CC BY
132
УДК 621.314 Хассан Мелкауи,
аспирант,
СПГУВК
СПОСОБЫ СУШКИ СУДОВЫХ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ
WAYS OF DRYING OF SHIP SYNCHRONOUS GENERATORS IN OPERATIONAL CONDITIONS
Представлены способы сушки судовых синхронных генераторов в эксплуатационных условиях на судах. В работе проводится анализ существующих методов сушки судовых синхронных генераторов и рассматриваются более подробно те из них, которые можно просто и эффективно осуществить в судовых эксплуатационных условиях.
Ways of drying of ship synchronous generators in operational conditions on ships are submitted. In article the analysis of existing methods of drying of ship synchronous generators is done and the methods which can be carried out simply and effectively in ship operational conditions are considered in more details.
Ключевые слова: судовые синхронные генераторы, сушка, короткое замыкание, методы сушки, тепловой расчет.
Key words: ship synchronous generators, drying, short circuit, methods of drying, thermal calculation.
СУДОВОЕ электрическое и электронное оборудование работает в тяжелых условиях эксплуатации, обусловленных повышенной влажностью, вибрацией, механическими ударами и перегрузками. В судовых эксплуатационных условиях наблюдается также резкое изменение температуры окружающей среды. В машинном отделении содержатся пары топлива, которые приводят к загрязнению изоляционных материалов электрических машин. На судах технического флота имеются еще более тяжелые условия эксплуатации электрооборудования в технологических комплексах.
Указанные выше условия эксплуатации судового электрооборудования отрицательно влияют на надежность его работы и приводят к снижению срока его службы. Для улучшения условий работы изоляционных материалов электрических машин необходимо периодически производить чистку загрязненной поверхности изоляции обмоток, а при низком сопротивлении изоляции — ее сушку. Особенно часто приходится выполнять сушку отсыревшей изоляции длительно не работавших асинхронных машин [5]. Для такого ответственного электрооборудования, как судовые
синхронные генераторы (ССГ), после их длительной стоянки также приходится повышать сопротивление отсыревшей изоляции.
Сушку такого крупного электрооборудования, как ССГ, выполнить сложнее, чем асинхронных двигателей (АД), так как в этом случае требуется значительно более мощный источник электроэнергии с особыми параметрами, которые изготовить затруднительно. Для крупных ССГ предложено несколько способов сушки [3; 6] как с помощью внешних источников тепла, так и с подачей напряжения на некоторые обмотки синхронного генератора. Все указанные методы сушки в принципе дают положительный результат, однако на практике в судовых эксплуатационных условиях целесообразно использовать те из них, для которых можно применить имеющиеся на судах источники электроэнергии, то есть можно практически легко осуществить эти методы сушки. В работе проводится анализ существующих методов сушки ССГ и рассматриваются более подробно те из них, которые можно легко осуществить в судовых эксплуатационных условиях. Для определения необходимого теплового режима обмоток ССГ при различных способах сушки разработан тепло-
Выпуск 2
Выпуск 2
вой расчет ССГ при сушке вращающегося и неподвижного генератора. Результаты такого расчета сравнивались с опытными данными. Формулы расчета позволяют определить необходимые значения токов в обмотках при сушке. Для проверки и уточнения требуемых значений токов производились испытания в лабораторных условиях и непосредственно на судах. Результаты этих испытаний позволяют уточнить условия выполнения режима сушки ССГ применительно к судам речного флота.
Сушку внешним нагревом осуществляют с помощью продувки полости машины подогретым воздухом. Согласно [6] этот способ рекомендуется применять при низком значении сопротивления изоляции (менее 50 кОм) для обмоток статоров машин переменного тока и (менее 20 кОм) для обмоток возбуждения машин постоянного и переменного тока. При этом прогоняемый через машину воздух может нагреваться калориферами или другими нагревательными элементами. В технологическом процессе сушки желательно обеспечить прохождение воздуха по тому же пути, что и при существующей в электрической машине системе охлаждения. Недостатком этого способа сушки является трудоемкость его выполнения для мощных ССГ и сложность регулирования теплового режима.
Способ сушки потерями в станине предусматривает намотку намагничивающей обмотки на статор ССГ аналогично такому же способу сушки асинхронного двигателя. Ротор ССГ должен быть вынут. Способ наложения такой обмотки и ее расчет приведен в [6]. Достоинством этого способа сушки является возможность его применения для ССГ, имеющих очень низкое сопротивление изоляции, а недостатком — необходимость иметь достаточно мощный источник регулируемого низкого напряжения, рассчитанного на большие токи. Кроме того, намагничивающая обмотка для больших ССГ также должна быть довольно мощной, а трудоемкость ее изготовления и расход материала большие.
Для неподвижного ССГ возможны два способа сушки обмоток:
1) подключение источника однофазного или трехфазного тока промышленной частоты в обмотки статора;
2) подключение источника постоянного тока в обмотку возбуждения.
Оба способа сушки применяются для ССГ, находящихся в собранном состоянии, а сопротивление изоляции обмоток должно быть не ниже 0,1 МОм.
В первом случае при наличии однофазного переменного тока обмотки статора необходимо включать последовательно в открытый треугольник, и так как машина неподвижна, то условия охлаждения ухудшаются и допустимый ток в обмотках не должен превышать 0,5...0,6 от номинального фазного значения.
При нагреве от трехфазного источника пониженного напряжения токи в обмотках будут одинаковыми и также не должны превышать вышеуказанных значений. При подаче трехфазного напряжения ротор необходимо надежно затормозить. Недостатком этого метода является необходимость иметь источник трехфазного переменного тока регулируемого напряжения, рассчитанного на большие токи, что в условиях эксплуатации трудно осуществить. Кроме того, обмотки возбуждения будут нагреваться до более низких температур, так как их нагрев происходит косвенным путем теплом окружающей среды от внутренней полости машины.
Во втором случае в обмотку возбуждения можно подать постоянный ток от имеющегося на судах источника постоянного тока — сварочного преобразователя. Этот способ сушки может быть легко выполнен в судовых условиях эксплуатации. Его недостаток — более низкая температура обмотки статора, обусловленная ее косвенным нагревом.
Сушка током увлажненных обмоток вращающегося судового синхронного генератора осуществляется при симметричном трехфазном коротком замыкании в режиме генератора. При этом способе сушки отсыревших обмоток машина должна быть полностью собрана и обеспечена необходимой измерительной аппаратурой для контроля процесса сушки. Этот способ сушки обеспечивает достаточно равномерный нагрев всех обмоток ССГ, легко поддается регулированию и может быть выполнен в судовых эксплуатационных условиях. Его недостаток — необходимость
довольно длительной работы первичного двигателя ССГ с малой нагрузкой.
Таким образом, на судах речного флота в условиях эксплуатации наиболее целесообразно использовать два способа сушки:
— для неподвижного ССГ — подключение источника постоянного тока в обмотку возбуждения;
— для вращающегося ССГ — режим симметричного короткого трехфазного замыкания в режиме генератора.
Нагрев вращающегося судового синхронного генератора при сушке в режиме симметричного короткого замыкания осуществляется на вращающемся ССГ, обмотка статора которого закорочена. Для определения возможности выполнения этого способа сушки необходимо измерить сопротивление изоляции обмоток, чтобы их значения были не ниже допустимых. Закоротка устанавливается до выключателя ССГ и должна быть рассчитана на номинальный ток статора ССГ. Основные параметры режима короткого замыкания можно определить из характеристик короткого замыкания данного ССГ. Эти характеристики часто прилагаются к документации на электрооборудование судна. На этой характеристике можно найти величину тока возбуждения, которому соответствует требуемое для сушки значение тока короткого замыкания в обмотках статора. Зная величину этого тока возбуждения и сопротивление обмотки возбуждения можно определить параметры источника постоянного тока, то есть ток и напряжение, необходимые для цепи возбуждения. В качестве такого источника на судах речного флота можно использовать сварочный преобразователь. Для обеспечения требуемого режима сушки необходимо отключить систему самовозбуждения ССГ и систему поддержания напряжения на выходе ССГ, то есть следует отключить от щеточного аппарата кабели питания обмотки возбуждения и подключить к ним непосредственно кабель от сварочного преобразователя.
