BADANIA DIAGNOSTYCZNE WIRNIKÓW GENERATORÓW SYNCHRONICZNYCH

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 62 Politechniki Wrocławskiej Nr 62 Studia i Materiały Nr badania diagnostyczne, wirniki, wyważanie dynamiczne,maszyna krytyczna, eksploatacja Józef BIELA*, Krystyna MACEK-KAMIŃSKA** BADANIA DIAGNOSTYCZNE WIRNIKÓW GENERATORÓW SYNCHRONICZNYCH Diagnostyka wirników generatorów synchronicznych obejmuje całą paletę badań i prób umożliwiających sprawdzenie ich parametrów elektromechanicznych. W badaniach analizowane są m.in. zagadnienia: własności dynamicznych wirników, stanu izolacji głównej i międzyzwojowej oraz cieplno-mechaniczne. W niniejszym opracowaniu autorzy, na przykładzie wirników dużych maszyn synchronicznych (generatorów), pragną wykazać, że dorobek wnioskowania diagnostycznego i metod badawczych ma ogromne znaczenie praktyczne, dzięki czemu możliwe jest zapewnienie długotrwałej i niezawodnej eksploatacji badanych urządzeń, co również ma znaczenie ekonomiczne. 1. BADANIA DIAGNOSTYCZNE, SFORMUŁOWANIE PROBLEMU W ramach diagnostyki technicznej maszyn, ze względów technicznych i ekonomicznych, istnieje potrzeba opracowania uniwersalnej metodyki oraz zaprojektowanie i wyposażenie stanowiska diagnostycznego wirników generatorów synchronicznych, które umożliwiałoby sprawdzenie ich parametrów elektromechanicznych oraz jednoznaczną ocenę ich przydatności do długotrwałej i niezawodnej eksploatacji. Diagnostyka i ocena tych wirników powinna być przeprowadzana na etapie zdawczo odbiorczym z ich produkcji, remontu lub modernizacji. Na podstawie aktualnego stanu wiedzy, zadaniem autorów, można by sformułować następującą tezę, że: możliwe jest opracowanie metodyki badań wirników generatorów synchronicznych, która w połączeniu z odpowiednio zaprojektowanym stanowiskiem diagnostycznym pozwoli na sformułowanie kryteriów oceny przydatności badanych wirników do długotrwałej i niezawodnej pracy. Problem naukowy związany z postawionym tematem polega na opracowaniu określonego programu badań diagnostycznych, który umożliwia przede wszystkim: * ELTEL Networks S.A. Poznań, jozef.biela@eltelnetworks.com, ** Politechnika Opolska Opole, k.macek-kaminska@po.opole.pl

2 475 uformowanie i uspokojenie dynamiczne wirnika, swobodę ruchów termicznych uzwojenia, przygotowanie wirnika do częstych cykli rozruchowo-wybiegowych, długotrwałą eksploatację generatorów w zmiennym zakresie obciążenia. Generatory synchroniczne, w praktyce eksploatacyjnej, najczęściej są wykorzystywane jako wytwornice energii elektrycznej przesyłanej do systemu elektroenergetycznego. Wytwarzaniu energii elektrycznej przez generatory synchroniczne poprzez jej przekształcanie z energii cieplno-mechanicznej w elektryczną towarzyszą niepożądane ruchy maszyny zwane drganiami. Drgania niepotrzebnie zużywają energię, obniżają jakość realizowanego procesu wytwarzania energii elektrycznej, zagrażają zdrowiu i bezpieczeństwu personelu a nawet mogą doprowadzić do awaryjnego zniszczenia maszyny elektrycznej (generatora)[2]. Ze względów technicznych i ekonomicznych należy skupić się na analizie drgań maszyny (generatora) i metod ich eliminowania. 