СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЦЕПЕЙ ГЕНЕРАТОРОВ С ВОДЯНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
METHOD FOR PROTECTION OF CIRCUITS IN WATER-COOLED GENERATORS

Изобретение относится к технологическому контролю мощных генераторов и может быть использовано на электростанциях для защиты от увлажнения изоляции электрических цепей генераторов.
В мощных электрических генераторах выделяется большое количество тепловой энергии (порядка 250 кВт на каждый кубический метр активного объема машины), ведущей к росту температуры до значений, превышающих допустимую при длительной эксплуатации элементов генераторов (обычно не выше 110°С) [1, стр.318, 319]. Для поддержания температурного режима в объеме генераторов применяют системы охлаждения. В современных генераторах большой мощности используются системы охлаждения двух типов [2, раздел 6]:
- водородно-водяная,
- с полным водяным охлаждением.
В первом случае охлаждающая вода прокачивается через полые токопроводы статорной обмотки, а ротор и металлические детали охлаждаются продуваемым сквозь специальные каналы водородом. Подобные системы характерны для турбогенераторов мощностью от 60 до 360 МВт.
В системах второго типа водой, прокачиваемой через токопроводы статора, ротора и специальные закладные трубки активной стали статора, охлаждаются все элементы генератора. Защита изоляции обмоток от попадания влаги обеспечивается продувкой осушенным воздухом активного объема генератора. Подобные системы характерны для турбогенераторов мощностью 800 МВт и более.
Большую опасность для работоспособности генераторов представляет увлажнение изоляции обмоток статора и ротора, ведущее к коротким замыканиям с катастрофическим разрушением генераторов [3, стр.15, 38, 65-68]. Вероятность такого события удается снизить за счет пропускания охлаждающего газа, в котором со временем повышается концентрация паров воды, через осушитель. Таким образом, система охлаждения включает в себя источник чистого сухого газа (для подпитки газа в объеме генератора), систему осушки газа, газоохладитель, нагнетающие вентиляторы, трубопроводы с запорной арматурой [4, стр.42-47].
Однако наличие осушителя газа не исключает увлажнения изоляции обмоток. Это связано с двумя группами причин [4, стр.57]. Первая группа причин ведет к медленному повышению концентрации паров воды: отказ холодильной машины в системе осушки газа, отказ вентилятора или газовой арматуры. При подобных отказах нет необходимости аварийно выводить генератор из рабочего режима. Достаточно увеличить подпитку генератора сухим газом или подключить резервный осушитель газа.
Вторая группа причин связана с утечками воды из токопроводов статора, ротора, подводящих шлангов, уплотнений или охладителя газа. В подобных случаях необходимо вывести генератор из рабочего режима за минимальное время и перекрыть подачу воды до того, как начнется интенсивное увлажнение элементов генератора (аварийный режим).
Известен способ релейной защиты цепей генераторного напряжения блока генератор-трансформатор с непосредственным водяным охлаждением и устройство для его осуществления по патенту РФ №2066910 [5]. Согласно способу на цепи генераторного напряжения накладывают переменные токи двух частот и определяют эквивалентную активную проводимость изоляции и охлаждающей среды и тангенс угла диэлектрических потерь. По полученным данным вырабатывают команду отключения, если хотя бы один из этих параметров превысит допустимое значение.
Способ обладает двумя существенными недостатками: низким быстродействием и высокой погрешностью. Первый недостаток вытекает из того обстоятельства, что сопротивление изоляции и тангенс угла потерь функционально связаны с увлажнением изоляции, а это весьма инерционный процесс. Второй недостаток связан с непостоянством параметров изоляции и воды охлаждения в штатном режиме работы генератора. Согласно [2, пункт 4.12] сопротивление изоляции должно быть не ниже 10 МОм на каждый киловольт напряжения обмотки при температуре 30°С и допускается его снижение в два раза при изменении температуры на 20°С; аналогично для воды [4, пункт 6.12] удельное сопротивление должно быть не меньше 2000 Ом·м при температуре 25°С и допускается его изменение до 500 Ом·м.
Наиболее близким техническим решением является система измерения концентрации влаги в генераторе с полным водяным охлаждением ТЗВ - 800 - 2УЗ, описанная в разделе 16 «Вентиляция и осушка газа турбогенератора» Инструкции по эксплуатации ТЗВ - 800 - 2УЗ [6, стр.51-59]. Согласно [6] воздух в генераторе циркулирует по замкнутому контуру: сухой воздух засасывается вентилятором и под давлением 10 - 30 мм водяного столба направляется в центральную часть генератора. Воздух протекает в обе стороны от центра к лобовым частям генератора (со стороны турбины и возбудителя), где он, уже насыщенный влагой, подается в осушитель газа. После осушителя сухой воздух поступает на вентилятор, описанный выше.
