ООО «Электротехнические системы 1»
Новые средства контроля и диагностики щеточно-контактного аппарата мощных электрических машин
В настоящее время энергосистемы России при все более стареющем парке оборудования предпринимают усилия по поддержанию надежности работы электрооборудования на допустимом уровне при оптимальных совокупных эксплуатационных затратах. Важной частью организационно-технической деятельности энергосистем является использование эффективных средств периодического и непрерывного контроля и диагностики состояния генератора и его основных узлов.
Наряду с общими требованиями, предъявляемыми к любым средствам контроля, к средствам диагностики крупных электрических машин предъявляется ряд специфических требований. К ним в первую очередь относятся простота и быстрота проведения измерений при достаточной точности и надежности выявления дефектов даже на ранних стадиях их развития, простота установки на испытуемой машине без разборки ее элементов или введения внутрь совместно работающих с нею устройств. Кроме того, установка средств постоянного контроля не должна нарушаться при проведении ремонтов и, тем самым, не должна возникать необходимость повторной настройки приборов после окончания ремонтов.
Одним из направлений диагностики работающего генератора является разработка аппаратуры контроля его щеточно-контактного аппарата (ЩКА). В настоящее время ЩКА, служащий для подключения вращающихся роторных обмоток к внешним электрическим цепям, является неотъемлемой частью конструкции многих электрических машин. Сюда прежде всего относятся коллекторы в цепях якорей машин постоянного и переменного тока и контактные кольца в цепях возбуждения синхронных машин. Несмотря на то, что в настоящее время внедряются системы бесщеточного возбуждения, в обозримом будущем надежность работы щеточного аппарата будет иметь большое значение.
В процессе эксплуатации ЩКА требует постоянного надзора и быстрого устранения возникающих дефектов. Возникающие при эксплуатации дефекты не выявляются при периодических осмотрах ЩКА. По нашему мнению, и это рекомендовано последней редакцией инструкции по эксплуатации ЩКА [1], на электростанциях наиболее эффективным является использование инструментального периодического контроля и регулирования токораспределения по щеткам и ведение непрерывного контроля за степенью искрения ЩКА с помощью устройств сигнализации искрения, основанных на использовании электромагнитного метода.
Длительная работа узла ЩКА при неравномерном распределении токов щеток является причиной возникновения таких дефектов, как появление искрения под щетками, отгорание или искрение поводков, перегрев щеток, что в итоге может привести к перегреву и разрушению ЩКА.
Согласно действующим нормативным материалам основным критерием для регулировки ЩКА является «максимально равномерная загрузка по току» каждой щетки [1]. Как указывалось в [2] до 1998 г. приборы, с помощью которых можно было бы измерить токи в каждой щетке, промышленностью не выпускались вообще. К настоящему времени появился прибор для измерения тока поводка щетки в виде «прищепки» [3,9], прикрепляемой на поводок щетки, со стрелочным указателем. Как преимущества, так и недостатки связаны с простотой этого прибора, который из-за низкой точности может служить лишь индикатором при настройке ЩКА, для протоколирования требует считывания и ручной записи показаний. Также при его использовании не всегда физически возможно захватить труднодоступные поводки. Предлагаемый теми же разработчиками [3,9] микропроцессорная диагностическая система «Диакор» имеет недостаток, обусловленный ее сложностью, поскольку требует подключения сигнальных проводников ко всем многочисленным токоведущим поводкам, число которых на одном кольце турбогенератора может приближаться к сотне.
В [4] проведен достоверный анализ ситуации, сложившейся к 2002 г. с обслуживанием узла ЩКА на электростанциях, когда отсутствие соответствующих приборов для объективного инструментального контроля приводит к повсеместному невыполнению инструкции по эксплуатации этого важного узла и к невозможности контролировать качество обслуживания. Там же приведены примеры программной обработки различных токораспределений, полученных с помощью прибора ПКТЩ и алгоритм работы с прибором, который уже удовлетворяет современным требованиям инструментального контроля. В статье справедливо обосновывается необходимость применения на каждой станции какого-либо, пусть даже простого, прибора или индикатора для измерения токов щеток.
