СПОСОБ РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ ВИТКОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБМОТКИ РОТОРА ТУРБОГЕНЕРАТОРА С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ТОКА РОТОРА ПО ПАРАМЕТРАМ СТАТОРА
METHOD OF EARLY DETECTION OF TURN-TO-TURN SHORT CIRCUITS AND DIAGNOSTICS OF TECHNICAL STATE OF TURBINE GENERATOR ROTOR WINDING WITH DETERMINATION OF ROTOR CURRENT AS PER STATOR PARAMETERS

Изобретение относится к технике эксплуатации турбогенераторов, предназначено для технического контроля состояния турбогенераторов (ТГ) и оборудования систем ТГ и может быть использовано для диагностирования турбогенераторов любой мощности.
Опыт эксплуатации ТГ показывает, что недооценка опасности скрытых дефектов при их быстром развитии приводит к повреждениям ТГ и длительным восстановительным ремонтным работам.
Возникновению и развитию таких дефектов ротора ТГ, в основном, способствуют:
- динамические нагрузки на вращающиеся части ТГ, температурные воздействия внутри корпуса ТГ, загрязнения: пыль, масло;
- невозможность при работе ТГ непосредственного визуального или инструментального контроля и обнаружения на ранней стадии развивающего дефекта элемента ротора;
- отсутствие возможности непосредственного измерения тока ротора ТГ в случае установки бесщеточной системы возбуждения на ТГ;
- отсутствие автоматизированного непрерывного контроля и диагностирования сравнения и анализа текущих показаний различных датчиков прямого и косвенного измерения тока ротора, с расчетными значениями тока ротора.
Под током ротора в данном случае подразумевается основной ток ротора - ток возбуждения ТГ, соответствующий исправному состоянию генератора. Известен способ диагностики и контроля витковых замыканий в роторе синхронной машины, заключающийся в использовании на входе измерительного вольтметра сигнала с установленного вблизи поверхности вращающегося ротора синхронной машины неподвижного индукционного датчика при подаче в обмотку ротора постоянного тока, отличающийся тем, что производят спектральный анализ электродвижущей силы, наведенной в индукционном датчике (патент РФ №2192649, ОАО «Электросила», дата публикации 10.11.2002). Недостатком способа является отсутствие заключения и отображения о количестве короткозамкнутых витков при появлении дефекта и необходимость перевода ТГ в режим холостого хода, по сигналу возможного виткового замыкания для анализа и сравнения кривых ЭДС, амплитуд и фаз спектральных составляющих с паспортными данными и определения степени тяжести аварии.
Известен способ нахождения междувитковых замыканий в обмотках роторов при питании их переменным током (см. Гемке Р.Г. Неисправности электрических машин. Энергоатомиздат, Л., 1989, стр.182-185). Для турбогенераторов этот способ дает надежные результаты, если сняты бандажи и выведены междуполюсные и междукатушечные соединения, что означает практически разборку ротора и ведет к большим потерям времени и средств, поскольку при снятии бандажей возможен перегрев подбандажной изоляции и часто требуется ее замена. Во время вращения ротора этот способ применяется при установке вспомогательного контактного кольца и щетки.
Известен способ контроля витковых замыканий в роторе с помощью прибора типа ИВЗ (индикатор витковых замыканий), подобного выпускаемому фирмой "Парсонс" генератору, посылающему импульсы с крутизной фронта 75 нс (Wood J.W., Hindmarch R.T. Rotor winding short detection. // IEEE Proceedings. 1986. Vol.133, pt B, N 3. P.181-189). Сравнивая форму отраженных сигналов с калибровочными кривыми, делают заключение о наличии витковых замыканий в роторе. При истолковании полученных результатов возникают трудности ввиду неоднозначности качественного сравнения. Этот недостаток характерен и для других способов контроля витковых замыканий.