Для контроля концентрации влаги в рабочем объеме генератора установлены 7 узлов отбора проб воздуха: один на выходе вентилятора (сухой воздух) и по три узла в лобовых частях генератора. К узлам отбора подключены гигрометры «Волна - 2М». При достижении показаний влажности 20°С по точке росы и выше генератор должен быть отключен от сети в течение 5 минут [6, пункт 4.9.23].
Измерение влажности газа более динамичный метод, чем измерение влажности изоляции обмоток, поскольку влага распространяется в объеме генератора за счет принудительной диффузии, задаваемой скоростью прокачки газа вентиляторами. Однако в рассмотренном техническом решении есть два существенных недостатка.
Первый недостаток. Низкая точность измерения концентрации влаги. В первую очередь это связано с нестабильностью метрологических характеристик сенсоров, преобразующих концентрацию паров воды в параметр электрического сигнала и, во-вторых, зависимостью показаний гигрометра от термодинамического состояния газа (температуры, давления), омывающего сенсор. Как правило, рядом с сенсором влажности размещают термометр сопротивления, по показаниям которого вводят необходимые поправки в результат измерения влажности. Но это делается с погрешностью измерения температуры, а давление вообще не измеряется.
Второй недостаток. Рассматриваемая схема и совокупность выполняемых ею операций не позволяют различить характер достижения предельного значения концентрации паров в газе - произошло ли это по причинам первой группы (не требующим вывода генератора из рабочего режима) или второй (аварийный режим).
Технической задачей, решаемой изобретением, является идентификация аварийного режима в генераторах с водяным охлаждением, связанного с утечками воды и уменьшением времени его обнаружения. Поставленная задача достигается тем, что в генераторе с водяным охлаждением в N точках производят отбор газа из объема генератора, а измерения влажности во всех точках отбора, согласно изобретению, осуществляют одним измерителем концентрации влаги последовательно, из результатов текущих измерений в N-1 точке отбора проб вычитают значение влажности в N-й точке отбора заведомо наиболее сухого газа и по скорости изменения разностных данных судят об аварийных протечках воды.
Рассмотрим реализацию способа на примере кратко описанного выше турбогенератора ТЗВ - 800 - 2УЗ. Все 7 точек отбора пробы подключаются через газовый переключатель к одному измерителю влажности. Переключателями могут быть газовый коммутатор или набор из 7 пневматических реле. Однако, в рассматриваемом конкретном случае, учитывая низкие избыточные давления воздуха в объеме генератора, целесообразно использовать побудители расхода; они позволяют снизить время прохождения воздуха от точки отбора пробы до измерителя влаги. Последовательностью включения побудителей расхода и выполнением измерений влажности управляет микропроцессорный узел, который может выполнять дополнительно вычислительные процедуры или передавать результаты измерений в компьютер.
Устройство работает следующим образом. В первом цикле измерений (n=1, где n - номер цикла) получаются значения влажности в 7 точках отбора проб:
i
где F - значение влажности в i точке отбора пробы (i=1, 2,…, N=7), цифра в скобках означает номер цикла измерений.
Во втором цикле измерений, выполняемым через известный интервал времени Δt, будут получены результаты измерений:
Среди всех точек отбора проб есть одна выделенная, отличающаяся тем, что влажность газа в зоне отбора минимальна. Это та точка, которая расположена за вентилятором, нагнетающим сухой газ. Припишем ей номер N.
Согласно изобретению далее вычисляются разности:
1-2
Далее вычисляются скорости V изменения разностных данных, т.е. изменение приращений значений влажности относят к интервалу опроса Δt:
1-2
2-3
n-1-n
Запись V (i) означает, что скорость нарастания концентрации влаги соответствует i-й точке отбора пробы; вычисления проводятся по результатам измерений в первом и втором циклах. В следующем цикле измерений по формулам (3), (4), (5) будут получено значение скорости изменения концентрации влаги V (i) и так далее в каждом цикле до n, после которого будет получено значение скорости V (i). По значениям скорости нарастания влагосодрежания газа идентифицируют характер процесса повышения концентрации влаги в нем (отказ оборудования газовой системы или аварийная протечка воды в корпусе генератора).
Рассмотрим два числовых примера, поясняющих возможности предлагаемого способа защиты.
Предположим, показания влагомера в нескольких точках отбора проб оказались близки к предельно допустимым значениям (15°С по точке росы), а скорость нарастания концентрации мала, например, 0,05°С по точке росы в минуту. Это означает, согласно (5), что сухой газ (в точке отбора номер N) сильно увлажнен. Вывод: вышел из строя один из элементов системы осушки газа. И хотя концентрация влаги в газе велика, нет необходимости аварийно выводить турбогенератор из работы. Достаточно определить отказавший элемент (осушитель, вентилятор) и заменить его резервным.
