CC BY
105
УДК 62-768.3
И. В. Плохов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (8112) 79-76-16, igor_plohov@list.ru (Россия, Псков, ПсковГУ),
А. Н. Исаков, ст. преподаватель, (8112) 72-40-37, oceanrage@gmail.com (Россия, Псков, ПсковГУ)
СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ИСКРЕНИЯ ЩЁТОЧНО-КОНТАКТНОГО УЗЛА ТУРБОГЕНЕРАТОРА
Рассмотрен вопрос повышения надёжности работы турбогенератора путём увеличения надёжности узлов щёточно-контактного аппарата. Дано описание узла щёточно-контактного аппарата и его возможные неисправности. Приведена электрическая схема замещения контактного слоя узла скользящего токосъёма. Составлены уравнения и построена динамическая имитационная модель системы, состоящей из генератора и двух узлов щёточно-контактного аппарата. На построенной модели рассчитан и показан вариант улучшения параметров работы узлов щёточно-контактного аппарата и повышения надёжности работы турбогенератора в целом.
Ключевые слова: щёточно-контактный аппарат, скользящий токосъём, искрение, математическая модель.
Практически все электростанции в качестве основного генерирующего объекта используют синхронные электрические машины [1]. От надёжности этих машин зависит работа всего энергетического комплекса. По данным РАО ЕЭС России большинство поломок, или 25,2% от всех неисправностей, турбогенераторов приходится на неисправности щёточно-контактного аппарата (ЩКА) [2]. Простой турбогенератора, связанный с его ремонтом, может повлечь серьёзные финансовые потери для вырабатывающего предприятия. Поэтому возникает необходимость повысить надёжность работы узла ЩКА и турбогенераторов в целом.
Щёточно-контактный аппарат синхронной машины состоит из контактного кольца, расположенного на роторе, и нескольких групп щёток, расположенных в щёткодержателях на статоре машины. За счёт прижимных сил, действующих на щётки, обеспечивается механический контакт щётки с кольцом, в том числе и при их относительном перемещении.
Основная часть поломок узла ЩКА связана с выходом из строя щёток в связи с процессами, протекающими в контактном слое между щёткой и поверхностью кольца. При скольжении между щёткой и поверхностью кольца возникает искрение, вызывающее выгорание контактной поверхности щётки [3]. Помимо ухудшения параметров контактного слоя щётки, искрение может привести к круговому огню - аварийному режиму работы ЩКА, выводящему из строя турбогенератор. Поэтому основной задачей увеличения ресурса работы узла ЩКА является снижение искрения и уменьшение вероятности возникновения кругового огня.
С точки зрения электрической схемы контактный слой «щётка-
кольцо» (рис. 1) замещается параллельным включением активного сопротивления и ёмкости [4].
Щётка I
Я*
А
Кольцо
Рис. 1. Электрическая схема замещения контактного слоя узла скользящего токосъёма: К^, С^ - активное сопротивление и ёмкость
контактного слоя «щётка-кольцо»
Элементы, входящие в электрическую схему замещения контактного слоя, имеют варьируемые параметры. Это связано с тем, что при относительном перемещении щёток и кольца вследствие неровностей на поверхности кольца, неоднородности материала щёток, микровибраций щётки в щёткодержателе и других факторов параметры контактного слоя изменяются, что отражается на его характеристиках [5].
При питании замкнутого контура, состоящего из генератора (источника электрической энергии), двух подводящих проводников и двух узлов щёточно-контактного аппарата электрическая схема замещения замкнутой цепи имеет следующий вид (рис. 2).
Рис. 2. Схема замещения электрической цепи с двумя узлами
скользящего токосъёма
На рис. 2 обозначено:
G - генераторная цепь контура, в которую входят: E - электродвижущая сила (ЭДС) генератора, Lo - собственная индуктивность генератора, Ro - собственное активное сопротивление генератора;
Ll, Rl, L2, R2 - индуктивность и активное сопротивление подводящих проводников;
Rk1, Скх, Rk 2, Cfc 2 - активное сопротивление и ёмкость контактного слоя «щётка-кольцо» для соответствующих параллельных групп скользящих контактов.
При допущении, что цепь ротора представляет собой перемычку между кольцами ЩКА и её сопротивление равно нулю, составленная по законам Кирхгофа математическая модель приведённой схемы замещения имеет вид
dl
dl
dl
10 Ro + + Ll~r~ +1 о Rl +10 Rkl +1 о Rк 2 + ^ R2 + L2 ^ = E
^ 2 ^ 2 -
dt 1
Ck1 1
dt
dt
Ck 2
| ^ = 0, | ^ 2dt = 0,
+ IC1
10
^ 2 + 1
С 2
10
При помощи преобразования Лапласа выразим токи из приведённых выше уравнений:
I
1
1
0
р L0 + ^ + ^
[Е - (Ro + Rl + R2 )10 - Лк1^1 - Rk 2^ 2 ],
=
1 I
С1
I
R 2
Р С^Ч1
I 1С 2 Р ^ 2 ^ 2
ЬС1 = - ^Ь ЬС 2 = 10 - ^ 2.