Для целей непрерывной и периодической диагностики узла ЩКА ООО «Электротехнические системы 1» разработало, изготовляет и поставляет специализированные приборы для измерения силы постоянного тока щеток типа АТК-250 и сигнализаторы искрения типа СИ-10-50, эксплуатационные возможности которых будут рассмотрены ниже.
Специализированный прибор для контроля токов щеток типа АТК-250Данный прибор близок идеологически и по своим функциональным возможностям упомянутому выше прибору ПКТЩ, но отличается от него повышенной точностью и расширенным рядом функциональных возможностей [5]. Первые приборы были поставлены в 1998 г. на электростанции Ленэнерго (Северная ТЭЦ, Южная ТЭЦ, ТЭЦ-7) и Мосэнерго (ТЭЦ-23), а впоследствии — на Красноярскэнерго и Липецкэнерго (рис.1).
Методика обработки полученных данных и настройки узла ЩКА достаточно полно и подробно изложена в [4] и является, по-нашему мнению, оптимальной для проведения инструментального контроля любым прибором. Поэтому целесообразно остановиться на специфических возможностях АТК-250, технологии и опыте его использования на электростанциях.
Являясь «интеллектуальными токовыми клещами», по сути АТК-250 – это диагностическая система, позволяющая оперативному персоналу проводить измерения и получать объективную информацию о токах конкретных щеток и, исходя из нее, оптимально настраивать ЩКА каждого генератора электростанции, а также хранить и протоколировать информацию и проводить анализ динамики состояния ЩКА во времени с помощью персонального компьютера. При ее использовании резко возрастает глубина и информативность контроля.
Современная модификация АТК-250 основана на принципе измерения силы тока в проводнике без его разрыва по величине магнитного поля, порождаемого этим током. В отличие от других приборов, АТК-250 содержит составной магнитопровод, в зазорах которого расположено несколько датчиков Холла, что существенно снижает погрешность измерения, вызванную изменением положения проводника с током внутри составного магнитопровода и повышает помехозащищенность [5]. Электронный блок, выполненный на микроконтроллере, и измерительная головка смонтированы в едином корпусе. В отличие от обычных токовых клещей, магнитопровод вынесен на оптимальное расстояние от корпуса прибора с целью удобства и безопасности работы при охвате щеточных поводков в труднодоступных зонах узла ЩКА. Сечение магнитопровода максимально уменьшено для удобства захвата коротких поводков, а диаметр увеличен с целью расширения объектов контроля, помимо поводков щеток прибором могут быть проконтролированы токораспределения диодных блоков системы возбуждения, а также измерены токи в любых других доступных проводниках без их разрыва, если только эти токи не превосходят 250 А, а диаметр проводника не превышает 20 мм. Размыкание магнитопровода осуществляется с помощью соответствующего механического привода — специальной клавишей на корпусе прибора.
Максимальное количество объектов (узлов ЩКА генераторов, возбудителей или диодных систем) – 16, причем количество щеток (или проводников с током) в каждом объекте, значения токов которых могут храниться в энергонезависимой памяти прибора, может достигать 256 единиц.
Прибор снабжен пленочной клавиатурой, расположенной на корпусе, для переключения режимов работы. В приборе предусмотрен режим «калибровка», позволяющий постоянно поддерживать точность прибора на заданном уровне без вскрытия корпуса.
В новой модификации прибора появляется возможность измерять как постоянный, так и переменный токи. Питание прибора осуществляется от двух батареек типа АА 1,5 В (или аккумуляторами соответствующих типоразмеров), вместо используемой ранее одной батареи или аккумулятора типа “Крона” 9В, поскольку более низкое напряжение питания приводит к более длительному саморазряду при хранении.
В качестве индикатора в приборе испольован жидкокристаллический цифробуквенный двухстрочный дисплей с подсветкой, позволяющий индицировать всю служебную информацию, необходимую для работы прибора. Максимальное потребление электроэнергии прибором составляет всего 30 мА. Оно имеет место только в режиме измерения при включенной подсветке индикатора, а также в режиме «связь с компьютером». Если в течение 10 с не производится никаких манипуляций с прибором, подсветка индикатора отключается и прибор переходит на экономичный режим работы (10мА).