Известен способ контроля витковых замыканий в роторе с помощью выдвинутой в воздушный зазор из статора испытательной катушки, электродвижущая сила которой, наведенная полем ротора, подается на осциллограф, и по форме кривой делают заключение об отсутствии витковых замыканий в роторе (см. Алексеев А.Е., Костенко М.П. Турбогенераторы, ГЭИ, М. - Л., 1939, стр.201, 341). Этот способ нашел широкое применение. Например, половина турбогенераторов мощностью 500 и 660 МВт в Великобритании оснащена датчиками магнитного поля для обнаружения витковых замыканий в роторе (Jackson R.J., Roberts I.A., Thurston R.C., Worsfold J.H. Generator rotor monitoring in the United Kingdom. // CIGRE. 1986. Report 11-04, 8 p.). Недостатком этого способа является субъективность качественного заключения по форме кривой. Отсутствие количественных критериев приводит к неоднозначности выводов о наличии витковых замыканий в роторе.
Технический результат изобретения заключается в повышении достоверности оценки состояния ТГ путем использования математической модели электрических параметров ТГ в режиме реального времени, позволяющей выполнять на ранней стадии определение развивающихся дефектов обмотки ротора ТГ
Способ раскрыт на примере выявления виткового замыкания в обмотке ротора, согласно структурной схеме расчета (фиг.2), с применением блок-схемы устройства (фиг.1).
Сущность изобретения заключается в том, что по измеряемым одновременно текущим электрическим параметрам статора производится расчет эталонного тока ротора, соответствующего данному режиму работы, производится расчет количества короткозамкнутых витков в роторе и по началу появления количества короткозамкнутых витков, на ранней стадии выявляется дефект ротора в режиме нормальной эксплуатации ТГ. Это позволяет принять меры по предупреждению повреждения ротора.
Достигается технический результат за счет того, что предварительно в систему обработки данных устройства:
- заносятся в таблицу 1 фиг.4 для каждого ТГ заводские номинальные исходные данные и данные последних испытаний на нагревание, калибровочные данные индукционных датчиков тока ротора, расчетные данные тока ротора по нагрузочной характеристике возбудителя (для бесщеточной системы возбуждения):
Р - активная мощность, МВт,
Q - реактивная мощность, МВАр,
U - напряжение, кВ,
f - частота тока, Гц,
рн
I - ток ротора номинальный,
n - количество витков обмотки ротора,
d*
!
x  - продольное переходное индуктивное сопротивление генератора,
15
r - сопротивление обмотки ротора постоянному току при температуре 15°C,
fa
I - расчетное значение тока реакции статора ТГ,
fk
I - значение тока возбуждения по ХКЗ, соответствующий номинальному току статора,
х.х.х. - характеристика холостого хода,
х.к.з. - характеристика короткого замыкания,
- производят расчет дополнительных параметров, расчет номинального тока ротора, результаты расчета вносят в базу исходных данных устройства - в таблицу 1 фиг.4;
- измеряют электрические параметры текущего режима работы ТГ:
р изм
Р - активная мощность, МВт, Q = реактивная мощность, МВАр, U - напряжение статора, кВ, f - частота тока, Гц, I - ток ротора А,
PЭ
- рассчитывается текущий эталонный ток ротора I по математической модели фиг.3.
Определяется количество короткозамкнутых витков по формуле:
где
кз
n - количество витков, которые замкнулись,
n - общее количество витков обмотки ротора,
РЭ
I - эталонный ток ротора (т.е. рассчитанный по параметрам статора),
P изм
I - ток ротора, измеренный в текущем режиме.
кз
При наличии короткозамкнутых витков n≥1 (более одного витка) срабатывает сигнализация, что свидетельствует о начале повреждения в обмотке ротора.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - блок-схема устройства, позволяющего реализовать способ выявления виткового замыкания в обмотке ротора по результатам сравнения расчетного эталонного и измеренного значений тока ротора и расчета короткозамкнутых витков в роторе при текущей электрической нагрузке, и их изменений.