По полученным уравнениям построим динамическую имитационную модель в среде МА^АВ / Simulinк (рис. 3). Построенная модель системы позволяет исследовать распределение токов, протекающих по отдельным элементам схемы, в зависимости от различных параметров.
344
Промоделируем изменение токов в схеме для динамически изменяющегося активного сопротивления контактного слоя первого узла ЩКА.
Рис. 3. Динамическая имитационная модель системы скользящего токосъёма в среде MATLAB/Simulink
Исходные данные для моделирования: E = 105 - ЭДС генератора;
Яо = = ^2 = 0,1 Ом - активные сопротивления цепи генератора и подводящих проводников;
Lо = Ll = L2 = 1 мкГн - индуктивности цепи генератора и подводящих проводников;
С^ = Ck2 = 1 мкФ - ёмкости контактных слоёв двух переходов «щётка-кольцо»;
Rk2 = 0,5 Ом - активное сопротивление контактного слоя второго узла ЩКА;
Rkl = 0,01...500,01 Ом - активное сопротивление контактного узла
ЩКА.
Следует отметить, что в приведённых данных сопротивление контактного слоя первого узла ЩКА изменяется в указанных пределах случайным образом [6].
Результатом работы модели являются следующие временные диаграммы токов в основной цепи 10 (рис. 4) и тока (рис. 5):
Рис. 4. Временная диаграмма основного тока в цепи с двумя узлами
скользящего токосъёма
Рис. 5. Временная диаграмма тока через активное сопротивление контактного слоя первого узла ЩКА
Из приведенных графиков видно, что при динамическом изменении активного сопротивления контактного слоя возникают кратковременные,
346
но весьма значительные выбросы электрического тока, протекающего в цепи, которые могут достигать значений в несколько тысяч Ампер при среднем значении тока в единицы Ампера. Это объясняется тем, что динамически изменяющееся активное сопротивление контактного слоя первого узла ЩКА провоцирует параметрический резонанс в системе, вызывающий резкое увеличение амплитуды токов в цепи.
Для борьбы с параметрическим резонансом, возникающим в схеме с двумя узлами ЩКА, увеличим ёмкость контактного слоя первого узла ЩКА до значения = 1 мФ. Результат работы модели в этом случае
(рис. 6 и рис. 7).
15
10
lo, А
■5
I
i
П F¡
1 F¡
? F¡
3 F¡
4 F¡
t, С
к 10
Рис. 6. Временная диаграмма основного тока в цепи с двумя узлами
скользящего токосъёма
Ü.D25
0.02
0 J15
Ir-, А
о. cí-
anos
/
/
0.5
1.5
2.5 t. С
0.5
4.5
x-Q
Рис. 7. Временная диаграмма тока через активное сопротивление контактного слоя первого узла ЩКА
Из рисунков видно, что при увеличении ёмкости контактного слоя динамические токи в цепи значительно снизились, с нескольких тысяч Ампер до единиц Ампер. Данный результат показывает, что искусственное увеличение ёмкости перехода «щётка-кольцо» приводит к уменьшению
выбросов тока, протекающего через контактный переход, что вызывает уменьшение искрения узла ЩКА и уменьшение вероятности возникновения кругового огня.
Таким образом, увеличение ёмкости перехода «щётка-кольцо» приводит к резкому уменьшению динамических токов, негативно влияющих на работу ЩКА. Снижение амплитуды динамических токов приведёт к уменьшению искрообразования в контактном слое ЩКА, что продлит эксплуатационный срок службы щёток и снизит вероятность возникновения кругового огня. Это, в свою очередь, увеличит общую надёжность работы турбогенераторов.
Реализация данного подхода для увеличения надёжности узлов ЩКА может иметь различные технические исполнения, но принцип, заложенный в описанном подходе, остаётся неизменным.
Список литературы
1. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Логос, 2000. 607 с.
2. Веб-ресурс. Режим доступа: http://npf-elisa.ru/problemy-shka.
3. Качин С.И., Качин О.С. Моделирование процессов износа электрических щёток универсальных электродвигателей с учётом механических факторов // Электричество. 2009. №12. С. 68-70.
4. Плохов И.В. Исследование сопротивления стягивания электрического контакта. Электротехника. №5. 2004. С. 13-18.
5. Вероятность и математическая статистика: Энциклопедия / Гл. ред. Прохоров Ю.В. М.: Большая российская энциклопедия, 1999. 910 с.
I. V. Plohov, A.N. Isakov
METHOD TO REDUCE SINCERELY BRUSH-CONTACT UNIT TURBOGENERA TOR
The issue of increasing the reliability of the turbogenerator units by increasing the reliability of brush-contact device. A description of the site of brush-contact apparatus and its possible faults is contained. Electrical equivalent circuit of the contact layer node moving current collection is given. Equation and a dynamical simulation model of a system consisting of a generator and the two nodes of brush-contact device is composed. On the constructed model calculated and displayed options to improve the parameters of the assembly of brush-contact device and improve the reliability of turbine generators in general.
Key words: brush-contact apparatus, sincerely, mathematical model.
Получено 20.11.12