В приборе предусмотрена возможность обработки собранной информации на компьютере с помощью прилагаемого программного обеспечения. Программное обеспечение прибора разработано для применения на IBM-совместимых компьютерах класса Pentium с оперативной памятью не менее 32 Mb (64 Mb для Windows 2000 / ME) и свободным последовательным (COM) портом. Для работы программы требуется, чтобы на компьютере была установлена операционная система Windows 95 OSR2 / 98 / NT 4.0 / 2000 / ME. Для эффективной работы рекомендуется использование компьютера с характеристиками не хуже, чем у Pentium-100.
После установки программы требуется обойти все узлы ЩКА генераторов (возбудителей) электростанции (или других объектов), подготовить и описать конкретные конфигурации ЩКА каждого генератора, т.е. схематические развертки (по сути – таблицы карт расположения щеток) ЩКА, в которых указано количество щеток на кольце (полюсе), количество горизонтальных рядов щеток и количество щеток в ряду. В программном обеспечении для удобства пользователей содержится несколько десятков шаблонов карт ЩКА, с помощью которых можно наиболее наглядно описать конфигурации (схематические развертки) узлов ЩКА практически для всех встречающихся генераторов. В случае отсутствия требуемого шаблона, его нетрудно создать самостоятельно и автоматически расширить массив шаблонов. Для прибора, который используется на одной электростанции необходимо однократно запрограммировать карты ЩКА на компьютере и в режиме «связь с ПК» записать их в память прибора, используя кабель связи прибора с СОМ-портом ПК. Шаблон карты, по сути, является шаблоном протокола измерений, в котором после проведения измерений вместо номера щетки будет стоять измеренная величина тока поводка. После проведения прибором измерений производится запись полученных данных из прибора в ПК, где они сразу же обрабатываются в виде табличных протоколов и распределений, которые архивируются для последующих сопоставлений и анализа изменения состояния ЩКА во времени.
Полученные данные (токи каждой щетки) можно просматривать также на индикаторе прибора, используя клавиатуру.
К настоящему времени накоплен достаточный опыт использования АТК-250. На электростанциях, где используетсяАТК-250, резко увеличивается глубина и информативность контроля и оперативному персоналу удается добиться и поддерживать оптимальные токораспределения, близкие к равномерным, когда токи щеток близки к среднему. В частности, можно отметить, что практически равномерное распределение токов вот уже в течение 4-х лет поддерживается на генераторах Северной и Южной ТЭЦ ОАО Ленэнерго, где данный прибор эксплуатируется с 1998 г.
Для примера здесь показаны распределения токов по щеткам и их гистограммы одного из пяти генераторов Северной ТЭЦ АО «Ленэнерго» до использования прибора АТК-250 на станции (рис. 2) и после проведения инструментального контроля за токораспределением и периодической целенаправленной регулировкой узла (рис. 3). Здесь, как принято на электростанциях, буквой «Г» отмечено контактное кольцо со стороны генератора, а буквой «В» — со стороны возбудителя (на каждом кольце 40 щеток). До настройки распределение токов характеризовалось следующими величинами: суммарные токи на кольцах «Г» и «В» – 1382/1322 А, средние значения токов щеток – 34,6/33,1 А, среднеквадратические отклонения – 39,4/34,2 А. После настройки токораспределение полярным образом изменилось от неудовлетворительного с большим числом перегруженных по току щеток и 50% практически незагруженных щеток к оптимальному, когда токи всех щеток близки к среднему значению. Параметры распределения теперь имеют следующие значения: суммарные токи на кольцах «Г» и «В» – 1202/1231 А, средние значения токов щеток – 30,1/30,8 А, среднеквадратические отклонения – 11,1/10,6 А. Таким образом, если до настройки среднеквадратическое отклонение токов щеток от среднего значения даже превышало само среднее значение, то после настройки эта величина сократилась более, чем в 3 раза. Контроль правильности проведенных измерений следует проводить, сравнивая суммы полученных значений всех токов каждого полюса между собой и с показаниями амперметра в цепи ротора на центральном щите станции. Правда, здесь надо иметь в виду, что идеальное равенство не достигается из-за погрешности измерительных приборов. Так, в приведенном примере сумма измеренных токов щеток на одном кольце – 1202 А, на другом кольце – 1231 А, в то время как прибор на щите показывал 1250 А. Максимальное расхождение показаний в 4% можно считать приемлемым. Подобные токораспределения имеют место и на других генераторах упомянутых ТЭЦ после начала инструментального контроля ЩКА с помощью приборов АТК.
