СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ ВИТКОВОГО ЗАМЫКАНИЯ ОБМОТКИ РОТОРА ТУРБОГЕНЕРАТОРА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СИГНАЛОВ ОТ ШТАТНЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

Витковые замыкания (ВЗ) в обмотке ротора турбогенераторов (ТГ) являются распространенными [1, с. 17] и в тоже время трудно поддающимися мониторингу неисправностям [2, с. 5]. Трудности диагностирования ВЗ обмотки ротора в рабочих режимах генератора связаны, прежде всего, с физикой возникновения замыкания, поскольку замыкание, как правило, является не «металлическим» т. е. витки замкнуты через переходное сопротивление. Само замыкание, может носить перемежающий характер [3, c. 21]. Падение напряжений межу соседними витками находится на уровне 1…3 В и следовательно нет условий для возникновения электрической дуги. Влияние ВЗ на изменения токов и напряжений в роторе и статоре незначительно 1.2 %. Тем не менее, основываясь на имеющейся зависимости между магнитодвижущей силой (МДС)  и величинами реактивной мощности Q, разработан способ выявления ВЗ в обмотке ротора ТГ. Данный способ заключается в том, что путем использования математической модели ТГ по измеряемым текущим параметрам статора производится расчет эталонного тока ротора, который должен соответствовать определенному режиму работы ТГ. При возникновении ВЗ возникает несоответствие между расчетным и фактическим значением тока ротора. Целью данной работы является изложение материала по исследованию возможности построения системы технической диагностики по выявлению ВЗ в обмотке ротора ТГ.

Исследование способа выявления ВЗ обмотки ротора на ранней стадии развития дефекта были использованы экспериментальные данные параметров, снятых с ТГ ТВВ-500-2УЗ Экибастузской ГРЭС-1.

Принцип построения способа выявления ВЗ представлен структурной блок-схемой (рис. 1), которая состоит из датчиков. В первом блоке содержится обработка параметров теплового состояния генератора для n-го режима текущей нагрузки, также для этого режима в четвертом блоке производится обработка электрических параметров (S, I_c, cosϕ, sinϕ). Обработка исходных, дополнительно рассчитанных и обработанных данных ТГ, которые поступают из 1 и 4 блоков для расчета количества короткозамкнутых витков и эталонного тока ротора, осуществляется в пятом блоке. Состояние генератора отображается на экране монитора в шестом блоке, 7-блок индикации. Во втором блоке установлены датчики температуры, в третьем — датчики тока и напряжения.

Рисунок 1. Принцип построения ВЗ

Предварительно в базу данных вносят для каждого ТГ заводские номинальные данные, данные последних испытаний на нагревание, калибровочные данные индукционных датчиков тока ротора и данные расчетов тока ротора на нагрузочной характеристике возбудителя (для бесщеточной системы возбуждения): P — активная мощность, Q — реактивная мощность, U — напряжение, f — частота тока, I_pн — номинальный ток ротора, n — количество витков обмотки ротора, x_d* — продольное переходное индуктивное сопротивление генератора, r₁₅ — сопротивление обмотки ротора по постоянному току при температуре 15^°, I_fa — расчетное значение тока реакции статора, I_fk — значение тока возбуждения по ХКЗ, который соответствует номинальному току статора, x.x.x. — характеристика холостого хода, x.к.з. — характеристика короткого замыкания. Далее производят расчет I_pн и других дополнительных параметров, которые в последующем вносят в базу данных. Снимают электрические параметры с ТГ: P — активная мощность, Q — реактивная мощность, U — напряжение статора, f — частота тока и I_pизм — ток ротора (при наличии непосредственного измерения тока ротора, при отсутствии измеряют другими косвенными методами). В завершении рассчитывается текущий эталонный ток ротора по математической модели (рис. 2).

Рисунок 2. Расчетные формулы

Количество короткозамкнутых витков определяется по формуле:

                                                               (1)

где:  — замкнувшееся количество витков, — общее кол-во витков обмотки ротора;

— эталонный ток ротора (рассчитанный по параметрамм статора);

— ток ротора, измеренный в текущем режиме.

