Оценка состояния синхронных машин без вывода из работы



Данная статья делает анализ технического состояния синхронных машин и диагностические оценки их режимы работы без вывода из работы. Предлагается воспользоваться рабочие характеристики холостого хода, короткого замыкания, U-образные и векторные диаграммы для более точных измерений, с помощью критерии отнесения значения параметров, для разделения (различения) технических состояний. Различные механические отказы турбогенератора ТВВ-800–2 и учебной синхронной машины были анализированы в разработанной программе LABVIEW.

Ключевые слова: техническое состояние, диагностические оценки, механические отказы.

Целью повышения надежности электрических машин, в настоящий момент широко применяется «онлайн- диагностирование». Для этого необходимо выполнить ряд требуемых критерий, определенными функциям набора параметров, которые характеризуют способность их выполнения и пределы изменения допустимых значений этих параметров [1].

На сегодняшний день большая часть работы диагностирования синхронных машин была сосредоточена на их вывод из работы для контроля их состояния. Контроль состояния этих синхронных машин характеризуется пятью этапами: обнаружение отклонении в поведении машины, выявление неисправностей и их причин, прогнозирование развития неисправностей, принятие рекомендаций по корректирующим действиям и анализ состояния после останова машины [2].

Данная статья акцентирует внимание на способы оценки состояний синхронных машин, используя электрические параметры с построением диаграмм и характеристик машин, находящиеся в операции.

На базе синхронной машины учебной лаборатории было выявлено, что весьма удобно оценить состояние синхронных машин в том числе и турбогенераторов, для быстрого нахождения дефекта. И в дальнейшем принимать мэры для безопасной работы машины.

С помощью программного обеспечения LABVIEW [10,11,12], были разработаны программы испытаний и построения всех характеристик.

1. Выбор средств измерений

Целью автоматического диагностирования выбираются средства измерения контролируемых параметров. В основном, для наших объектов, контролируемые параметры являются: фазные токи, фазные напряжения, мощности, температура каждой фазы, скорость вращения.

В зависимости от размерности и диапазона измерения измеряемых величин, будем выбраны датчики тока и напряжения, для учебной синхронной машины и трансформаторы напряжения и тока для более мощного генератора ТВВ-800–2.

1. Выбор датчиков синхронной машины учебной лаборатории

В переделанной синхронной машины уже установлены датчики тока типа LA 55-P/ SP1 и датчики напряжения типа LV 25–200/ 400. К данным датчикам подключен модуль источник напряжения типа PXI-4110.

В таблице 1 и 2, представлены параметры датчика тока LEM LA 55-P/ SP1 и LV 25–200/ 400 соответственно.

Таблица 1

Параметры датчика тока LEMLA 55-P/ SP1

Датчик тока LA 55-P/SP1		Значения
Измерительный диапазон	Ip	0.. ± 100 A
Частотный диапазон	f	0.. 200 кГц
Точность при 25 0 С	X	при ± 15 B (± 5 %) ± 0.65 % при ± 12 В (± 5 %) ± 0.90 %
Нелинейность	eL	< 0,15 %
Время отклика	tr	< 1 мкс
Рабочая температура	Ta	-25... +85 0 С

Таблица 2

Параметры датчика напряжения LEMLV 25–200/ 400

Датчик напряжения LV25–200/400		Значения
Измерительный диапазон	Vp	0.. ± 300 В
Точность при 25 0 С	X	± 0.1 %
Нелинейность	eL	< 0,2 %
Время отклика	tr	< 15 мкс
Рабочая температура	Ta	-25... +85 0 С

2. Выбор средств измерений для турбогенератора ТВВ-800

Перед выбором, средств измерений, рассматриваем несколько его режимы работы.

Режимы работы турбогенератора

Поскольку, цель данной работы является диагностикой турбогенератора без вывода с работы, необходимо знать допустимые значения [5,6] контролируемых величин в зависимости от его режимов работы.