2. WYWAŻANIE DYNAMICZNE WIRNIKA GENERATORA W maszynach elektrycznych (generatorach) przeważnie wirnik jest jedynym ruchomym elementem maszyny, a więc jedynym źródłem zjawisk dynamicznych w maszynie wirnikowej. Z punktu widzenia dynamiki rozróżnia się wirniki sztywne i wirniki giętkie. Kryterium podziału wirników na wirniki sztywne i wirniki giętkie jest istnienie krytycznej prędkości obrotowej wirnika. Jeśli podczas uruchamiania wirnika ze stanu spoczynku do prędkości obrotowej znamionowej nie występują prędkości rezonansowe, to znaczy nie ma prędkości obrotowych krytycznych, to taki wirnik jest wirnikiem sztywnym. Dla wirnika sztywnego stan niewyważenia nie zależy od prędkości obrotowej. Jeśli natomiast podczas uruchamiania wirnika ze stanu spoczynku do prędkości obrotowej znamionowej występują prędkości rezonansowe, to znaczy wirnik posiada prędkości obrotowe krytyczne, to taki wirnik jest wirnikiem giętkim. Dla wirnika giętkiego stan niewyważenia jest zależny od prędkości obrotowej wirnika [5]. Minimalizację stanu niewyważenia czyli wyważanie dla wirnika sztywnego można wykonać przy dowolnej prędkości obrotowej wirnika, natomiast dla wirnika giętkiego procesu wyważania należy dokonać w całym zakresie prędkości obrotowej wirnika. Czynności związane z pomiarem drgań, monitorowaniem, diagnostyką oraz dynamicznym wyważaniem modalnym wirników przeprowadza się w odwirowni na wyważarce dynamicznej, którą przedstawiono na rys. 1. Natomiast w tabeli 1 przedstawiono klasyfikację wirników generatorów, które udało się autorom przebadać podczas opracowywania nowego programu badań wirników generatorów synchronicznych.

3 476 Rys. 1. Wnętrze tunelu (bunkra) odwirowni z zamontowaną wyważarką dynamiczną ze stojakami izotropowymi oraz zamontowanym na nich wirnikiem generatora synchronicznego Fig. 1. The interior of the tunnel (the bunker) odwirowni with installed dynamic balancing equipment with isotropic stands and to installed on them with the rotor of the synchronous generator Tabela 1. Klasyfikacja przebadanych wirników generatorów synchronicznych pod względem ich mocy znamionowej oraz ich liczby jako rzeczywistych modeli obiektów badań diagnostycznych. Table 1. The classification of examined rotors of synchronous generators in respect of their power of birth-mark and their numbers as real models of objects of diagnostic research Moc w MW przebadanych wirników Liczba sztuk danego rodzaju przebadanych wirników Moc w MW przebadanych wirników Liczba sztuk danego rodzaju przebadanych wirników 1,6 3, , Długoletnie doświadczenie praktyczne i eksploatacyjne oraz wnioskowanie i obserwacje diagnostyczne, zarówno na etapie wytwarzania i remontów wirników, jak również eksploatacji elektrycznych maszyn wirujących, skłaniają autorów do zaproponowania nowego programu badań i diagnostyki wirników dużych elektrycznych maszyn synchronicznych.