Второй случай. Значения концентрации влаги в точках отбора i, i+1 равно 4°С по точке росы, но концентрация нарастает со скоростью 0,5°С по точке росы в минуту. Такая скорость нарастания концентрации влаги сигнализирует о наличии течи воды (например, в одной из лобовых частей генератора), переходящей в паровую фазу. И хотя абсолютное значение концентрации влаги весьма далеко от предельного значения 15°С по точке росы, система должна выдать сигнал аварийной сигнализации.
Последовательность коммутации точек отбора газа в цикле может быть любая, но предпочтительно каждый цикл начинать с точки отбора заведомо сухого газа. При этом отпадает необходимость хранить в памяти микропроцессора результаты измерений концентрации влаги в других точках, поскольку разности (3), (4) и скорости (5) вычисляются сразу же по мере поступления результатов измерений из других точек отбора газа.
k
Для подтверждения достижения изобретением поставленной цели определим погрешности разностей значений концентрации влаги, вычисляемых по выражениям (3) и (4). В общем виде рассмотрим погрешность δ[ΔF(i)] разности для k-й точки отбора газа в i-м цикле:
k0
N0
k
N
k
N
Значения входящих в выражение (6) результатов измерений состоят из истинных значений измеряемых величин (F(i) и F(i) соответственно), систематических составляющих погрешности (θ и θ соответственно) и случайных составляющих ε и ε. С учетом сказанного выражение (6) можно записать в виде:
k
k0
N0
k
N
k
N
δ[ΔF(i)]=δ[F(i)-F(i)+θ-θ+ε-ε].
k
N
Поскольку, согласно изобретению, измерения выполняются одним измерительным каналом, то систематическая составляющая погрешности во всех измерениях постоянна, т.е. θ=θ, а их разность равна нулю. Следовательно
k
и погрешность разности будет иметь только случайную составляющую погрешности, характеристикой которой является среднее квадратическое отклонение σ[ΔF(i)]. Для ее определения предварительно вычислим дисперсию выражения (7):
k
k0
N0
k
N
k0
N0
k
N
D[ΔF(i)]=D[F(i)-F(i)+ε-ε]= D[F(i)-F(i)]+D[ε-ε].
k0
N0
Дисперсия разности F(i) - F(i), как постоянного числа, равна нулю; остается выражение, которое преобразуем по свойству дисперсии суммы (разности) случайных величин:
k
N
где σ, σ - средние квадратические отклонения погрешностей измерений концентрации влаги, отобранной в k-й и N-й точке соответственно;
kN
k
N
ρ - коэффициент корреляции между случайными составляющими погрешности ε и ε.
kN
Результаты измерений из всех точках отбора получены одним измерительным каналом в одном цикле опроса, за малый интервал времени (1-2 минуты), следовательно, случайные погрешности всех результатов измерений очень сильно коррелированны, т.е. ρ≈1. С учетом этого условия последние выражение преобразуется к виду
k
а среднее квадратическое отклонение σ[ΔF(i)] окончательно равно
С учетом того, что средние квадратические погрешности относятся к одному каналу измерений, разность их близка к нулю. Поэтому чувствительность и достоверность данных по скорости изменения концентрации влаги в газе обеспечивается при малых приращениях абсолютных величин влагосодрежания.
Если погрешность, например, гигрометра «Волна - 2М» равна 2%, то погрешность разности двух последовательных измерений с интервалом в 2 минуты в сто раз меньше.
Вот это обстоятельство, положенное в основу предлагаемого способа защиты цепей генератора, позволяет достоверно обнаруживать малые изменения концентрации влаги в рабочем объеме генератора весьма грубыми приборами. А определение скорости нарастания концентрации дает достаточную и достоверную информацию для классификации причины роста влагосодержания и принятия обоснованного решения о вводе в действие резервного оборудования газовой системы генератора или аварийного вывода турбогенератора из работы.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент.: Справочник. / Под общ. ред. чл.-корр. АН СССР В.А.Григорьева, В.М.Зорина. - М.: Энергоатомиздат, 1988, книга 2.
2. ГОСТ 533-2000 (МЭК 34-3-88) Межгосударственный стандарт.
Машины электрические вращающиеся. Турбогенераторы. Общие технические условия.
3. Алексеев Б.А. Определение состояний (диагностика) крупных турбогенераторов. - М.: «Издательство НЦ ЭНАС», 2001.
4. РД 153-34.0-45.512-97. Типовая инструкция по эксплуатации газомасляной системы водородного охлаждения генераторов. Утверждена Департаментом науки и техники РАО «ЕЭС России» 18.06.1997 г.
5. Описание изобретения к патенту РФ №2066910, кл. Н02Н 7/06. Способ релейной защиты цепей генераторного напряжения блока генератор-трансформатор с непосредственным водяным охлаждением и устройство для его осуществления.
6. Инструкция по эксплуатации турбогенератора Т3В-800-2УЗ. Утверждена главным инженером ОАО «Рязанская ГРЭС» 18.10.2007 г.