Разработка методов контроля состояния короткозамкнутых обмоток роторов электродвигателей собственных нужд электростанций

Надежность работы электростанций в значительной мере зависит от надежности ее системы собственных нужд. Одной из причин вынужденных остановов блоков из-за отказов вспомогательного оборудования на станциях является отказ высоковольтных электродвигателей.

На пылеугольных станциях и специальных комбинатах по переработке угля широко применяются молотковые и среднеходовые мельницы и дробилки. На данных механизмах используются высоковольтные короткозамкнутые асинхронные двигатели (АД), которые работают с тяжелыми условиями пуска и поэтому имеют высокие значения интенсивности отказов [1−3]. Одним из слабых узлов таких электродвигателей является короткозамкнутая обмотка ротора (ОР), которую называют также «беличья клетка».

Согласно основным положениям стратегии развития электроэнергетики России на период до 2020 года [71−76 ] предполагается в ближайшее время довести соотношение цен на уголь, газ и мазут до соотношения 1:1,2:1,5 (вместо 1:0,6:1,5 в настоящее время). В результате потребность в угольном топливе электростанций страны, которая в 2000 году составляла 27−29%, к 2020 году возрастет и составит 32−41%. Следовательно, коэффициент использования АД с тяжелыми условиями пуска увеличится, что должно привести к росту случаев повреждения их составных частей и, в частности, ОР.

Наиболее характерные в практике эксплуатации повреждения «беличьих клеток» заключаются в обрывах стержней, которые составляют более 80% от общего числа повреждений ОР.

Следует отметить, что обрывы стержней встречаются и у электродвигателей с нормальными условиями пуска.

Поэтому контроль состояния короткозамкнутых ОР мощных АД является актуальной задачей.

В настоящее время выявление повреждений короткозамкнутой ОР производится во время ремонтов. Большая периодичность ремонтов не позволяет своевременно определить возникшие неисправности в ОР, что часто приводит к работе электродвигателя с оборванными стержнями. При этом повышается вибрация элементов АД, что может вызвать повреждение подшипника, на АД с прямоугольными пазами ОР возможно повреждение лобовых частей обмоток статора отогнутым концом стержня ротора и др.

Существующие методы оперативного контроля текущего состояния ОР в условиях эксплуатации АД не нашли широкого применения. Это объясняется тем, что разработанные на их базе устройства имеют недостаточную чувствительность к обрыву одного стержня, а также достоверных критериев перехода ОР из работоспособного исправного в работоспособное неисправное состояние и из последнего в неработоспособное.

Интенсивное внедрение микропроцессорных устройств на электростанциях дает возможность разработать более совершенные методы и устройства контроля состояния ОР высоковольтных АД.

В связи с этим практический и теоретический интерес представляет разработка методов оперативного функционального контроля состояния коротко-замкнутой ОР высоковольтных АД с применением цифровой обработки сигналов.

Цель работы состоит в поиске новых диагностических признаков обрывов стержней и разработке новых методов и устройств оперативного контроля состояния короткозамкнутых ОР высоковольтных АД с применением цифровой обработки сигналов, которые имеют высокую чувствительность к обрыву стержня и достоверные критерии перехода ОР из одного состояния в другое.

Достижение поставленной цели обеспечивается следующим:

1. Определением критериев перехода из работоспособного в неработоспособное состояние для различных типов ОР.

2. Формулировкой требований, предъявляемых к методам и устройствам оперативного контроля состояния ОР, и выбором рациональных методов контроля.

— 103. Разработкой математической модели, позволяющей исследовать магнитное поле в воздушном зазоре от короткозамкнутой ОР при наличии оборванных стержней и определением новых более чувствительных диагностических признаков наличия оборванных стержней.

4. Разработкой метода, алгоритма и программного обеспечения для контроля величины скольжения АД на основе гармонического анализа тока статора и магнитного поля в воздушном зазоре, что позволяет повысить чувствительность и глубину поиска неисправностей.

5. Разработкой метода, алгоритма и программного обеспечения для выделения диагностического сигнала (ДС), который имеет информацию о состоянии каждого стержня, из магнитного поля в воздушном зазоре.

6. Разработкой математической модели и исследованием процесса проникновения ДС из воздушного зазора в обмотку статора.

