книги / Надежность электрических машин

21

В период нормальной эксплуатации двигателей, наступающий после 3–5 тыс. ч, интенсивность отказов начинает устанавливаться

около некоторой средней величины порядка (0,5 −1) 10−5 ч–1.

Впериод нормальной эксплуатации отказы асинхронных машин зависят от следующих внешних факторов, связанных с возрастанием нагрузок: коммутационных перенапряжений, перегрузок по току, чрезмерных возрастаний по разным причинам нагрузочного момента, работынадвух фазах и т. д.

После проведённой приработки эксплуатационные отказы, возникающие из-за всевозможных дефектов, связанных с чрезмерным возрастанием нагрузок, возможным заклиниванием приводимого механизма, возникновением вибраций, возможных ударов двигателей, с попаданием внутрь их пыли, твёрдых частиц, жидкостей, с обдувом, чисткой, смазкой двигателей, восстановлением покрытий и др., могут быть предотвращены правильным, тщательным обслуживанием, регулярным уходом, а также надлежащей защитой и своевременными и качественными текущими ремонтами двигателей.

Под неудовлетворительной защитой следует понимать отсутствие тепловой защиты или её отказ. Исследования показали, что разброс времени срабатывания тепловой защиты, даже ненастроенной, практически не влияет на аварийность. При защите электродвигателей плавкими вставками, что имеет место в большинстве случаев, они отказывают вследствие работы на двух фазах. Материалы эксплуатации свидетельствуют о том, что 80 % аварий (вследствие работы на двух фазах) происходит из-за отсутствия тепловой защитыи только 20 % – из-занеисправности.

Длительность периода нормальной эксплуатации асинхронных двигателей в зависимости от условий их правильной эксплуатации при умеренных нагрузках измеряется многими годами. Известно, что вследствие систематической недогрузки большинства асинхронных двигателей общепромышленного применения после 30–35 тыс. ч работы (7–9 лет эксплуатации) отказы из-за теплового старения изоляции ещё не возникают, что соответствует результатам теоретического анализа.

22

Продолжительные наблюдения за АД в износовый период, особенно за двигателями, работающими в тяжёлых условиях при высоких нагрузках, позволили обнаружить появление через 3–5 лет износовых отказов в зависимости от условий эксплуатации. Например, восьмилетние наблюдения за асинхронными двигателями МТКВ-42-8, используемыми для привода механизмов передвижения крышек нагревательных колодцев в металлургической промышленности, позволили получить гистограмму распределения отказов, близкую к нормальному распределению. Таким образом, был установлен средний срок службы этих двигателей, равный 4,32 года при дисперсии в 1,95 года. Аналогичным образом была установлена средняя продолжительность безотказной работы крупных высоковольтных асинхронных двигателей тепловых электростанций по результатам обработки тысячи машин, при этом она составила 8,7 года при дисперсии в 4,9 года.

В асинхронных двигателях сравнительно небольшой мощности, для которых довольно типично нормальное или логарифмически нормальное распределение отказов, износовые отказы обнаруживаются легче. Они возникают вследствие старения изоляции обмотки или выхода из строя подшипников, последнее происходит чаще. Статистика показала, что распределение времени возникновения износовых отказов машин мощностью до 10 кВт лучше согласуется с логарифмически нормальным распределением, чем с нормальным или распределением Вейбулла.

Одна из распространенных причин повышенной интенсивности отказовдляразличныхтиповэлектродвигателей– вибрацияагрегата, которая влечёт за собой отказы подшипников, обмотки, а иногда итрещины в чугунной оболочке электродвигателя и в лапах. Повышенная вибрация объясняется неудовлетворительным сочленением электродвигателя и исполнительного механизма, остаточной неуравновешенностью вращающихся масс, повышенным зазором между телами качения и кольцами шарикоподшипника, искажением формы посадочных мест под установку подшипника или их несоосностью, овальностьюколецшарикоподшипникаит. п.

23

В ряде случаев к отказам приводит несоответствие конструктивного исполнения электродвигателей и условий эксплуатации, например применение электродвигателей защищенного исполнения в цехах с повышенным содержанием чугунной пыли. Это существенно увеличивает количество отказов по сравнению с применением в тех жеусловияхэлектродвигателейзакрытогообдуваемогоисполнения.

Надёжность различных типов асинхронных двигателей значительно отклоняется от средней величины. Анализ статистики по двигателям общепромышленного применения показал, что наибольшей надёжностью обладают двигатели типов АО и АО2 основного исполнения, для которых вероятность надёжной работы в течение 8000 ч составляет 0,85–0,9 и 0,75–0,93 соответственно. Меньшей надёжностью отличаются двигатели типов АОЛ и АОЛ2, надёжность которых для той же наработки составляет 0,6–0,7. Для типов А и АО с алюминиевой обмоткой надёжность (для 8000 ч) является наименьшей: 0,4–0,65 и 0,3–0,5 соответственно. Наименьшая надёжность двигателей АО обусловлена ненадёжностью соединения алюминиевой обмотки с медными выводными концами. Низкая надёжность электродвигателей АОЛ и АОЛ2 объясняется недостаточной жёсткостью подшипниковых щитов.

