианту, показанному на рис. 3, в штатной щетке фрезеруется канал под установку контактной части смазывающей щетки, для стандартного щеткодержателя подбираются пружины, обеспечивающие оптимальную подачу смазки в зону контакта. Данная конструкция характеризуется простотой изготовления и поэтому в дальнейшем использовалась для проведения испытаний.

Рис. 3. Вариант конструкции установки смазывающих щеток: 1 - смазывающая щетка; 2 - тело штатной электрощетки

Генератор, оснащенный комплектом щеток (по 28 на положительном и отрицательном кольце), работал в течение 4 часов с 100% нагрузкой (ток возбуждения 1в=2200 А). Затем на 2 дорожки отрицательного кольца были установлены смазывающие щетки (рис. 4) (на 2 токовые - одна смазывающая) и в течение 5 часов проведены испытания по оценке влияния смазывающих щеток на стабилизацию токораспределения параллельно работающих щеток при 100% нагрузке.

Рис. 4. Схема расположения смазывающих щеток

Поскольку электрощетки на контактных кольцах располагались в шахматном порядке, смазка незначительно наносилась и на соседние дорожки.

III. Результаты испытаний

Анализ картины распределения тока ротора по электрощеткам при отсутствии смазывающих щеток показал, что токовая нагрузка имеет значительную неравномерность (табл. 1).

Результаты испытаний щеточно-контактного аппарата генератора после установки смазывающих щеток спустя 2 и 5 часов приведены в таблицах 2, 3, где приведены результаты распределения тока ротора, мгновенные значения токов 1& под щетками 1-ой и 2-ой дорожек отрицательного кольца, суммарный ток обмотки возбуждения У В , средний ток щеток , рассчитанный в соответствии с рекомендациями руководства по эксплуатации щеточно-контактного аппарата [6]. Кроме этого, приведены абсолютные отклонения тока всех

щеток от среднего значения &, рассчитанного по (1):

1 "

д = - Ж - !лу\ '

где п - количество щеток;

У1В

1лу •

п

Во время испытаний щеточного аппарата до установки смазывающих щеток максимальная токовая нагрузка под отдельными щетками достигала 120 - 140 А (щетки № 2, 6, 9), основная часть щеток работала с токовой нагрузкой 83 А. Три электрощетки нагружены не более чем на 50 А (№18, 21, 25, табл. 1). Среднее абсолютное отклонение в случае отсутствия смазывающих щеток составляет 29,5 А.

1=1

ТАБЛИЦА 1

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКА РОТОРА ПО ЭЛЕКТРОЩЕТКАМ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО КОЛЬЦА

№ дорожек У1В, А № щеток 4 > а 1лу' А * А

1 78

2 140

5 106

6 120

9 140

10 90

1;2 2044 13 87 73 29,5

17 60

18 41

21 40

22 80

25 50

26 80

28 25

Установка смазывающих щеток позволила уменьшить неравномерность токораспределения. Спустя 2 часа работы щеточно-контактного аппарата (табл. 2) максимальная токовая нагрузка стала составлять 130 А (щетка №9), основная часть щеток работала с токовой нагрузкой 75 - 80 А. Среднее абсолютное отклонение составляло 22 А.

ТАБЛИЦА2

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКА РОТОРА ПО ЭЛЕКТРОЩЕТКАМ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО КОЛЬЦА

№ дорожек 2 1•  А № щеток 4 > а А * А

1 77

2 111

5 90

6 111

9 130

10 48

1;2 2044 13 96 73 22,0

17 50

18 40

21 81

22 80

25 73

26 100

28 50

По мере увеличения длительности работы смазывающих щеток наблюдалось дальнейшая стабилизация то-кораспределения (табл. 3). По окончании эксперимента, спустя 5 часов работы, максимальная токовая нагрузка составляла 110 - 120 А (№6, 9, 22, 26), основная токовая нагрузка 70 - 75 А. Среднее абсолютное отклонение -18 А.

