СПОСОБ РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ ВИТКОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБМОТКИ РОТОРА ТУРБОГЕНЕРАТОРА С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ТОКА РОТОРА ПО ПАРАМЕТРАМ СТАТОРА Российский патент 2013 года по МПК G01R31/06 

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,

I_рн - ток ротора номинальный,

n - количество витков обмотки ротора,

x_d* ^! - продольное переходное индуктивное сопротивление генератора,

r₁₅ - сопротивление обмотки ротора постоянному току при температуре 15°C,

I_fa - расчетное значение тока реакции статора ТГ,

I_fk - 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 - активная мощность, МВт, Q = реактивная мощность, МВАр, U - напряжение статора, кВ, f - частота тока, Гц, I_{р изм} - ток ротора А,

- рассчитывается текущий эталонный ток ротора I_PЭ по математической модели фиг.3.

Определяется количество короткозамкнутых витков по формуле:

где

n_кз - количество витков, которые замкнулись,

n - общее количество витков обмотки ротора,

I_РЭ - эталонный ток ротора (т.е. рассчитанный по параметрам статора),

I_{P изм} - ток ротора, измеренный в текущем режиме.

При наличии короткозамкнутых витков n_кз≥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.

Фиг.3 - математическая модель расчета I_PЭ и n_кз.

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.

Фиг.10 - полином уравнения зависимости корректирующего коэффициента k_p=f(E_p) от ЭДС Е_р 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.

Блок 4 обработки электрических параметров и расчета S, I_c, 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:

Р = 500 МВт, Q = 310 MBAp, U_c = 20 кВ, Cosφ=0,85, f = 50 Гц, n=126 витков, I_fa = 2310 A, I_fк = 2550 A, x_d* ^!=0,355, I_рн=3530A - расчетное значение номинального тока ротора.

Рассчитывается полная мощность S по формуле:

,

где S - полная мощность,

- вычисляется поправочный коэффициент k_f, учитывающий изменение падения напряжения на расчетном индуктивном сопротивлении рассеивания Потье x_p при отклонении текущей частоты f_T от номинальной, равной 50 Гц, по формуле:

,

k_f=50/50=1,

- рассчитывается ток статора по формуле I_c.

- определяется sinφ угла сдвига фаз между напряжением U_c и током I_c по формуле:

,

sinφ=(1-0,85²))^0,5=0,5268

- определяется x_p* - расчетное индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря, по формуле:

,

x_p*=0,81972*0,355=0,291

- определяется x_p в именованных единицах по формуле:

x _p = 0,355*0,81972*20/ √3 * 1 7 = 0,19766 Ом;

- определяется ΔU_Xp падение напряжения на x_p по формуле:

,

ΔU_Xp=√3*17*0,19766*1=5,82 кВ;

- определяется по исходным данным составляющая тока возбуждения I_fsн, индуктирующая электродвижущую силу ЭДС рассеивания, пропорциональная и равная падению напряжения ΔU_Xp на индуктивном сопротивлении Потье,

I _fsн = 2550-2310 = 240 A

- определяется по начальной прямолинейной части XXX (поясняющая диаграмма Потье фиг.5, XXX для ТВВ-500-2УЗ фиг.7) коэффициент k_s - приведения намагничивающей силы рассеивания или тока рассеяния статора к обмотке возбуждения и соответствующий току ротора I_fsн для создания падения напряжения ΔU_Xp, в режиме короткого замыкания при токе статора, равном номинальному току I_сн по формуле:

,

k_s=√3*17*0,19766/0,240=24,25 кВ/кА

- определяется по ХКЗ (фиг.5, фиг.7) коэффициент k_β - приведения полной намагничивающей силы или номинального тока статора к обмотке возбуждения в режиме короткого замыкания по формуле:

k_β=17/2,55=6,6666

- определяют по XXX и ХКЗ (фиг.5, фиг.7) коэффициент k_a - приведения намагничивающей силы или тока реакции статора к обмотке возбуждения в режиме короткого замыкания по формуле:

k_a=(24,25-√3*0,19766*6,6666)/24,25*6,6666=0,1359;

- определяется результирующая электродвижущая сила ЭДС Е_P по векторной диаграмме напряжений генератора (фиг.5) и по формуле:

- определяется sin(γ+φ) - угла между векторами E_P и I_C 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:

- после этого производится экстраполяция XXX ТГ зависимости I_f=f(U) для получения полинома:

где

а ₀-a _n - коэффициенты полинома.