Отказы синхронных машин. Получение и обработка статистических данных об отказах и повреждениях крупных СМ для получения показателей надёжности связаны с длительностью сроков наблюдения (исчисляемых десятками лет, например, для исследования явлений износа и старения), возрастающей сложностью конструкций СМ, их систем возбуждения и регулирования, охлаждения, масло-, газо- и водоснабжения, что в целом ведёт к увеличению разнообразия причин отказов и дополнительному затруднению статистической обработки имеющихся данных.

Полученная таким образом статистическая информация о повреждаемости крупных СМ носит общеориентированный характер. Однако данные эксплуатации являются основным источником для получения хотя бы приближённых показателей надёжности, так как организация испытаний крупных СМ на надёжность не представляется возможной.

24

Дополнительная информация о надёжности может быть получена путём поэлементных испытаний отдельных деталей и узлов: стержней обмотки, уплотнений, охладителей, устройств системы маслоснабжения и т. д.

Особенностью условий работы крупных синхронных генераторов является относительно высокое качество обслуживания. Количество отказов по причинам, связанным с ошибками эксплуатации, обычно соизмеримо с количеством отказов из-за дефектов изготовления. Вместе с тем в процессе эксплуатации обычно происходит доводка, усовершенствование, модернизация генераторов и вспомогательного оборудования, что позволяет повысить надёжность синхронных машин. Другой особенностью эксплуатации крупных синхронных машин являются периодические капитальные и плано- во-предупредительные ремонты и испытания, в процессе которых обнаруживаются различные повреждения (например, пониженная электрическая прочность изоляции, попадание масла на обмотки, нарушение креплений, ослабление прессовки активной стали и др.), своевременное устранение которых повышает надёжность машин, так как уменьшает вероятностьотказов аварийного характера.

Статистические данные свидетельствуют о том, что одной из основных причин отказов синхронных машин являются заводские дефекты, которые возникают чаще конструкционных. В течение первого периода работы – приработки (5–10 тыс. ч) – заменяются и ремонтируются детали, обладающие заводскими дефектами. Затем наступает период нормальной эксплуатации, продолжительность которого в обычных условиях составляет 15–20 лет. В конце этого периода начинается постепенное учащение отказов, связанное с износом и старением изоляционных и других материалов и элементов конструкции.

Для оценки эксплуатационной надёжности синхронных генераторов широко применяется понятие удельной повреждаемости (удельного числа аварийных отключений), которое представляет собой среднее число аварийных отключений на одну машину в год, выраженное в процентах от общегочисла отключений.

25

В табл. 4 приводятся усреднённые данные за 7 лет о распределении удельного числа повреждений по их причинам.

Статистика показывает, что удельная повреждаемость возрастает с увеличением мощности машин:

Таблица 4

Удельная повреждаемость синхронных машин, %, в зависимости от причин повреждений

В частности, относительно высока повреждаемость крупных блочных генераторов с форсированным охлаждением. Отказы турбогенераторов мощностью 300 МВт (на 1970 г.) ТГВ-300 со-

ставляли от 3670 до 4858 ч, ТВВ-320-2 – от 4059 до 5756 ч. По-

вышение надёжности турбогенераторов за счёт ряда мероприятий не снижает общей тенденции её уменьшения с увеличением мощности машин, которая сохраняется и за рубежом. Так, в докладе Эдисоновского института (США) приводятся данные о надёжности крупных блоков за 1960-е годы:

26

Из приведённых данных следует, что доля вынужденных простоев возрастает почти пропорционально мощности блока. Повышенная аварйность крупных машин объяснялась высокими действуюшими нагрузками (в сравнении с машинами меньшей мощности) и связывалась с повышением номинального напряжения (табл. 5).

Таблица 5

Зависимость повреждаемости синхронных машин, %, от уровня номинального напряжения

Наиболее слабым узлом СМ является статор (табл. 6). При этом на изоляцию обмотки статора приходится 2,26 % отказов турбогенераторов (ТГ) и 3,67 % отказов гидрогенераторов (ГГ), на места пайки обмоток приходится 0,34 и 0,92 %, на повреждения активной стали – 0,15 и 0,64 % соответственно.

При капитальных ремонтах также преобладают повреждения

инеисправности изоляции обмотки статора. Так, усреднённые результаты наблюдений в течение 6 лет за удельной повреждаемостью обмотки статора показали, что при пробое изоляции происходит 5,2 % отказов турбогенераторов и 11,8 % отказов гидрогенераторов, при нарушении паек происходит 0,8 % отказов ТГ

и0,15 % отказов ГГ. При капитальных ремонтах выявляется также значительное число других дефектов, например, выпадание клиньев дает 5,4 % отказов ТГ и 7,0 % отказов ГГ, попадание масла на обмотку – 3,8 % отказов ТГ и 3,7 % отказов ГГ, ослабление прессовки и повреждения стали – 1,1 % отказов ТГ и 2,5 % отказов ГГ, прочие отказы составляют 4,2 % (ТГ) и 2,65 % (ГГ), а всего зафиксировано 20,5 % отказов ТГ и 27,8 % отказов ГГ.