Процесс сушки, то есть температура нагрева обмоток, регулируется током в цепи обмотки возбуждения. В начале процесса сушки скорость роста температуры должна быть небольшой, не превышая 5 °С/ч, а ток в обмот-
ках статора должен находиться в пределах 0,2...0,4 от его номинального фазного значения. Продолжительность начального режима с низкой скоростью роста температуры для ССГ мощностью более 400 кВА должна быть не менее трех часов.
В дальнейшем ток в обмотках статора можно увеличить до 0,5.. .0,7 от номинального фазного значения. Предельные значения тока статора в режиме симметричного короткого замыкания определяются по характеристике короткого замыкания и наибольшему значению тока в обмотке возбуждения.
При отсутствии в документации характеристики короткого замыкания предельное значение тока возбуждения можно для ССГ с номинальным коэффициентом мощности, равным 0,8, определить по паспортным данным и типовой регулировочной характеристике судовых синхронных генераторов. На типовой регулировочной характеристике судовых синхронных генераторов за единицу принят номинальный ток возбуждения при номинальной мощности ССГ и ео8ф = 0,8. В режиме холостого тока при I = 0, ток возбуждения у всех генераторов находится в пределах 0,45.0,55 от его номинального значения.
Анализ характеристик короткого замыкания ССГ показывает, что ток возбуждения в режиме симметричного короткого замыкания при токах в обмотках статора 0,5.0,7 от номинального значения находится в пределах
0,25.0,35 от его номинального значения. Предельные значения температуры нагрева обмоток определяются Правилами технической эксплуатации судового электрооборудования или соответствующей документацией завода-изготовления.
Процесс сушки можно считать законченным, если сопротивление изоляции достигнет допустимого значения и не будет снижаться в течение двух-трех часов. За это же время коэффициент абсорбции К не должен быть менее 1,3, то есть
К = *60 / *15 >
где Я№ — сопротивление изоляции через 60 с с момента подачи напряжения мегомметра, Л15 — тоже через 15 с при условии вращения
Выпуск 2
Выпуск 2
І 60 ]
рукоятки мегомметра с неизменной скоростью в процессе измерения.
Для проверки предлагаемых значений токов в цепи обмотки возбуждения и в закороченных обмотках статора были проведены испытания в лаборатории и непосредственно на ССГ судов. В ССГ задавались режимы сушки, определялись температуры нагрева обмоток, железа и воздуха внутри машины.
Представлены особенности сушки ва-логенераторов с бесщеточными системами возбуждения в режиме симметричного короткого замыкания.
В процессе сушки вращающегося ССГ входные и выходные отверстия системы охлаждения должны быть закрыты, и их необходимо периодически открывать для удаления влажного воздуха из внутренней полости машины. Нагрев обмоток, воздуха внутри ССГ и сопротивление изоляции обмоток необходимо периодически записывать, чтобы следить за процессом сушки.
Сушка неподвижного судового синхронного генератора постоянным током в цепи обмотки возбуждения осуществляется на неподвижном ССГ при разомкнутой обмотке статора. Сушка осуществляется потерями в обмотке возбуждения, в которую подается постоянный ток от сварочного агрегата, установленного на речных и морских судах.