Фиг.2 - структурная схема расчета эталонного тока ротора.
PЭ
кз
Фиг.3 - математическая модель расчета I и n.
Фиг.4 - таблица 1, которая содержит заводские исходные данные и данные последних испытаний на нагревание, дополнительные расчетные данные.
Фиг.5 - поясняющая диаграмма Потье.
Фиг.6-9 - XXX и ХКЗ с таблицами данных, полиномы уравнений XXX.
p
p
р
Фиг.10 - полином уравнения зависимости корректирующего коэффициента k=f(E) от ЭДС Е по результатам тепловых испытаний.
Устройство содержит:
Блок 1 обработки параметров теплового состояния генератора для j-го режима текущей нагрузки.
Датчики температуры 2.
Датчики тока и напряжения 3.
c
Блок 4 обработки электрических параметров и расчета S, I, cosφ, sinφ, для j-го режима текущей нагрузки.
Блок 5 обработки исходных, дополнительно расчетных данных и обработанных данных текущего режима ТГ, поступающих с блоков 1 и 4 для расчета эталонного тока ротора и количества короткозамкнутых витков.
Блок 6 отображения параметров технического состояния генератора на экране монитора.
Блок 7 индикации.
В качестве примера приведен рассчитываемый эталонный ток ротора ТГ типа ТВВ-500-2УЗ по структурной схеме расчета фиг.2:
Предварительно определяется эталонный расчетный ток ротора и коэффициенты приведения параметров статора к обмотке возбуждения ротора при номинальных параметрах статора.
Номинальные данные:
c
fa
fк
d*
рн
!
Р = 500 МВт, Q = 310 MBAp, U = 20 кВ, Cosφ=0,85, f = 50 Гц, n=126 витков, I = 2310 A, I = 2550 A, x =0,355, I=3530A - расчетное значение номинального тока ротора.
Рассчитывается полная мощность S по формуле:
,
где S - полная мощность,
f
p
T
- вычисляется поправочный коэффициент k, учитывающий изменение падения напряжения на расчетном индуктивном сопротивлении рассеивания Потье x при отклонении текущей частоты f от номинальной, равной 50 Гц, по формуле:
,
f
k=50/50=1,
c
- рассчитывается ток статора по формуле I.
c
c
- определяется sinφ угла сдвига фаз между напряжением U и током I по формуле:
,
2
sinφ=(1-0,85))^0,5=0,5268
p*
- определяется x - расчетное индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря, по формуле:
,
p*
x=0,81972*0,355=0,291
p
- определяется x в именованных единицах по формуле:
x
=
√3
1
=
p
0,355*0,81972*20/*70,19766 Ом;
Xp
p
- определяется ΔU падение напряжения на x по формуле:
,
Xp
ΔU=√3*17*0,19766*1=5,82 кВ;
fsн
Xp
- определяется по исходным данным составляющая тока возбуждения I, индуктирующая электродвижущую силу ЭДС рассеивания, пропорциональная и равная падению напряжения ΔU на индуктивном сопротивлении Потье,
I
=
=
fsн
2550-2310240 A
s
fsн
Xp
сн
- определяется по начальной прямолинейной части XXX (поясняющая диаграмма Потье фиг.5, XXX для ТВВ-500-2УЗ фиг.7) коэффициент k - приведения намагничивающей силы рассеивания или тока рассеяния статора к обмотке возбуждения и соответствующий току ротора I для создания падения напряжения ΔU, в режиме короткого замыкания при токе статора, равном номинальному току I по формуле:
,
s
k=√3*17*0,19766/0,240=24,25 кВ/кА
β
- определяется по ХКЗ (фиг.5, фиг.7) коэффициент k - приведения полной намагничивающей силы или номинального тока статора к обмотке возбуждения в режиме короткого замыкания по формуле:
β
k=17/2,55=6,6666
a
- определяют по XXX и ХКЗ (фиг.5, фиг.7) коэффициент k - приведения намагничивающей силы или тока реакции статора к обмотке возбуждения в режиме короткого замыкания по формуле:
a
k=(24,25-√3*0,19766*6,6666)/24,25*6,6666=0,1359;
P
- определяется результирующая электродвижущая сила ЭДС Е по векторной диаграмме напряжений генератора (фиг.5) и по формуле:
P
C
- определяется sin(γ+φ) - угла между векторами E и I по формуле:
sin(γ+φ)=(5,8+20*0,5268)/23,59=0,693
- определяется cos(γ+φ+90°) - угла между составляющими тока ротора по совмещенной диаграмме напряжений и диаграмме намагничивающих сил генератора (по диаграмме Потье фиг.5) по формуле:
f
- после этого производится экстраполяция XXX ТГ зависимости I=f(U) для получения полинома:
где
а
a
0
n
- - коэффициенты полинома.