Зависимость мощность генератора от напряжения и частоты

При любом изменении напряжения на зажимах обмотки статора в пределах ± 5 % номинального напряжения, генератор должен развивать свою номинальную мощность при номинальном коэффициенте мощности. При этом ток статора должен изменяться в пределах ± 5 % номинального тока. Допускается работа генератора при изменениях напряжения на выводах обмотки статора не более 110 % номинального.

В таблице 3 представлены соответственные данные изменения напряжения статора, полной мощности и ток статора, в % их номинальных значениях.

Таблица 3

Данные изменения полной мощности иток статора, в% их номинальных значениях

Напряжение, %	110	109	108	107	106	105	100	95	90
Полная мощность, %	88	91	93,5	96,5	98	100	100	100	94,5
Ток статора, %	80	83,5	86,5	90	92,5	95	100	105	105

При одновременных отклонениях напряжения до ± 5 % и частоты до ± 2,5 % номинальных значений, генератор сохраняет свою номинальную мощность, при условии, что сумма абсолютных значений отклонений частоты и напряжения не должна превышать 6 % в режимах работы с пониженной частотой и повышенным напряжением.

Перегрузки по токам статора и ротора

По [3], в аварийных условиях генераторы серии ТВВ должны выдерживать перегрузки по статорному току 1,5 I_ном в течение 1 мин; и по [4] выдерживать двукратный номинальный ток возбуждения не менее 15 с, для ТВВ мощностью до 800 МВт.

Несимметричная нагрузка

При несимметричной нагрузке, допустимо продолжать работу генератора, если фазные токи статора не превышают номинального значения и ток обратной последовательности не превышает 8 % номинального значения.

Несимметричные короткие замыкания

При несимметричных коротких замыканиях (к.з.), турбогенератор должен выдерживать значения в относительных единицах произведения квадрата тока обратной последовательности на допустимое время работы в секундах (I²₂t), в течение 8 с, по условию термической стойкости ротора.

Асинхронные режимы

Допускается работа генератора без возбуждения в асинхронном режиме не более 15 мин, при условии, что нагрузка не должна превышать 40 % номинальной. В течении первых 30 с необходимо снизить нагрузку до 60 % номинальной после потери возбуждения; и до 40 % в последующие 1,5 мин.

В соответствии с высшем перечисленными режимами, будем выбрать для турбогенератора измерительные трансформаторы тока и напряжения, при этом номинальный первичный ток трансформатора тока не ниже 1,5 номинального тока, а первичное напряжение трансформатора напряжение равно 35 кВ. Будем учитывать, что защита срабатывает при любом дальнейшем увеличением токе статора и генератор отключается.

И так в таблице 4, введены параметры измерительных величин для турбогенератора ТВВ-800.

Выбор средства измерения осуществляется с учетом пусковых величин значений тока и напряжения обмотки статора, с классом точности 0,5.

НТМИ — трехфазный масляный трансформатор напряжения с дополнительной обмоткой для контроля изоляции.

ТНШ — шинный трансформатор тока.

Таблица 4

Номинальные параметры измерительных величин трансформаторов

Трансформатор тока—
Первичный ток, А	40000
Вторичный ток, А	5
Трансформатор напряжения— НТМИ-35/35
Первичное напряжение, В	35000
Вторичное напряжение, В	100

Зависимость мощность от температуры охлаждающих сред (водорода)

Температура водорода измеряется с помощью датчикам температуры и ее номинальное значение составляется 40 ^о С.

Не разрешается повышать мощность генератора при снижении температуры водорода ниже номинального, и также не рекомендуется допускать ее снижение ниже 20 ^о С. Любое повышение температуры холодного водорода выше номинальной мощности востребует снижение мощности нагрузки, в соответствии с инструкциями по эксплуатации.

В зависимости от указанных величин в инструкции по эксплуатации, температура холодного дистиллята должна находиться в диапазоне 35–45 ^о С или 30–40 ^о С.

Ориентировочные значения снижения нагрузки введены в таблице 5.