ТАБЛИЦА 3

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКА РОТОРА ПО ЭЛЕКТРОЩЕТКАМ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО КОЛЬЦА

№ дорожек 21• • А № щеток 1кг > А 1лу ' А * А

1 86

2 106

5 82

6 100

9 120

10 60

1;2 2200 13 90 78,6 17,8

17 69

18 50

21 85

22 111

25 75

26 100

28 63

Из анализа приведенных данных можно сделать заключение, что установка смазывающих щеток, выполненных на основе дисульфида молибдена приводит к более равномерному распределению тока между параллельно работающими щетками. Это объясняется тем, что смазка формирует более стабильную дугу контактирования, обеспечивающую постоянство сопротивления переходного слоя щетка - контактное кольцо 5 (рис. 5). Оно значительно больше (в 3-4 раза) [7] суммарного сопротивления, которое включает в себя переходное сопротивление между клеммой и поводком щетки 1, сопротивление контакта между клеммой щетки и траверсой щеткодержателя 2, сопротивление между поводком и телом щетки 3, сопротивление углеродного материала (тела щетки) 4. Известно, что контактная дуга при работе претерпевает значительные изменения, уменьшаясь в некоторые моменты времени до 1/1000 от теоретической дуги контактирования) [8, 9].

Рис. 5. Переходное сопротивление электрическая щетка - контактное кольцо

В табл. 4 приведены результаты тепловизионной съемки поверхности электрических щеток для случая отсутствия смазывающих при суммарном токе ротора равном 2044 А. Наиболее нагретая щетка имеет температуру 140 оС, средняя температура всех щеток дорожек № 1, 2 составляет 92 оС. Установка смазывающих щеток (табл. 4) и замер температуры спустя 2 часа наработки позволила снизить среднюю температуру электрических щеток до 89,1 оС, максимальную температуру до 110 оС при возросшем токе ротора равном 2150 А. При более длительной работы смазывающих щеток (4 часа) и более высоком значении суммарного тока ротора (2200 А) также наблюдается положительная динамика уменьшения температуры: средняя температура всех щеток - 88,8 оС, максимальную температуру наиболее нагретой щетки - 110 оС. Таким образом, установка смазывающих щеток, выполненных на основе дисульфида молибдена, позволила снизить среднюю температуру щеточно-контактного аппарата за счет уменьшения коэффициента трения щеток.

ТАБЛИЦА4

ТЕМПЕРАТУРА ЭЛЕКТРОЩЕТОК КОЛЬЦА ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ПОЛЯРНОСТИ ТОКА

№ дорожек 1, 2

№ щеток 1 2 5 6 9 10 13 17 18 21 22 25 26 28

Температура поверхности щетки, оС 78 88 104 91 140 92 63 82 71 115 110 89 88 77

Суммарный ток ротора, А 2044

Средняя температура, оС 92,0

Аналогичные данные по снижению температуры узла токосъема были получены на коллекторных двигателях переменного тока мощностью 2,4 кВт с материалом меди коллектора марки ПКМС (медь с добавкой серебра) [10]. Установка смазывающих щеток позволила снизить температуру коллектора в режиме холостого хода на 28оС и для случая работы под нагрузкой на 15оС.

Список литературы

1. Самородов Ю. Н. Причины и следствия аварий турбогенераторов // Энергия единой сети. 2014. № 2 (13). С. 70-80.

2. Izotov A.I. [et. а!]. The Influence of Mechanical Factors in Alternating Current Collector Machines on Level of Radio Noise // Russian Electrical Engineering. 2013. Vol. 84 (8). P. 463-465. DOI: 10.3103/S1068371213080075.

3. Пат. 112513 Российская Федерация, МПК H 01 R 39/00. Узел скользящего токосъема (варианты) / Изотов А. И. № 2011120198/07; заявл. 19.05.2011; опубл. 10.01.2012, Бюл. № 1.