В случае появления короткозамкнутых витков () срабатывает сигнализация, свидетельствующая о начале появления повреждения в обмотке ротора.

Для определения составляющих характеристик воспользуемся вспомогательной диаграммой Потье.

Рисунок 3. Диаграмма Потье

Как пример расчета определения короткого замыкания приведем ТГ типа ТВВ-500-2УЗ Экибастузской ГРЭС-1.

1. 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, Uc= 20 кВ, Cosϕ=0,85, f = 50 Гц, n=126 витков, I_fa= 2310 A, I_fк= 2550 A, xd*= 0,355, Iрн= 3530 A — расчетное значение номинального тока ротора.

 2.  Далее рассчитывается полная мощность S по формуле:

                                                          (2)

3.  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:

                                                                  (3)

4.  Рассчитывается ток статора по формуле I_c:

                                                              (4)

5.  Определяется sin ϕ угла сдвига фаз между напряжением U_c и током I_c по формуле:

                                                    (5)

6.  Определяется x_p* — расчетное индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря, по формуле:

                                                      (6)

7.  Определяется x_p в именованных единицах по формуле:

                                                  (7)

8.  Определяется ∆U_Xp падение напряжения на x_p по формуле:

                                                    (8)

9.Определяется по исходным данным составляющая тока возбуждения I_fsн, индуктирующая электродвижущую силу ЭДС рассеивания, пропорциональная и равная падению напряжения ∆U_Xp на индуктивном сопротивлении Потье:

                                                            (9)

10.Определяется по начальной прямолинейной части XXX (поясняющая диаграмма Потье рис. 3) коэффициент k_s— приведения намагничивающей силы рассеивания или тока рассеяния статора к обмотке возбуждения и соответствующий току ротора I _fsн для создания падения напряжения ∆U_Xp, в режиме короткого замыкания при токе статора, равном номинальному току I_сн по формуле:

                                                        (10)

11.Определяется по ХКЗ (рис. 3) коэффициент — приведения полной намагничивающей силы или номинального тока статора к обмотке возбуждения в режиме короткого замыкания по формуле:

                                                               (11)

12.   Определяют по XXX и ХКЗ (рис. 3) коэффициент k_a— приведения намагничивающей силы или тока реакции статора к обмотке возбуждения в режиме короткого замыкания по формуле:

                                                   (12)

13.Определяется результирующая электродвижущая сила ЭДС Е_P по векторной диаграмме напряжений генератора (рис. 3) и по формуле:

                                       (13)

14.Определяется sin(y+ϕ) — угла между векторами E_P и I_C по формуле:

                                                 (14)

15.  Определяется cos (ɣ+ɸ +90°) — угла между составляющими тока ротора по совмещенной диаграмме напряжений и диаграмме намагничивающих сил генератора (по диаграмме Потье рис. 3) по формуле:

                                  (15)

16.После этого производится экстраполяция XXX ТГ зависимости I_f = f(U) для получения полинома:

                                      (16)

где: а₀-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:

17. Определяется ток возбуждения I_frн, по соответствующей этому току результирующей ЭДС Е_р=23,59 для номинального режима:

18.Определяется расчетный номинальный ток ротора I_fн по диаграмме намагничивающих сил генератора рис. 3 по формуле:

                                   (17)

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. Аналогично рассчитываются параметры и для остальных типов ТГ. Далее с помощью устройства рис. 1 рассчитывается эталонный ток ротора в режимах, различных от номинального режима.

Предложенный способ отличается простотой, дает однозначные выводы о наличии витковых замыканий в роторе, не требует дополнительного изменения конструкции ТГ, установки дополнительных измерительных приборов.

Список литературы:
1.    Глебов И.Я. Диагностика турбогенераторов / И.Я. Глебов, Я.Б. Данилевский. — Л.: Наука. Ленинградское отделение, 1989. — 119 с.
2.    Глебов И.Я. Научные основы проектирования турбогенераторов / И.Я. Глебов, Я.Б. Данилевский. — Л.: Наука. Ленинградское отделение, 1986. — 184 с.
3.    Самородов Ю. Н. Турбогенераторы: Аварии и инциденты. Техническое пособие. — М.: ЭЛЕКС-КМ, 2008. — 488 с.