Таблица 5

Ориентировочные значения снижения нагрузки, взависимости от температуры

Холодный водород
Температура в пределах 40–45 о С	Снижение допустимого тока статора на 1,5 % на каждый градус
Температура в пределах 45–50 о С	Снижение допустимого тока статора на 2 % на каждый градус
Температура в пределах 50–55 о С	Снижение допустимого тока статора на 3 % на каждый градус
Выше 55 о С	Не разрешается работа ТВВ
Горячий водород
Меньше 75 о С	Не разрешается работа ТВВ

Измерение тока возбуждения

Для замера тока возбуждения, выбираем измерительный шунт марки В2. С учетом падения напряжения на шунт и возможности кратности форшировки; выбирается шунт с номинальным током больше или равно 2,5I_fном.

В таблице 6 внесены метрологические характеристики шунта В2.

Таблица 6

Метрологические характеристики шунта В2

Тип шунта (номинальное падение напряжения)	Номинальный ток, А	Номинальное электрическое сопротивление	Класс точности	Габаритные размеры, мм	Масса, кг
В2 (60 мВ)	15000	4 мкОм	0,5	185х310х170	32

2. Эксперимент

На базе синхронной машины учебной лаборатории были проведены опыты холостого хода и трехфазного короткого замыкания. С помощью программного обеспечения LABVIEW, были разработаны программы для проведения этих испытаний и обработки результатов.

Испытания начинались с калибровкой датчиков токов и напряжений на переменном и на постоянном токе. В результате калибровки датчиков, были построены их передаточные характеристики с учетом метрологических ошибок, которые представлены на рисунках 1 и 2.

Рис. 1. Фрагмент передаточной характеристики датчика напряжения

На данные характеристики очевидно, что измеренное значение для каждого датчика совпадает в его диапазоне измерения. Результирующая ошибка почитается формулой:

,

где ε_i — i-ая абсолютная ошибка датчика с учетом физических явлений и/или экспериментатора.

n- количество ошибок измерений.

Рис. 2. Калибровочная характеристика датчика напряжения

Рис. 3. Схема испытаний синхронной машины, где: А₁, А₂, А_{3 —} датчики фазных токов обмотки статора синхронной машины; V₁, V₂, V_{3 —} датчики фазных напряжений обмотки статора синхронной машины; А₇ и V₇ — датчики тока и напряжения соответственно обмотки возбуждения синхронной машины; А_SM — амперметр для контроля тока обмотки возбуждения синхронной машины; Ретометр М2 (сети) — служит для контроля напряжения, тока и частоты сети; Ретометр М2 (СМ) — служит для контроля частоты и напряжения синхронной машины; B1 и B2 — ключи для изменения направления вращения синхронной машины; при этом они включаются в очереди; R_{r1 —} регулировочное сопротивление на обмотке возбуждения синхронной машины; R_{r2 —} регулировочное сопротивление на обмотке возбуждения машины постоянного тока; А₈ и V₈ — датчики тока и напряжения соответственно обмотки возбуждения машины постоянного тока; А_DC– амперметр для контроля тока обмотки возбуждения машины постоянного тока; V_{DC —} вольтметр для контроля напряжения якоря машины постоянного тока; V₉ — датчик напряжения обмотки якоря машины постоянного тока

Для проведения эксперимента на синхронной машине (SM), используется машиной постоянного тока (DCM) в качестве нагрузки или турбины в зависимости от режима.

А. Характеристика холостого хода

Важнейшая характеристика любой машины является характеристикой холостого хода. Она снята при номинальной частоте вращения синхронной машины (1000 об/мин) в генераторном режиме. Поскольку частоты сеты (f) не постоянная и отличается от номинальной частоты сети (f_n=50 Гц), тогда измеренное напряжение холостого хода (U₀) было перечитано по измеренным значениям (U) формулой: [7].

В таблице 7 введены пересчитанные значения напряжения холостого хода.