По просьбам ряда электростанций создана упрощенная модификация АТК, успешно используемая на Северной и Южной ТЭЦ Ленэнерго, в которой исключен интеллектуальный аспект, связанный с хранением и возможной обработкой информации на ЭВМ. Имея ту же конструкцию, прибор лишен клавиатуры, снабжен более ярким светодиодным индикатором и кнопкой памяти последнего измеренного значения. Использование же светодиодного индикатора в интеллектуальном АТК пока затруднено из-за специфических технических трудностей, пока не преодоленных. Тем не менее, электростанции не желают полностью отказываться от интеллектуального АТК и используют обе модификации в сочетании друг с другом.
Руководство ОАО Ленэнерго, а также дирекции электростанций, уделяя большое внимание диагностике оборудования во время эксплуатации и понимая широкие возможности и очевидные преимущества прибора АТК-250, практически полностью удовлетворили потребность в них на тепловых электростанциях энергосистемы.
Сигнализатор искрения типа СИ-10-50Узел ЩКА достаточно часто повреждается из-за несвоевременного обнаружения повышенного искрения щеток [2], которое само является следствием большого числа факторов, из которых главными являются нарушение чистоты и гладкости контактных поверхностей, выкрашивание щеток, бой или эксцентриситет колец и коллекторов, повышенная вибрация машины, неравномерность распределения токов между щетками. Настройка равномерного токораспределения с помощью прибора АТК-250 не в полной мере решает проблему искрения, поскольку во-первых, как отмечено выше, нарушение равномерности не является единственной причиной искрения, а во-вторых, практика настройки токораспределения свидетельствует, что в ряде случаев настройка сохраняется довольно короткое время (несколько дней или недель), зависящее от общей изношенности узлов ЩКА. В этой связи целесообразно для повышения надежности вести непрерывный контроль за появлением искрения. Работы по созданию простого, оперативного и эффективного диагностического устройства, мгновенно сигнализирующего о появлении искрения в ЩКА, ведутся давно. ОРГРЭС в начале 90-х годов провел анализ ряда аварий, связанных с появлением кругового огня. Было установлено, что возрастание искрения от «темнового», невидимого под щеткой, до степени, предшествующей круговому огню на ЩКА, может составлять время порядка всего нескольких минут [10]. В рекомендациях электростанциям указывалось на целесообразность постоянного контроля за появлением искрения с помощью устройств, основанные на электромагнитном методе контроля искрения, поскольку температурный метод, основанный на контроле разности температур горячего и холодного воздуха, охлаждающего ЩКА, более чувствителен к нестационарным режимам генератора, менее динамичен и эффективен.
К настоящему времени у нас в стране и за рубежом разработано несколько таких устройств. Некоторые из них подключаются непосредственно к токоведущим элементам ЩКА [2,6,7], что связано с рядом существенных недостатков (устройство находится под напряжением контролируемой машины, надежность машины снижается из-за необходимости вскрытия элементов ЩКА, гарантия поставщика электрической машины снимается). Однако известны и устройства без гальванической связи с элементами ЩКА, основанные на регистрации высокочастотного радиоизлучения [3,8,9].