frj
pj
В режиме холостого хода E=U и ток ротора I для j-го режима определяется по соответствующей этому току, результирующей ЭДС E. Подставив в (16) полученные при экстраполяции XXX коэффициенты полинома, уравнение полинома для конкретного генератора принимает вид:
frj
рj
рj
pj
рj
pj
pj
I=-623567,89+183460*Е-22434,1*Е^2+1460,4*Е^3-53,346*Е^4+1,0363*E^5-0,0083576*E^6,
frн
р
- определяется ток возбуждения I, по соответствующей этому току результирующей ЭДС Е=23,59 для номинального режима:
frн
I=-623567,89+183460*23,59-22434,1*23,59^2+1460,4*23,59^3-53,346*23,59^4+1,0363*23,59^5-0,0083576*23,59^6=1,511 кА
fн
- определяется расчетный номинальный ток ротора I по диаграмме намагничивающих сил генератора фиг.5 по формуле:
s
a
Полученные дополнительные расчетные данные k, k, полиномы с рассчитанными коэффициентами имеют для каждого конкретного генератора вполне определенные значения и вносятся в базу данных блока 5 устройства, таблицу 1 - «Заводские исходные данные, дополнительно, рассчитанные данные и данные последних испытаний на нагревание» (фиг.4). Аналогично рассчитываются параметры и для остальных типов ТГ.
Далее с помощью устройства фиг.1 рассчитывается эталонный ток ротора в режимах, различных от номинального режима, с использованием математической модели фиг.3 и данных таблицы 1 (фиг.4). Для примера приведен расчет для ТГ типа ТВВ-500-2УЗ:
Режим ТГ типа ТВВ-500-2УЗ:
c
p
Р=304 МВт, Q=12 МВАр, U=19,90 кВ, f = 50 Гц, I=1784 А - измеренный ток ротора.
Датчики тока и напряжения 3 устройства измеряют соответственно ток, протекающий по обмотке статора, и напряжение статора, активную и реактивную мощность, частоту в энергосистеме, датчик тока ротора измеряет соответственно ток, протекающий по обмотке ротора. Сигналы, несущие информацию о величине тока и напряжения статора, активной и реактивной мощности, поступает на вход блока 4, который вычисляет:
- текущее значение полной мощности;
;
- ток статора;
- коэффициент, определяемый по формуле (3)
f
k=50/50=1;
- cosφ - угла сдвига фаз между током и напряжением по формуле:
- sinφ - угла сдвига фаз между током и напряжением по формуле (5)
2
sinφ=(1-cosφ)^0,5
2
sinφ=(1-0,9967)^0,5=0,041.
fЭ
кз
Далее, сигналы, несущие информацию о величине измеренного тока ротора и результатов расчетов, полученных в блоке 4, поступают в блок 5 - расчета эталонного тока ротора I при текущей нагрузке и определения количества короткозамкнутых витков n в роторе.