В режиме холостого хода E=U и ток ротора I_frj для j-го режима определяется по соответствующей этому току, результирующей ЭДС E_pj. Подставив в (16) полученные при экстраполяции XXX коэффициенты полинома, уравнение полинома для конкретного генератора принимает вид:

I_frj=-623567,89+183460*Е_рj-22434,1*Е_рj^2+1460,4*Е_pj^3-53,346*Е_рj^4+1,0363*E_pj^5-0,0083576*E_pj^6,

- определяется ток возбуждения I_frн, по соответствующей этому току результирующей ЭДС Е_р=23,59 для номинального режима:

I_frн=-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

- определяется расчетный номинальный ток ротора I_fн по диаграмме намагничивающих сил генератора фиг.5 по формуле:

Полученные дополнительные расчетные данные k_s, k_a, 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:

Р=304 МВт, Q=12 МВАр, U_c=19,90 кВ, f = 50 Гц, I_p=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)

k_f=50/50=1;

- cosφ - угла сдвига фаз между током и напряжением по формуле:

- sinφ - угла сдвига фаз между током и напряжением по формуле (5)

sinφ=(1-cosφ²)^0,5

sinφ=(1-0,9967²)^0,5=0,041.

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_fЭ при текущей нагрузке и определения количества короткозамкнутых витков n_кз 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:

- падение напряжения на индуктивном сопротивлении Потье ΔU_Xp при полученном расчетном текущем токе статора I_c по формуле:

,

где

I_fsн - ток возбуждения для создания ЭДС рассеяния в режиме короткого замыкания при токе статора, равном номинальному - I_н, определенный по формуле (9),

k_s - коэффициент приведения намагничивающей силы или тока рассеяния статора к обмотке возбуждения в режиме короткого замыкания при токе статора, равном I_н, определенный по формуле (10),

k_f - коэффициент, учитывающий отклонение частоты, определяемый в текущем режиме по формуле (3)

ΔU_Xp=0,240*24,25*1*8,849/17=3,029 кВ

- ток реакции статора I_fa при токе I_с по формуле:

,

где

k_a - коэффициент приведения намагничивающей силы или тока реакции статора к обмотке возбуждения в режиме короткого замыкания при токе статора, равном номинальному, определенный по формуле (12),

I_fa=8,849*0,1359=1,202 кА;

- результирующая электродвижущая сила ЭДС генератора по формуле (13),

-sin(γ+φ) - угла между векторами Е_Р и I_С 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;

- определяется составляющая расчетного тока ротора, для создания результирующей ЭДС Е_р=20,256 кВ по формуле (16):

I_fp=-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.

По рассчитанным I_fa, I_fp определяется расчетный ток I_f по формуле (17);

- определяется корректирующий коэффициент k_p, учитывающий статистическое изменение синхронного индуктивного сопротивления обмотки статора x_d при изменении значения результирующей ЭДС Е_рн=23,59 кВ для номинального режима, до значения результирующей ЭДС E_pj=20,256 кВ j-го текущего режима, которое соответствует реальному состоянию насыщения магнитной цепи в данном режиме работы по графику зависимости k_pj=f(E_pj), полинома исходной базовой характеристики (фиг.4 таблица1), полученной при проведении испытаний на нагревание, когда генератор считается заведомо исправным, по формуле:

а ₀-a _n - коэффициенты полинома для конкретного генератора,

k_p=1,678*10^-8+1,224*10^-4*20256-4,749*10^-9*20256^2+5,742*10^-14*20256^3=1,008

- определяется эталонный ток ротора с учетом k_p по формуле:

I_РЭ=1,798/1,008=1,784 кА

- определяется количество короткозамкнутых витков по формуле (1)

n_кз=n(1-I_РЭ/I_{P изм})=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.

