Испытание на нагрев железа активной стали турбогенератора

Порой еще их называют испытания на нагрев стали статора. И путают с испытаниями на нагревание. Хотя это совершенно разные испытания. Испытания на нагревание производятся на работающей машине при различных нагрузках по активной и реактивной мощности. А вот испытания на нагрев происходят на статоре турбогенератора, из которого вынут ротор и который не находится под напряжением. Целью испытаний является определение активных потерь в стали статора и определение превышения температуры.

Данный вид испытаний описан в нормах стран СНГ. Например, ниже ссылки на данный вид испытаний для РБ и РФ:

• п.3.12 «Объемы и нормы испытаний электрооборудования. РД 34.45-51.300-97» Шестое издание (утв. ОАО РАО «ЕЭС России» 08.05.1997)
• п.6.12 “СТП 33243.20.366-16 - Нормы и объем испытаний электрооборудования Белорусской энергосистемы”

Ниже опишем, что написано в нормах про испытания стали статора

Тут основное различие в мощности генераторов, которые для данного типа испытаний классифицируются на два вида: до 12МВт и выше 12МВт. С чем связано это различие? Жду ваших ответов в комментариях.

Для генераторов ниже 12МВт:

• производить испытания следует: при полной замене обмотки; при ремонте стали (не реже раза в 10 лет)

Если мощность ТГ выше 12МВт:

• испытания проводят: при повреждениях стали статора; переклиновке пазов, замене обмотки (частичной или полной) статора, до укладки и после заклиновки новой обмотки
• периодичность испытаний в РФ каждые 5-8 лет, а в РБ в период капремонтов ТГ (примерно раз в пять лет)

Далее генераторы можно разделить еще на два типа:

• с косвенным охлаждением обмоток испытываются при индукции в спинке статора 1±0,1 Тл на протяжении 90 минут
• с непосредственным охлаждением обмоток или генераторы изготовленные после 01.07.1977 испытываются индукцией 1,4±0,1 Тл на протяжении 45 минут

Возможно, вы подскажете в комментариях, что значит дата 01.07.1977 ?

Если добиться указанной индукции не получается, то возникает интересный момент - в российских нормах допускается испытывать при отклонении не более ±0,1 Тл, а в нормах РБ этого ограничения нету и испытывать получается проще.

Методика испытаний стали статора турбогенератора

Приведем схему, которую собирают для испытания стали статора

У нас есть контрольная и намагничивающая обмотки. Контрольная тонкая, намагничивающая - это кабель обычно. Между обмотками желательно соблюдать девяносто градусов. Контрольной обмотки у нас один виток - на концы этого витка подключается вольтметр и два вольтовых конца ваттметра. На намагничивающую обмотку вешается бублик (ТТ) и от него питается амперметр и амперная обмотка ваттметра.

Для определения индукции существует формула:

\[ B_{\text{оп}} = \frac{U_k \times 10^4}{4.44 \times f \times w_k \times Q} = \frac{45 \times U_k}{w_k \times Q}\]

В вышеприведенной формуле:

• Bc - значение индукции в спинке статора, Тл
• Uk - напряжение контрольной обмотки
• f - частота в сети
• wk - число витков контрольной обмотки
• Q - площадь поперечного сечения спинки активной стали, см2

Иногда в эту формулу вставляют число витков намагничивающей обмотки, но это неправильно. Ниже в форме таблиц приведем справочные данные из различных источников в помощь при расчетах.

А вот еще табличка из более старинного источника

Намагничивающую обмотку мы будем учитывать в формуле активной мощности.

Число витков контрольной обмотки обычно 1, раньше мотали и больше, чтобы показания приборов выходили за середину шкалы, но сейчас есть приборы, которые переключают предел, так что можно обойтись и числом витков равным 1.

Если мы в РФ, то мы знаем индукцию (1 и 1,4) и можем “играть” с wк и Uк. Или например, берем один виток и определяем требуемое напряжение.

В РБ же просто подключаем схему к сети, измеряем напряжение и высчитываем индукцию. Далее по формуле, которая будет приведена ниже, определяем требуемое время испытаний для данной величины индукции.

\[ t_{\text{исп}} = 90 \left( \frac{1.0}{B_{\text{оп}}} \right)^2 \] \[ t_{\text{исп}} = 45 \left( \frac{1.4}{B_{\text{оп}}} \right)^2 \]

С числом витков намагничивающей обмотки, как я понимаю, ситуация следующая. Есть сила тока, которая протекает во время испытаний. Её можно определить по формуле I=F/wн. Значение F - известно или же его можно рассчитать.

\[ F = \pi \cdot D_{\text{ср}} \cdot H \]

в этой формуле:

• пи - тричетырнадцать (3,14)
• Dср - внешний диаметр сердечника статора минус высота спинки, в метрах.
• Н - удельная намагничивающая сила, определяется для конкретной марки стали.