4 METODYKA BADAŃ WIRNIKÓW GENERATORÓW SYNCHRONICZNYCH Nowy program badań [2] i diagnostyki uwzględnia zwiększenie wymagań dotyczących trwałości wirnika generatora w trakcie długotrwałej eksploatacji. Program badań wirnika generatora synchronicznego obejmuje: 1. Pomiar rezystancji izolacji głównej wirnika generatora na postoju. 2. Pomiar rezystancji uzwojenia wirnika generatora w temp. otoczenia, na postoju. 3. Pomiar impedancji uzwojenia wirnika generatora w temp. otoczenia, na postoju. 4. Pomiar centryczności wirnika generatora wolne obroty wirnika. 5. Pomiar drgań łożysk oraz względnych i bezwzględnych drgań wału wirnika generatora podczas wdrażania dynamicznego wirnika. 6. Wstępne wyważanie dynamiczne modalne wirnika generatora - wolnoobrotowe. 7. Zdjęcie charakterystyk dynamicznych drgań łożysk i wału wirnika generatora. 8. Pomiar rezystancji izolacji głównej wirnika generatora przy 3000 obr/min. 9. Pomiar impedancji uzwojenia wirnika w funkcji prędkości obrotowej od 0 do 3000 obr/min., przy U = constans np. 200 V. 10. Wykonanie oscylogramów zwarć zwojowych uzwojenia wirnika generatora przy obrotach wirnika np. 500 obr/min., 1500 obr/min. i 3000 obr/min. i ich analiza. 11. Wykonanie sezonowania (co najmniej dwukrotnie) termicznego wirnika generatora na obrotach przy 3000 obr/min. poprzez nagrzanie uzwojenia wirnika prądem (od 600 do 1000 A) do temperatury 100 C oraz szybkie ostudzenie (schłodzenie) wirnika generatora do temperatury około 50 C. W trakcie sezonowania termicznego, zdejmować charakterystyki drgań łożysk i wału wirnika generatora oraz temperaturę uzwojenia i beczki wirnika. 12. W trakcie sezonowania termicznego wirnika, po osiągnięciu temperatury wirnika 100 C, na obrotach dokonać pomiaru rezystancji izolacji głównej wirnika generatora oraz następnie pomiaru impedancji uzwojenia wirnika w funkcji prędkości obrotowej od 0 do 3000 obr/min. i temperaturze wirnika 100 C. 13. Wykonanie oscylogramów zwarć zwojowych uzwojenia wirnika generatora przy obrotach wirnika np. 500 obr/min., 1500 obr/min. i 3000 obr/min. w temperaturze wirnika 100 C i ich analiza. 14. Wykonanie próby wytrzymałości mechanicznej wirnika (odwirowanie) przy n = 3600 obr/min.(120% n n ) w czasie t = 2 minuty, przy temperaturze wirnika 100 C. 15. Wykonanie oscylogramów zwarć zwojowych uzwojenia wirnika generatora przy obrotach wirnika np. 500 obr/min., 1500 obr/min. i 3000 obr/min. w temperaturze wirnika generatora 100 C i ich analiza. 16. Pomiar rezystancji izolacji głównej wirnika przy 3000 obr/min. przy temperaturze wirnika generatora 100 C. 17. Pomiar impedancji uzwojenia wirnika w funkcji prędkości obrotowej od 0 do 3000 obr/min., przy U = const. np. 200 V i temp. wirnika generatora 100 C.

5 Wykonanie próby wytrzymałości izolacji głównej wirnika generatora (próba napięciowa) w czasie 1 minuty przy 3000 obr/min. i temperaturze wirnika generatora 100 C wysokość napięcia próby według wskazań norm. 19. Pomiar rezystancji izolacji głównej wirnika przy 3000 obr/min. przy temperaturze wirnika generatora 100 C. 20. Korekcyjne wyważanie dynamiczne modalne wirnika generatora przy temperaturze wirnika generatora 100 C. 21. Zdjęcie charakterystyk dynamicznych drgań łożysk i wału wirnika dla stanu gorącego wirnika generatora. 22. Schładzanie wirnika generatora do temperatury około 30 C. 23. Zdjęcie charakterystyk dynamicznych drgań łożysk i wału wirnika dla stanu zimnego wirnika generatora. 24. Pomiar rezystancji izolacji głównej wirnika generatora, przy 3000 obr/min. w temperaturze otoczenia. 25. Pomiar rezystancji uzwojenia wirnika generatora, przy 3000 obr/min. w temperaturze otoczenia. 26. Pomiar impedancji uzwojenia wirnika w funkcji prędkości obrotowej od 0 do 3000 obr/min., przy U = constans np. 200 V, w temperaturze otoczenia a następnie pomiar powtórzyć przy postoju wirnika. 