В блоке 5, по данным, поступившим с блока 4, по исходным и рассчитанным для номинального режима дополнительным параметрам, при наличии сигнала с блока 1 в блок 5, об установившемся тепловом режиме генератора, определяется базовый ток ротора, рассчитывается количество короткозамкнутых витков по формуле (1). Для этого в блоке 5 предварительно рассчитывается:
Xp
c
- падение напряжения на индуктивном сопротивлении Потье ΔU при полученном расчетном текущем токе статора I по формуле:
,
где
fsн
н
I - ток возбуждения для создания ЭДС рассеяния в режиме короткого замыкания при токе статора, равном номинальному - I, определенный по формуле (9),
s
н
k - коэффициент приведения намагничивающей силы или тока рассеяния статора к обмотке возбуждения в режиме короткого замыкания при токе статора, равном I, определенный по формуле (10),
f
k - коэффициент, учитывающий отклонение частоты, определяемый в текущем режиме по формуле (3)
Xp
ΔU=0,240*24,25*1*8,849/17=3,029 кВ
fa
с
- ток реакции статора I при токе I по формуле:
,
где
a
k - коэффициент приведения намагничивающей силы или тока реакции статора к обмотке возбуждения в режиме короткого замыкания при токе статора, равном номинальному, определенный по формуле (12),
fa
I=8,849*0,1359=1,202 кА;
- результирующая электродвижущая сила ЭДС генератора по формуле (13),
Р
С
-sin(γ+φ) - угла между векторами Е и I по формуле (14),
sin(γ+φ)=(3,029+19,9*0,5268)/20,256=0,190;
-cos(γ+φ+90°) - угла между составляющими тока ротора по формуле (15):
cos(γ+φ+90°)=-sin(γ+φ)=-0,190;
р
- определяется составляющая расчетного тока ротора, для создания результирующей ЭДС Е=20,256 кВ по формуле (16):
fp
I=-623567,89+183460*20,256-22434,1*20,256^2+1460,4*20,256^3-53,346*20,256^4+1,0363*20,256^5-0,0083576*20,256^6=1,127 кА.
fa
fp
f
По рассчитанным I, I определяется расчетный ток I по формуле (17);
p
d
рн
pj
pj
pj
- определяется корректирующий коэффициент k, учитывающий статистическое изменение синхронного индуктивного сопротивления обмотки статора x при изменении значения результирующей ЭДС Е=23,59 кВ для номинального режима, до значения результирующей ЭДС E=20,256 кВ j-го текущего режима, которое соответствует реальному состоянию насыщения магнитной цепи в данном режиме работы по графику зависимости k=f(E), полинома исходной базовой характеристики (фиг.4 таблица1), полученной при проведении испытаний на нагревание, когда генератор считается заведомо исправным, по формуле:
а
a
0
n
- - коэффициенты полинома для конкретного генератора,
p
k=1,678*10^-8+1,224*10^-4*20256-4,749*10^-9*20256^2+5,742*10^-14*20256^3=1,008
p
- определяется эталонный ток ротора с учетом k по формуле:
РЭ
I=1,798/1,008=1,784 кА
- определяется количество короткозамкнутых витков по формуле (1)
кз
РЭ
P изм
n=n(1-I/I)=126(1-1,784/1,784)=0 витков
Сигналы, несущие информацию с выходов блоков 1, 2, 3, 4 и 5, поступают на соответствующие входы блока 6 отображения параметров технического состояния генератора на экране монитора.
кз
кз
кз
Сигнал с выхода блока 5, несущий информацию о величине n, поступает на вход блока 7 отображения индикации сигнала, который осуществляет контроль параметра n в интервале 0<n<1.
кз
В случае, когда количество короткозамкнутых витков n превышает более 1-го витка, блок 7 отображает сигнал о появлении дефекта в роторе генератора.
Предложенный способ отличается простотой, дает однозначные выводы о наличии витковых замыканий в роторе, не требует дополнительного изменения конструкции ТГ, установки дополнительных измерительных приборов.