Перед выполнением этого режима сушки необходимо предварительно определить величину сопротивления изоляции обмотки возбуждения, и если его величина не ниже 50 кОм, то можно подключать к обмотке возбуждения постоянный ток. Для этого необходимо отключить от щеточного аппарата кабель, подающий к обмотке постоянный ток и подключить кабель от сварочного агрегата. Для снижения нагрева в местах нахождения щеток на кольцах в процессе сушки необходимо периодически поворачивать ротор. Для контроля величины тока в обмотке возбуждения необходимо включать амперметр. Обмотки статора нагреваются косвенным путем теплом от внутреннего воздуха в полости машины и поэтому температура их нагрева значительно ниже, чем у обмотки возбуждения. Поэтому температура нагрева обмотки возбуждения и определяет предельные значения тока в этой обмотке.
Для обеспечения допустимой скорости нагрева обмотки возбуждения в начальный период нагрева ток в обмотке возбуждения не должен превышать 0,2...0,3 от его номинального значения. Так как условия охлаждения неподвижного ССГ значительно хуже, чем у вращающейся машины, то предельные значения тока в обмотке возбуждения не должны превышать 0,5...0,7 от его номинального значения, причем большие значения допустимы для ССГ меньшей мощности.
Для проверки этого способа сушки были проведены испытания непосредственно на ССГ судов с использованием имеющегося на судне сварочного преобразователя постоянного тока. В цепь возбуждения включались необходимые измерительные приборы, в машине устанавливались термометры для измерения температуры.
В результате экспериментальных исследований установлено, что ток в цепи обмотки возбуждения уменьшается с ростом габаритов ССГ. Величина этого тока находится в пределах 0,45.0,55 от номинального значения.
Контроль за режимом сушки производится так же, как и в предыдущем случае.
У ССГ с бесщеточной системой возбуждения постоянный ток в обмотку возбуждения подается в кабель, идущий через полый вал от выпрямителя к обмотке возбуждения. Этот кабель от выпрямителя отключают.
Произведен тепловой расчет судового синхронного генератора при сушке. Тепловой расчет ССГ выполняется с помощью метода тепловых схем, решение которых аналогично методам решения электрических цепей [1; 2; 4; 7].
Сопротивления эквивалентных тепловых схем, обусловленные теплопроводностью твердых тел, могут быть рассчитаны достаточно точно. Однако тепловые сопротивления, обусловленные теплообменом с помощью охлаждающего воздуха или другого движущегося охладителя, определяются значительно менее точно. Поэтому все методы тепловых расчетов уточняются с помощью опытных данных.
В связи с этим режим сушки неподвижного ССГ имеет дополнительные сложности, обусловленные снижением эффектив-
ности работы системы охлаждения, которые обычно не интересуют завод-изготовитель. Поэтому для этого режима необходимо выполнить дополнительные испытания, чтобы
уточнить тепловой расчет при сушке ССГ этим способом.
Тепловой расчет ССГ при сушке дает необходимую для практических целей точность.
Список литературы
1. Вольдек А. И. Электрические машины / А. И. Вольдек. — Л.: Энергия, 1974. — 624 с.
2. Гемке Р. Г. Неисправности электрических машин / Р. Г. Гемке. — Л.: Энергия, 1969. —
3. Котриков К. П. Эксплуатация и ремонт электрических машин / К. П. Котриков, В. Н. Васильев, И. С. Мирошниченко. — М.: Транспорт, 1981. — 224 с.
4. Пинский Г. Б. Расчет явнополюсных синхронных машин / Г. Б. Пинский, В. В. Домбровский. — Л.: Энергоиздат, 1984. — 134 с.
5. Приходько В. М. Методы и технические средства комплексных испытаний элементов судовых электроэнергетических систем в судостроении и судоремонте: моногр. / В. М. Приходько. — СПб.: ИПЦ СПГУВК, 2005. — 348 с.
6. Сушка крупных электрических машин переменного и постоянного тока. Инструкция ОБС. 919.056. — 160 с.
7. Шуйский В. П. Расчет электрических машин / В. П. Шуйский. — Л.: Энергия, 1968. —
272 с.
730 с.
Выпуск 2