Таблица 7

Пересчет напряжения холостого хода.

f, Гц	U, В	U0, В	if, A
0	0	0	0
49,8	65	65,2	1
49,8	103	103,4	1,5
50,1	150	149,6	2
50,2	175	174,3	2,5
50,1	205	204,6	3
49,9	225	225,4	3,5
49,8	240	241	4
50	250	250	4,5
50,1	261	260,5	5
49,8	273	274	5,5
50,1	284	283,4	6

На рисунке 4 представлена характеристика холостого хода синхронной машины с учетом намагничивания и размагничивания.

Выполнена аппроксимация для характеристики холостого хода полиномами:

где: — ток возбуждения синхронной машины;

— Значение ЭДС холостого хода при намагничивании;

— Значение ЭДС холостого хода при размагничивании;

Рис. 4. Фрагмент характеристики холостого хода синхронной машины

По результатам испытаний, можно заметить, что остаточное напряжение U_ост находится в диапазоне рекомендованных значений. Это объясняет, что сердечник машины в хорошем состоянии [8] и он не подлежит к ремонту.

Как правило U_ост меньше номинальному напряжению на 8 раз. U_ост=1/8U_n.

2. Характеристика трехфазного короткого замыкания

В режиме генератора определена характеристика трехфазного короткого замыкания при точным поддержанием частоте вращения ротора от номинальной. По подключенным датчикам были измерены фазные токи обмотки якоря, которые равны линейным токам , так как обмотки статора подключена схемой звездой в сеть а для построения характеристики короткого замыкания воспользуется зависимостью «U=f(I)».

В таблице 8 представлены данные характеристики трехфазного короткого замыкания.

Таблица 8

Данные характеристики трехфазного короткого замыкания

Iфаз, A	0	2,1	3,7	4,8	5,2	7
I, A	0	2,1	3,7	4,8	5,2	7
if, A	0	1	1,5	2	2,5	3

По полученным данным с помощью программного обеспечения LABVIEW, построена характеристика трехфазного короткого замыкания. Данная характеристика представлена на рисунке 5.

На данной характеристике, показаны для размагничивания и намагничивания эффекта.

Рис. 5. Фрагмент характеристики трехфазного короткого замыкания синхронной машины при аппроксимации

3. Определение отношения короткого замыкания исинхронных индуктивных сопротивлений

Поскольку машина маломощная, будем посчитать отношение короткого замыкания и синхронные индуктивные сопротивления по приблизительным формулам, так как необходимо учитывать активное сопротивление.

Отношение короткого замыкания (K_c), определяется помощью характеристик холостого хода и короткого замыкания. Делением номинального тока возбуждения (i_f0), соответствующего номинальному напряжению по характеристике холостого хода на ток возбуждения (i_fk), соответствующий номинальному току по характеристике трехфазного короткого замыкания.

Для определения значений синхронного индуктивного сопротивления по оси d (X_d,) воспользуется делением прямолинейной части характеристики холостого хода на характеристику короткого замыкания, при том же токе возбуждения. В нашем случае сделали деление с учетом намагничивающего и размагничивающего эффекта. Полученные значения X_d, являются ненасыщенными.

На рисунке 6 представлена характеристика определения X_d.

Рис. 6. Определения синхронного индуктивного сопротивления по оси d (X_d,)

4. U— образные характеристики

Целью анализа свойств синхронной машины, работающей параллельно с сетью, важно построить U — образные характеристики, которые представляют зависимость тока якоря от тока возбуждения при постоянных активной мощности (P₁), частоте (f) и напряжении сети (U_с).

Минимальные значения U — образных характеристик соответствуют активным составляющим тока якоря и линия, соединяющая минимумы, представляет собой регулировочную характеристику генератора при cosφ=1. На лево этих точек есть режим недовозбуждения, а на право — режим перевозбуждения.

Как известно, в режиме недовозбуждения ток якоря опережает вектор напряжения сети, и машина потребляет из сети реактивную мощность (Q₁<0), а в режиме перевозбуждения он отстает от напряжения, и машина отдает в сеть реактивную мощность (Q₁>0). По пределу статической устойчивости генератора ограничено минимальное значение тока возбуждения на лево при которой построена U — образная характеристика, и максимальный ток определяется допустимым перегревом обмотки возбуждения.