Все известные устройства, основанные на регистрации радиоизлучения ЩКА, включают в себя антенну, блок усиления и обработки сигнала и блок индикации и сигнализации. При этом большое внимание уделяется проблеме подавления помех, поскольку многие электрические машины, обладающие ЩКА, имеют в своем составе силовые электронные блоки, которые сами являются источниками мощного радиоизлучения в момент коммутации полупроводниковых вентилей. Указанные устройства различаются по методам решения этой проблемы.
У устройств [3,8,9] прием сигнала осуществляется на двухэлементную антенну, устанавливаемую под кожухом ЩКА. При этом элементы антенны настраиваются так, чтобы суммарный сигнал, подаваемый на вход блока усиления и обработки, не содержал помехи. Настройка ведется сугубо эмпирическим методом путем поиска оптимального расположения элементов и закрепления их в найденном положении. Такое решение обладает недостатками, связанными с необходимостью вскрытия кожуха ЩКА, сложной приборной настройки с помощью высококвалифицированных специалистов поставщика устройства, с большими временными затратами, с нарушением настройки при ремонте узла ЩКА, неуниверсальностью устройств по отношению к различным системам возбуждения и т.п.
Наиболее эффективным из упомянутых является устройство [8], которое является типичным представителем этой группы. Высокочастотное электромагнитное излучение от полупроводниковых блоков, входящих в состав контролируемой машины, наводит в антеннах, устанавливаемых под кожухом ЩКА, практически идентичные эдс, совпадающие по величине и форме. Вследствие этого, при подаче их на вход дифференциального усилителя, эти эдс вычитаются, а полезные сигналы от излучения под одной или несколькими щетками, которые имеют несимметричный характер, складываются. Хотя этот принцип следует признать плодотворным, присущие ему недостатки, отмеченные выше, препятствуют или весьма затрудняют массовое практическое применение подобных устройств.
ООО «Электротехнические системы 1» разработало и с 1998 г. поставляет эффективное устройство сигнализации искрения СИ-10-50 (рис. 4). Оно также относится к ряду устройств диагностики ЩКА, которые контролируют его состояние по радиоизлучению от щеток. СИ предназначен для непрерывного контроля работы ЩКА, как коллекторов, так и контактных колец, и сигнализации о повышенном искрении на одной или нескольких щетках.
Искрение щеток на контактных кольцах или коллекторе создают радиочастотный “шум”, напряженность магнитного поля которого пропорциональна уровню искрения. СИ выделяет характерные радиочастоты “шума” искрения, измеряет их интенсивность, автоматически отстраиваясь от сопутствующих радиопомех, вызванных работой систем обеспечения контролируемого агрегата. СИ сравнивает сигнал, обусловленный искрением щеток, со значением уставки и, в случае его превышения, подает аварийный сигнал (световой или звуковой) на блочный щит управления. СИ-10-50 надежно работает при любом типе ЩКА, будь то коллектор машин постоянного или переменного тока или кон-тактные кольца систем возбуждения синхронных машин.
Устройство состоит из приборного блока, соединительного высокочастотного кабеля и антенны. Антенна устанавливается непосредственно у ЩКА, а приборный блок – в месте, удобном для персонала станции (обычно камера возбуждения или газовый пост) на расстоянии не более 50 м от генератора. Конструкция одноэлементной антенны обеспечивает получение сигнала практически свободного от помех.
Напряжение питания прибора 220 В, 50 Гц. При этом допустимый диапазон его изменения соответствует требованиям, предъявляемым к устройствам релейной защиты и автоматики: (-20 ÷ +15)% от номинального напряжения.
Высокая чувствительность прибора позволяет определять наличие даже «темнового» искрения под щеткой, которое визуально наблюдать весьма сложно. Наличие такого искрения можно наблюдать на экране осциллографа, подключенного к высокочастотного выходу устройства. Сигнал помехи имеет регулярный характер и неизменную амплитуду, и его легко отличить от сигнала искрения, имеющего спонтанный характер и значительно большую амплитуду. Интересно, что при осциллографировании сигнала антенны появляется возможность дополнительно визуально наблюдать и контролировать работу диодов или тиристоров системы возбуждения.