4. Пат. 68791 Российская Федерация, МПК H 01 R 39/36. Электрощетка / Безчастнов Г. А., Румянцев В. В., Федоров И. В. № 2007132129/22; заявл. 24.08.2007; опубл. 27.11.2007, Бюл. № 33.

5. Плохов И. В. Комплексная диагностика и прогнозирование технического состояния УСТ турбогенераторов: автореф. дис. ... д-ра. техн. наук. С.-Пб, 2002. 36 с.

6. Руководство по эксплуатации ОБС.460.468 РЭ. Аппарат щеточно-контактный турбогенераторов.

7. Лившиц П. С. Скользящий контакт электрических машин. М. Энергия, 1974. 321 с.

8. Фоминых А.А. [и др.]. О неравномерности распределения тока узлов трения электрических машин / Общество, наука, инновации (НПК - 2014): всерос. ежегод. науч.-практ. конф.: сб. материалов, 15-26 апреля 2014 г. / Вят. гос. ун-т. - Киров, 2014.

9. Деева В. С., Слободян М. С., Слободян С. М. «Живучесть» щеточного контакта электрических машин // Электричество. 2013. № 4. С. 45-49.

10. Тимошенко В. Н., Изотов А. И. Снижение износов элементов узлов токосъема за счет применения СЩ // Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии: сб. тр. международной научно-технической конф. 5-6 декабря 2013. Омск: ОмГУПС, 2013. С. 128-130.

УДК 621.311

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ОТ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСТОЧНИКОВ 6 КВ НА ПОТЕРИ В ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЯХ НА ОСНОВЕ ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗА

Б. Ю. Киселёв1, Д. Д. Казанцев2

'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Нижневартовский государственный университет, г. Нижневартовск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-37-44

Аннотация - Для анализа несинусоидальных режимов систем электроснабжения необходимо точное определение параметров этого режима. Одними из таких параметров являются действующие значения напряжения и тока. В работе применяется метод основанный на вейвлет-преобразовании, который даёт возможность точно определять значения этих параметров от действия каждой гармонической составляющей, без потери информации во временной области. В работе рассматривается система электроснабжения при нестационарном и несинусоидальном режиме работы. Произведён анализ влияния высших гармоник от нелинейных источников 6 кВ на потери в линии электропередач. А именно рассчитаны действующие значения токов и потери в линии 6 кВ для каждой гармонической составляющей в отдельности. Результаты, полученные методом вейвлет-преобразования, сравнивали с результатами, полученными при помощи преобразования Фурье и аналитического расчёта. Для численного эксперимента была разработана имитационная модель в среде Matlab Simulink сети с нелинейной, нестационарной нагрузкой.

Ключевые слова: Вейвлет-анализ, качество электрической энергии, высшие гармоники, пакетное вейвлет-преобразование.

I. Введение

Для поставки электрической энергии потребителю система электроснабжения должна обладать рядом параметров, в том числе обладать определенным напряжением U и частотой f Изменения характеристик напряжения, соотнесенных с частотой, значениями, формой напряжения и симметрией напряжений в трехфазных системах электроснабжения могут привести к отклонениям от номинальных значений.

Данные изменения могут повлиять на нормальную работу электрооборудования. Исходя из условий работы потребителей допускается незначительное отклонение параметров от их номинальных значений ином и fKом.

В соответствии с российским ГОСТ 33073-2014 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Контроль и мониторинг качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» и европейским EN 50160:2010 «Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution networks» при продолжительном изменении характеристик напряжения питания, частоты, форме напряжения используют и применяют показатели и нормы качества электроэнергии (КЭ).

В настоящее время активно проводятся исследования по уменьшению потерь в сетях. Источниками возникновения таких потерь для рассматриваемой в данной работе сети могут быть объекты, рассмотренные в [1]. Для каждой системы электроснабжения электроприемники или объекты СЭС могут различаться, а соответственно, уровень влияние данных объектов на конкретную систему зависит от конкретных элементов этой системы.