На рисунке 7 представлены U — образные характеристики синхронного генератора.

Рис. 7. U– образные характеристики с учетом переходных процессов

5. Применение диаграммы Потье для диагностики СМ

Целью определения витковых замыканий в роторе и положение ротора синхронной машин будем построить векторную диаграмму Потье.

Порядок построения согласно [9]:

– построим вектора напряжения воспользовавшись, полученными значениями в осях альфа-бета;

– к вектору напряжения добавим вектор падения напряжения на активном сопротивлении статора;

– задаем первоначальное значение сопротивления Потье () и вычисляем падение напряжение на нем и добавляем его к вектору падения напряжения активного сопротивления;

– сумма падений напряжения на сопротивлениях и напряжение сети дает первоначальное значение ЭДС Потье;

– проводим перпендикуляр на полученную ЭДС Потье () и определим значение тока статора ее соответствующей из характеристики холостого хода синхронной машины;

– по оси ординату делаем проекцию значения номинального тока статора и находим новое значение тока возбуждения () на оси абсцисса (d);

– по соответствующему падению напряжения Потье на оси ордината находим значение тока возбуждения по оси (d) и разница между токами ; добавим данный вектор от конца вектора ;

– по сумме векторов и находим результирующее значение тока возбуждение.

Угол между осью q и ЭДС - есть угол нагрузки.

В номинальном режиме расчетный ток возбуждения не отличается от заданного больше, чем на 2 %.

На рисунке 8 представлена диаграмма изображающих векторов на базе диаграммы Потье, построенная в программе LabVIEW при RL нагрузке.

Рис. 8. Диаграмма изображающих векторов

3. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН

А. Показатели качества электроэнергии

В трехфазных системах, изменение показателей качеств электроэнергии: (частота, величина напряжения, форма и симметрии напряжении), вызваны в основном влиянием нелинейных нагрузок или изменениями нагрузок. Как правило такое изменение называется продолжительным изменением характеристик напряжения. С другой стороны, существует, как называемым случайным событием.

При случайном изменении, форма напряжения изменяется внезапно по значению. Что вызывает повреждения оборудования потребителя.

А.1. Отклонение частоты

При продолжительных изменениях характеристик напряжения, отклонение частоты напряжения в синхронизированных системах электроснабжения от номинальной частоты не должно превышать 0,2 Гц в течение 95 % интервала времени в одну неделю и ±5 Гц в течение 100 % времени интервала в одну неделю.

В нашем случае Гц (смотреть таблицу 7)

где:

— значение основной частоты напряжения электропитания, Гц, измеренное в интервале 10 с.

— номинальное значение частоты напряжения электропитания, Гц.

А.2. Отклонение уровня напряжения

В точке передачи электрической энергии, продолжительность изменения (отклонения) значения напряжения в течение 1 мин от согласованного/номинального напряжения не должна превышать 10 % в одну неделю в течение 100 % времени интервала.

где: , — отрицательное и положительное отклонение напряжения в точке передачи, %.

— Стандартное номинальное напряжение или согласованное напряжение , В.

,- соответствующие значения напряжения электропитания, меньше и больше , В.

Резкое изменение нагрузки переключениями либо неисправностями в системе характеризуются среднеквадратическим значением напряжения в переходных процессах. Эти значения могут колебаться с одного значения к другому меньше секунда.

В сетях низкого напряжения, такое изменение напряжения не должно превышать 5 %; и 4 % в сетях среднего напряжения.

В нашем случае:

Для оценки несимметрии напряжений в трехфазных сетях, чаше всего воспользуются коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности и коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности .

В точке передачи электрической энергии, данные коэффициенты ( и ), не должны превышать 2 % в течение 95 % времени интервала в одну неделю по усреднению в интервале времени 10 мин. И также не должны превышать 4 % в течение 100 % времени интервала в одну неделю по усреднению в интервале времени 10 мин. Несимметрия напряжения обусловлена несимметричным нагрузками потребителей или несимметрией электрической сети.