27. Pomiar centryczności wirnika generatora wolne obroty wirnika przy pomocy obracarki wyważarki. 28. Pomiar rezystancji uzwojenia wirnika generatora w temp. otoczenia, na postoju. 29. Pomiar rezystancji izolacji głównej wirnika generatora na postoju. 30. Analiza wyników prób i pomiarów wirnika generatora i sporządzenie protokołu. W zależności od indywidualnych potrzeb, program ten może być nieznacznie modyfikowany przez diagnostę prowadzącego badania diagnostyczne zdawczo-odbiorcze wirnika generatora synchronicznego za wiedzą użytkownika wirnika. Posiadana własna wiedza diagnostyczna oraz wieloletnia eksploatacja przebadanych wirników [1] zgodnie z powyżej przedstawionym programem potwierdzają, że eksploatowane wirniki przez długi okres eksploatacji zachowują dobre parametry wibroakustyczne i elektryczne. 4. PODSUMOWANIE Możliwość zrealizowania badań diagnostycznych wirnika generatora synchronicznego w trakcie jego produkcji, remontu lub modernizacji, a głównie na etapie zdawczo-odbiorczym według określonego programu badań diagnostycznych umożliwia: uformowanie i uspokojenie dynamiczne wirnika poprzez odpowiednie ukształtowanie jego charakterystyki dynamicznej, swobodę ruchów termicznych uzwojenia wirnika w stosunku do układu izola-

6 479 cyjnego oraz innych elementów konstrukcyjnych, przystosowanie wirnika do częstych cykli rozruchowo-wybiegowych, zgodnych z przyjętym reżimem i cyklami eksploatacji, długotrwałą eksploatację generatora w zmiennym zakresie obciążenia, zgodnym z przyjętym programem jego eksploatacji. Na podstawie wnioskowania diagnostycznego z opracowanej metodyki badań diagnostycznych wirników generatorów synchronicznych można wyciągnąć wnioski: 1. Proces dynamicznego modalnego wyważania wirnika generatora prowadzi do uformowania i uspokojenia charakterystyki dynamicznej wirnika. 2. Badania diagnostyczne korpusów wirnika generatora umożliwiają wykrycie ich pęknięć, co zapobiega potencjalnym katastrofom w trakcie eksploatacji wirnika. 3. Próby i badania przeprowadzone na wirniku kompletnym umożliwiają uformowanie i uspokojenie jego charakterystyki dynamicznej i sprawdzenie jego parametrów elektromechanicznych. Godnym odnotowania jest również fakt, że z całej partii (274 sztuki) różnych wirników generatorów, które były używane jako modele rzeczywiste do opracowania opisywanej metodyki badań, nie odnotowano ani jednej reklamacji. Zauważono wręcz odwrotną sytuację, że stan dynamiczny wszystkich przebadanych wirników generatorów synchronicznych był tak dobry i stabilny w czasie, że podczas całego okresu ich eksploatowania był stanem dobrym określanym przez normy międzynarodowe [4]. LITERATURA [1] BIELA J., Diagnostyka układów elektroizolacyjnych maszyn elektrycznych wirujących, Śląskie Wiadomości Elektryczne nr 5/2003. [2] BIELA J., Opracowanie metodyki badań diagnostycznych wirników generatorów synchronicznych, Praca doktorska, Opole [3] BIELA J.; MACEK-KAMIŃSKA K., Badania diagnostyczne wirników generatorów synchronicznych a ich długotrwała eksploatacja, Materiały XLI Sympozjum Maszyn Elektrycznych, Opole Jarnołtówek [4] BIELA J.; NOWICKI R., Współczesne metody serwisowej oceny stanu technicznego maszyn wirnikowych, Energetyka nr 4/2004. [5] PASZEK W., Dynamika maszyn elektrycznych prądu przemiennego, Wyd. Helion Gliwice DIAGNOSTIC EXAMINATIONS OF ROTORS OF SYNCHRONOUS GENERATORS Synchronous generators rotors diagnostics contains whole spectrum of tests and examinations that make checking of their electromechanical parameters possible, which mainly comprise problems of turbomachine dynamics, main and inter-winding isolation and thermo-mechanical rotor diagnostic examinations. Article presents some of the aspects of diagnostic examinations of rotors as the element of critical machines.