Чувствительность устройства достаточна для сигнализации о появлении искрения уровня 1½ по ГОСТ 183-74 в установках со статическими системами возбуждения и уровня 1¼ в установках со всеми другими системами возбуждения.
Устройство имеет 12 уставок загрубления, вводимых с помощью переключателя на лицевой панели приборного блока. Даже при минимальной чувствительности (максимальное загрубление, уставка 12) прибор сигнализирует о появлении искрения уровня 3 по ГОСТ 183-74.
Для включения в цепь сигнализации на ЦЩУ (БЩУ) станции устройство имеет сигнальный выход типа “сухой контакт”. Твердотельное реле обеспечивает оптоэлектронную развязку цепей сигнализации и самого прибора.
Схема устройства обеспечивает работу реле вне зависимости от полярности подключения внешних цепей сигнализации и при работе с цепями сигнализации на переменном токе. Рекомендуемая схема внешних устройств сигнализации приведена на рис. 5 и включает в себя указательное реле РУ21, промежуточное реле РП (или без него) и табло на БЩУ для световой индикации появления искрения в ЩКА генератора (на схеме условно показано в виде лампочки). Помимо этого устройство имеет аналоговый выход для связи со стрелочными, цифровыми или самопишущими вольтметрами, а также для связи с персональным компьютером. Аналоговый выход может быть как потенциальным (0-5(10) В), так и токовым – (0-20 мА). Например, Рефтинская ГРЭС Свердловэнерго использует токовый выход для подключения СИ-10-50 к имеющемуся на станции компьютеру с импортным программным обеспечением. Кроме аналогового выхода имеется цифровой выход для подключения к СОМ-порту компьютера и использования поставляемого в этом случае программного обеспечения, разработанного изготовителем. Поставляемое программное обеспечение позволяет протоколировать и архивировать показания устройства, а также формировать сигнал о превышении уровня искрения над выбранной величиной уставки.
Устройства СИ-10-50 в настоящее время поставляются и эксплуатируются в АО Ленэнерго, Мосэнерго, Тюменьэнерго, Свердловэнерго, Пермэнерго, Саратовэнерго, Омскэнерго, Рязаньэнерго и других энергосистемах. Ими укомплектованы ЩКА всех генераторов Северной ТЭЦ АО Ленэнерго, ЩКА генераторов и возбудителей Южной ТЭЦ АО Ленэнерго. Устройства СИ-10-50 сертифицированы.
Опыт применения описанных устройств показал, что они свободны от недостатков, присущих устройствам [3-5]: для их установки не нужно вскрывать устройства машины, не требуется сложная и длительная настройка (установка антенны и настройка всего устройства требуют не более часа), при ремонтах достаточно просто отсоединить разъем антенны от блока усиления и обработки сигнала. Даже если возникнет необходимость снять антенну, повторная ее установка не представляет никакой сложности. При этом необходимо отметить, что все работы могут производиться персоналом заказчика без вызова специалистов изготовителя устройства.
В 1999 г. на Северной ТЭЦ АО Ленэнерго устройство успешно прошло испытания по программе РАО ЕЭС России. Опыт эксплуатации сигнализаторов СИ-10-50 показывает, что эти устройства отличаются высокой чувствительностью, универсальностью по отношению к системам возбуждения, простотой монтажа и обслуживания, устойчивостью к помехам, надежностью и невысокой стоимостью. Например, ТЭЦ ВАЗ’а, ведя инструментальный контроль за то-кораспределением в ЩКА с помощью интеллектуальных токовых клещей, для повышения надежности работы дополнительно оснащает узлы ЩКА генераторов устройствами СИ-10-50 для непрерывного контроля за спонтанным искрением, не обусловленным неравномерностью токовой нагрузки на щетки. Вместе с тем, по данным Северной ТЭЦ ОАО Ленэнерго, обеспечение близкого к равномерному токораспределения щеток с помощью инструментального контроля прибором АТК-250 и регулярной настройки, привело к резкому снижению частоты появления повышенного искрения и повышению надежности эксплуатации узла в целом.