7. Исследованием частотных спектров магнитного поля в воздушном зазоре и тока статора при исправной и поврежденной ОР на основе физического моделирования.

Методы исследования, использованные при работе над диссертацией:

1. Метод удельных проводимостей воздушного зазора АД для расчета электромагнитного поля в воздушном зазоре.

2. Методы аналитических исследований для проведения гармонического анализа магнитного поля в воздушном зазоре и в токе статора.

3. Метод физического моделирования процессов, возникающих в магнитном поле воздушного зазора и в токе статора АД при обрывах стержней ОР.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Определены критерии перехода из работоспособного в неработоспособное состояние для различных типов ОР.

2. В результате исследования влияния обрывов стержней ОР на гармонический состав магнитного поля в воздушном зазоре АД определены:

— значения гармоник, которые значительно увеличивают свои амплитуды при обрывах стержней;

— влияние конструкции ОР на спектральную плотность мощности магнитного поля в воздушном зазоре электродвигателя;

— минимальная ширина спектра магнитного поля, в котором находится достаточная информация о состоянии каждого стержня.

3. В результате исследования влияния обрывов стержней ОР на гармонический состав тока статора АД определены значения гармоник, которые значительно увеличивают свои амплитуды при обрывах стержней.

4. В результате исследования влияния параметров аналого-цифрового преобразователя (АЦП), конструктивных параметров АД, значений частот в магнитном поле и токе статора, по которым производится расчет скольжения, и величины самого скольжения на погрешность его измерения определены минимальные значения параметров АЦП и записывающего устройства для различных типов высоковольтных АД.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается:

— совпадением результатов, полученных при математическом моделировании, с результатами испытаний на реальных АД;

— совпадением отдельных результатов работы с данными других авторов.

Практическая ценность работы:

1. Предложенные критерии перехода ОР из работоспособного в неработоспособное состояние позволяют в ходе оперативного функционального контроля сделать заключение о возможности дальнейшей эксплуатации АД.

2. Разработанные методы контроля состояния ОР позволяют повысить достоверность результатов контроля и надежность работы мощных электродвигателей за счет своевременного обнаружения оборванных стержней в ОР и вывода двигателя в неплановый ремонт.

— 123. Дифференциальный метод контроля состояния ОР по магнитному полю в воздушном зазоре позволяет:

— сократить время поиска поврежденных стержней при ремонте ОР;

— уточнить пусковые и рабочие характеристики машины при расчете пуска и самозапуска, а также при определении экономических показателей АД.

4. Разработанные методы измерения скольжения позволяют надежно отстроиться от помех при осуществлении контроля состояния ОР.

5. Метод измерения скольжения по гармоникам тока статора позволяет определить скольжение на погружных АД, для которых неприменимы существующие методы измерения.

Реализация результатов работы. Результаты научных и технических разработок автора внедрены на ТЭЦ-2 ОАО «Ивановская генерирующая компания», на ОАО «Рязанская ГРЭС» и на Кармановской ГРЭС ОАО «Башкир-энерго» в 2005;2006 гг.

Личный вклад автора в получении результатов работы состоит:

— в проведении численных расчетов магнитного поля при обрывах стержней ОР;

— проведении экспериментальных исследований спектров магнитного поля и тока статора АД при повреждении ОР;

— разработке методов, алгоритмов и программ для текущего контроля за величиной скольжения и состояния ОР АД.

Автор защищает:

— критерии перехода ОР из одного состояния в другое с учетом конструктивных особенностей ОР;

— результаты исследований влияния обрывов стержней ОР на форму магнитного поля в воздушном зазоре;

— 13- результаты исследований влияния обрывов стержней ОР на гармонический состав тока статора АД;

— метод измерения скольжения по зубцовым гармоникам ротора, присутствующими в токе статора и в магнитном поле воздушного зазора;

— результаты исследований влияния параметров АЦП, конструктивных параметров АД, значений частот в магнитном поле и токе статора, по которым производится расчет скольжения, и величины самого скольжения на погрешность его измерения;

— дифференциальный метод контроля состояния ОР по магнитному полю в воздушном зазоре;

— метод контроля состояния ОР по результатам спектрального анализа тока статора и по величине отклонения скольжения от номинального.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

— на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергосистема: управление, качество, конкуренция» (Екатеринбург, УПИ, сентябрь 2004 г.);

— Международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Иваново, ИГЭУ: IX Бенардосовские чтения, 1999 г.- X Бенардосовские чтения, 2001 г.- XI Бенардосовские чтения, 2003 г.);

— Международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (Клязьма, 2000 г.);

— XII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника. Электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, март 2006 г.);

— на заседаниях кафедры «Электрические станции и диагностика электрооборудования».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 работ [5, 54−56, 91, 98−104], в том числе 6 статей в научных журналах, 1 статья в сборнике научных трудов, 5 тезисов докладов на научных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять глав, основные выводы, библиографический список, состоящий из 104 наименований и двух приложений.

2) Выводы первого пункта говорят о том, что в качестве частот, несущих информацию о наличии оборванных стержней в ОР, наиболее рационально принять частоты и порядок которых удовлетворяет условию (5.1).

При этом их амплитуды менее подвержены влиянию динамического эксцентриситета гармоник, чем гармоники и f^l.

— 1373) Разработан метод контроля наличия оборванных стержней по гармоникам тока статора, чувствительность которого к обрыву даже одного стержня намного превышает чувствительности существующих устройств. Разработанный метод наличия оборванных стержней ОР является методом контроля состояния ОР по току статора для АД, имеющих ОР второй группы.

4) Разработан метод контроля состояния короткозамкнутой ОР по гармоникам тока статора, позволяющий определить состояние ОР без использования специальных датчиков.

5) На основе данного метода разработан алгоритм и программа «Контроль состояния короткозамкнутой ОР АД по току статора», а также ее интерфейс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В итоге проведенной работы получены следующие результаты:

1. Выполнен комплекс исследований, содержащий совокупность научных, методических и программных разработок для создания методов и устройств контроля состояния короткозамкнутых обмоток роторов высоковольтных электродвигателей.

2. Предложены критерии перехода обмотки ротора из работоспособного состояния в неработоспособное, которые позволяют в ходе оперативного функционального контроля сделать заключение о возможности дальнейшей эксплуатации высоковольтных асинхронных двигателей.

3. Разработана математическая модель токораспределения и магнитного поля короткозамкнутой обмотки ротора в воздушном зазоре с помощью которой:

— выявлен диагностический сигнал в виде зависимости тангенциальной составляющей магнитной индукции, генерируемой фиктивной обмоткой ротора, от времени, который определяет состояние каждого стержня;

— получена формула, определяющая частоты гармоник, входящих в диагностический сигнал;

— определены для различных типов высоковольтных асинхронных двигателей диапазоны частот, в которых присутствует достаточная информация о состоянии каждого стержня;

— выявлены новые диагностические признаки наличия оборванных стержней в магнитном поле воздушного зазора и в токе статора.

4. Теоретическими расчетами и физическим моделированием:

— доказано, что для контроля скольжения на работающем двигателе, используя цифровую обработку сигнала, наиболее пригодны зубцовые гармонические обмотки ротора первого порядка;

— определены минимальные значения параметров аналого-цифрового преобразователя при измерении скольжения в нормальном режиме работы машины и их зависимости от параметров электродвигателя и текущего значения скольжения. Установлено, что минимальное время записи сигнала не превышает двух минут, при условии, что погрешность измерения скольжения составляет не более 5%, а максимальное значение частоты дискретизации не превышает 4500 Гц;

— определены требуемые объемы памяти записывающего устройства для различных типов высоковольтных электродвигателей.

5. Разработаны методы, алгоритмы и программы измерения скольжения по току статора и магнитному полю в воздушном зазоре.

6. Разработан дифференциальный метод контроля состояния коротко-замкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя по магнитному полю в воздушном зазоре, его алгоритм и программа, которые позволяют определить состояние каждого стержня и оценить состояние обмотки ротора в целом. Метод имеет более высокую помехозащищенность по сравнению с существующим дифференциальным методом.

7. Разработан метод контроля состояния короткозамкнутой обмотки ротора по гармоникам тока статора, его алгоритм и программа, которые позволяют определить состояние обмотки ротора без использования специальных датчиков. По сравнению с существующими методами контроля с помощью трансформаторов тока он имеет более высокую чувствительность и четкие критерии перехода из работоспособного состояния в неработоспособное.