Сигнал с выхода блока 5, несущий информацию о величине n_кз, поступает на вход блока 7 отображения индикации сигнала, который осуществляет контроль параметра n_кз в интервале 0<n_кз<1.

В случае, когда количество короткозамкнутых витков n_кз 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.

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 с любой системой возбуждения. Сущность: способ заключается в том, что по измеряемым одновременно текущим электрическим параметрам статора производят расчет эталонного тока ротора, соответствующего данному режиму работы. Определяют корректирующий коэффициент по исходной базовой характеристике, полученной при испытаниях на нагревание, и учитывающий изменение синхронного индуктивного сопротивления обмотки статора. Производят расчет количества короткозамкнутых витков в роторе с учетом корректирующего коэффициента и по появлению короткозамкнутых витков судят о наличии дефекта в роторе. Технический результат: повышение достоверности оценки состояния обмотки в режиме реального времени, возможность определения дефектов обмотки на ранней стадии. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 10 ил.

1. Способ раннего обнаружения витковых замыканий и диагностирования технического состояния обмотки ротора турбогенератора с определением тока ротора по параметрам статора, заключающийся в том, что предварительно по исходным номинальным заводским данным определяют дополнительные исходные данные для конкретного генератора, измеряют в установившемся тепловом режиме генератора электрические параметры статора, измеряют ток ротора при наличии возможности непосредственного измерения тока ротора, а при отсутствии - с бесщеточной системой возбуждения - другими косвенными методами, в данный момент времени, соответствующий данному режиму работы ТГ, рассчитывают эталонный ток ротора и по измеренному и расчетному эталонному значениям тока ротора определяют количество короткозамкнутых витков по формуле
n_кз=n(1-I_РЭ/I_{P изм}),
где n_кз - количество витков, которые замкнулись;
n - общее количество витков обмотки ротора;
I_РЭ - эталонный ток ротора (т.е., рассчитанный по параметрам статора);
I_{P изм} - ток ротора измеренный,
судят о начале повреждения в обмотке ротора при наличии короткозамкнутых витков n_кз≥1.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют коэффициенты приведения параметров статора к обмотке возбуждения по исходным номинальным заводским данным, характеристике холостого хода и характеристике короткого замыкания, которые имеют для каждого конкретного генератора определенные значения, для расчета эталонного тока во всех режимах по формулам
k_s=√3·I_сн·х_р/I_fsн;
k_β=I_сн/I_fк;
k_a=(k_s-√3·x_p·k_β)/k_s·k_β,
где k_s - коэффициент приведения тока рассеяния статора к обмотке возбуждения в режиме короткого замыкания;
k_β - коэффициент приведения номинального тока статора к обмотке возбуждения в режиме короткого замыкания;
k_a - коэффициент приведения тока реакции статора к обмотке возбуждения в режиме короткого замыкания;
I_сн - номинальный ток статора;
I_fsн - ток возбуждения для создания ЭДС рассеяния в режиме короткого замыкания при токе статора, равном номинальному;
I_fк - ток возбуждения при коротком замыкании, соответствующий номинальному току статора;
x_p - индуктивное сопротивление рассеивания Потье.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что рассчитывают эталонный ток ротора I_РЭj для j-го текущего режима с поправкой расчетного тока по параметрам статора I_fj на коэффициент k_pj по формуле
I_РЭj=I_fj/k_pj,
где k_pj - корректирующий коэффициент для j-го режима испытаний на нагревание, определенный по полиному исходной базовой характеристики, полученной при проведении испытаний на нагревание, когда генератор считается заведомо исправным, по формуле
k_pj=a₀+a₁·E_pj+a₂·E_pj ²+…+a_n·E_pj ⁿ,
где k_pj - корректирующий коэффициент, учитывающий изменение синхронного индуктивного сопротивления обмотки статора x_d, которое соответствует реальному состоянию насыщения магнитной цепи в j-м текущем режиме работы;
E_pj - результирующая ЭДС для j-го текущего режима работы;
a₀-a_n - коэффициенты полинома для конкретного генератора.