Все показатели качества электроэнергии контролируются соответственными приборами и в случае сильное отклонение от нормированных значений, машина должна быть (защищена) отключена от сети.

А.3. Проверка достоверность диагностики

Для оценки достоверности используемых методов и средств диагностики, целесообразно проверить значения параметров: напряжения токи и мощности со стороны машины (потребителя) и также со стороны сети.

Со стороны потребителя проверяют измеренные значения токов и напряжения датчиков тока и напряжения соответственно, помимо передаточных характеристик датчиков.

В трехфазных сетях, датчики тока проверяются по первому закону Кирхгофа: ;или по уравнению

где:

— сумма временных изменений токов фаз a, b и c;

- допустимая ошибка датчика, установленная разработчикам;

— сумма среднеквадратических значений токов фаз a, b и c.

Датчики напряжения проверяются следующими уравнениями мощностей:

4. Анализ неисправностей синхронной машины учебной лаборатории по результатам опытов

В таблице 9 представлена диагностическая оценка синхронной машины учебной лаборатории.

Таблица 9

Диагностическая оценка синхронной машины учебной лаборатории

	Измеряемые величины	Оценка
Сеть	δU, % = (-2,05…1,65) < 5	Во время испытаний оказалось, что режим работы сети не нарушен.
	Δf,Гц = (0,1…0,2) ≤ 0,2
Измерительная система	Датчик тока ∑Iскз=0,01	Используемые датчики исправны.
	Датчик напряжения Pαβ=Pa,b,c
Параметры СМ	Uост, В = 7,72< 15,87	Синхронная машина исправна
	Xd, Ом =3,83
	Xp, Ом = 3,83
	If, А = 4≈3,92

Для оценки состояния диагностируемой синхронной машины учебной лаборатории воспользовались сравнением полученных ошибок от допустимых и так же отклонением измеренных величин от номинальных.

Вывод: Диагностируемая синхронная машина соответствует предъявляемыми требованиями. Она в хорошем состоянии. По результатам опытов очевидно, что она не подлежит дополнительной технической диагностики или ремонту.

Литература:

1. Мойсейченков Александр Николаевич. Введение в техническую диагностику: учебное пособие, УГТУ-УПИ 2010.
2. А. И. Хальясмаа/ С. А. Дмитриев, диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций, Екатеринбург 2015.-65 с.
3. ГОСТ 183–74. Машины электрические вращающиеся. Общие технические требования
4. ГОСТ 533–85 (СТ СЭВ 3147–81) Машины электрические вращающиеся. Турбогенераторы. Общие технические условия.
5. В. В. Овчаров. Эксплуатационные режимы работы и непрерывная диагностика электрических машин в сельскохозяйственном производстве. Киев 1990. -169 с.
6. Котеленец Н. Ф., Кузнецов Н. Л. Испытания и надежность электрических машин: Учеб. пособие для вузов по спец. «Электромеханика». Москва 1988. -232 с.
7. ГОСТ Р ИСО 13381–1-2016 Контроль состояния и диагностика машин.
8. ГОСТ Р 52776–2007. Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и характеристики
9. Жерве Г. К. Промышленные испытания электрических машин. Учеб. пособие 4-е издание. Издательство: Ленинград, Энергоатомиздат, 1984. — 408 с.
10. Суранов А. Я. LabView 8.20: справочник по функциям. -М.: ДМК Пресс,2007. -536 с.
11. Федосов В. П., Нестеренко А. К. Цифровая обработка сигналов в LabView: учеб. пособие/ под редакции В. П. Федосова. -М.: ДМК Пресс. -470 с.
12. Бутырин П. А., Васьковская Т. А., Каратаев В. В., Материкин С. В. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabView (30 лекций)/ Под редакции Бутырина П. А..-М.: ДМК Пресс.-265 с.