То есть регулируя количество витков намагничивающей обмотки, мы определяем ток, который будет в ней течь. А зная ток, мы можем прикинуть и допустимое  сечение кабеля по диаметру. При этом изоляция кабеля должна выдерживать две величины подаваемого напряжения как минимум.

Но чаще, у нас имеется определенный кабель, который мы используем для данного вида испытаний. И зная допустимый ток нашего кабеля, мы подгоняем количество витков намагничивающей обмотки на него.

Существует понятие напряжения на один виток обмотки при расчетной индукции:

\[ U_{\text{витка}} = 4.44 \cdot f \cdot B_{\text{оп}} \cdot Q_a \]

\[ U_{\text{н}} = U_{\text{витка}} \cdot w_{\text{н}} \cdot 1.05 \]

\[ U_{\text{к}} = U_{\text{витка}} \cdot w_{\text{к}} \]

Чтобы получить требуемое напряжение для испытаний, можно использовать:

• сеть
• трансформатор, запитанный от сети
• синхронный генератор в двухфазном режиме
• индукционный регулятор

Предпочтительнее выступает питание, при котором не будет искажаться форма кривой (трансформатор, индукционный регулятор, питаемые от сети).

Получается с числом витков определились. На верхнем рисунке у нас есть трансформатор тока, вольтметр, амперметр и ваттметр. При испытаниях класс точности измерительных приборов должен быть не ниже 0,5.

Основной этап

Кроме приборов и обмоток, при испытаниях стали следует следить за величиной нагревов пакетов стали. Для этих целей удобно использовать тепловизор, но можно обойтись и показаниями термопар.

Вначале испытаний необходимо замерить температуры статора в холодном состоянии. От этих температур дальше и будем плясать.

К этому этапу уже намотаны обмотки, подключены приборы, высчитано время проведения испытаний - осталось лишь включить источник питания. И он включается, засекается время. Проверяется напряжение обмотки и в случае отличия от расчетной пересчитывается время проведения испытаний.

Показания температур снимаются каждые 10-15 минут. Следует следить за перегревом и разницей нагревов (про эти параметры написано ниже). Записывается значение тока, напряжения, мощности, пределы на которых производится измерение ваттметра, коэффициент трансформатора тока.

По окончании испытаний данные будут анализироваться.

Определение разницы нагрева зубцов статора и потерь в спинке

На данном этапе анализируются полученные данные.

Анализируя полученные термограммы или величины сопротивлений термопар, следим за следующим: разница между начальной температурой и конечной температурой самого нагретого зубца в конце испытаний (перегрев), разница между самым холодным и самым нагретым зубцами в конце испытаний (разница нагревов). Нормы следующие:

• для генераторов до 1977 года перегрев- <25, разность нагревов <15 градусов Цельсия
• для генераторов после 1977 года перегрев- <18, разность нагревов <10 градусов Цельсия

В самой большой книге про генераторы также следующая величина: для генераторов до 1958 года перегрев- <45, разность нагревов <30 градусов Цельсия

В общем, в каждой стране свои нормы и следуйте за ними.

С температурами понятно, а вот с показаниями приборов предстоит сделать следующее.

Определение потерь в спинке, измеренных в опыте

Значит, если мы делали испытания ваттметром, вольтметром, амперметром и трансформатором тока, то формула приобретет следующий вид:

\[ P = (П_I \cdot П_U / D_W) \cdot p \cdot k_{\text{тт}} \cdot \cos\phi \cdot \left(\frac{w_{\text{н}}}{w_{\text{к}}}\right) \]

В формуле выше:

• Пi - предел ваттметра по току
• Пu - предел ваттметра по напряжению
• Dw - число делений прибора
• p - показание прибора, в делениях
• Kтт - коэффициент трансформации ТТ
• cosf - коэффициент мощности прибора
• wk - число витков контрольной обмотки
• wн - число витков намагничивающей обмотки

Далее полученные потери необходимо привести к требуемой величине индукции.

\[ P_{1.0} = P_{\text{оп}} \cdot \left(\frac{1.0}{B_{\text{оп}}}\right)^2 \]

\[ P_{1.4} = P_{\text{оп}} \cdot \left(\frac{1.4}{B_{\text{оп}}}\right)^2 \]

Раньше еще потери приводили к частоте сети и форме синусоидальной кривой, сейчас вроде таким не занимаются.

Затем полученные потери делим на массу железа и получаем удельные потери в Вт/кг.

\[ △P = \frac{P}{G} \]

Полученные удельные потери, приведенные к индукции 1,0 или 1,4Тл сравниваем с данными из таблички ниже (взята из норм).

В случае, если витки обматывают кроме железа еще и корпус машины, то полученные потери можно увеличивать на 10%.