27

Таблица 6

Удельная повреждаемость основных конструктивных элементов синхронных машин, %

Классификация повреждений изоляции обмотки статора по месту дефекта, по усреднённым данным за 10 лет наблюдений, показала, что в ТГ пробой изоляции пазовой части составил 43,4 %, на выходе из паза 28,3 %, в лобовой части 28,3 %, в ГГ –

54,6; 15,8; 29,6 % соответственно.

Статистикой накоплены аналогичные данные для 21 гидро-

28

По табл. 7 видно, что соотношение пробоев изоляции верхних и нижних стержней составило 9:1 (для сравнения: при аварийных отключениях – 7:3), что объясняется повреждениями их изоляции при заклиновке пазов.

Статистика повреждений статора двадцати двух ТГ ТВ2-100-2, работавших в энергосистеме Донбассэнерго с 1952 по 1972 г. ссуммарной наработкой 340 машино-лет, показала, что среди причин повреждений статора из-за изоляции обмоток преобладают дефекты изготовления. Так, за данное время произошло 10 повреждений статора, из которых 7 повреждений обмотки статора и два нехарактерных эксплуатационных повреждения. В итоге удельная повреждаемость в работе составила для статора 2,35 %, для обмотки 1,47 %. За это же время произошло восемь повреждений при профилактических испытаниях. Полученная повреждаемость обмоток данных ТГ (в сравнении со средней повреждаемостью ТГ за это же время в энергосистемах бывшего СССР) подтверждает относительно высокую надёжность ТГ ТВ2-100-2. Данные ВНИИЭ дают представление об изменении удельной повреждаемости вовремени:

Поскольку представленные выше данные не позволяют сравнивать надёжность обмоток машин различных типов, различной мощности, размеров и конструктивных исполнений, ВНИИЭ введено понятие удельной повреждаемости обмоток qк – числа повреждений в единицу времени на единицу площади изоляции. За единицу площади принимают 100 м2, за единицу времени 104 ч.

Полученный по статистическим материалам о повреждаемости изоляции обмоток статоров ТГ за период 1930–1965 гг. показатель qк (qк = 0,01…0,043) для наработки до 200 000 ч был подтверждён в интервале 10 000–100 000 ч данными 1970 г. (qк = 0,01…0,015).

29

Определённое по этим данным ожидаемое удельное число повреждений для ТГ ТВ2-100-2 составило 7,45 (2,19 %) и оказалось близким к действительно имевшим место пяти повреждениям обмоток (1,47 %). Таким образом, повреждаемость данных ТГ в системе Донбассэнерго, действительно, ниже средней по энергосистемам бывшего СССР.

Методика определения удельной повреждаемости изоляции обмотки статора, предложенная ВНИИЭ, была распространена и на ГГ. Сопоставление удельной повреждаемости обмоток ГГ и ТГ выполнено на статистическом материале подконтрольной эксплуатации генераторов Волжской ГЭСнапротяжении 90 000 ч (табл. 8).

Таблица 8

Повреждаемость изоляции обмоток статоров синхронных машин

По табл. 8 видно, что удельная повреждаемость qк ТГ и ГГ СВ21500200 −88 (Uн = 13,8 кВ, площадь изоляции 700 м2, наработ-

ка на отказ 79 350 ч) имеет один и тот же порядок. В то же время удельная повреждаемость на машину в год для ГГ значительно выше, что является естественным, так как площадь изоляции ГГ низконапорной ГЭС в 3–5 раз превышает площадь изоляции равного по мощности ТГ.

30

По данным системы Волгоградэнерго, удельная повреждаемость обмоток ТГ колеблется в пределах 0–25 %, а обмоток ГГ– в пределах 4,5–15 %. Это свидетельствует о том, что к изоляции ГГ нужно предъявлять более высокие требования, чем к изоляции ТГ, дляполучения сравнимых показателей надёжности.

Распределение удельной повреждаемости роторов синхронных генераторов в работе, при ремонтах и испытаниях представлено в табл. 9, составленной по усреднённым данным за 7 лет эксплуатации в 1950-х годах. Большинство повреждений роторов также вызвано неисправностями обмотки и связанных с нею устройств.

Таблица 9

Удельная повреждаемость роторов синхронных машин, %

Представляет интерес статистика надёжности синхронных генераторов небольшой мощности, используемых в различных установках автономного питания. До 1990 г. годовой выпуск синхронных генераторов мощностью до 100 кВт составлял около 100 тыс. шт., что даёт достаточный материал для статистических исследований. По своим свойствам и показателям надёжности эти генераторы идентичны как мощным синхронным машинам, так и асинхронным двигателям.

Это подтверждается, например, распределением отказов основных узлов синхронных генераторов до 100 кВт, работающих 8 лет: