Высокая степень износа действующего оборудования электрических станций, низкий коэффициент его обновления требуют создания эффективной системы диагностики технического состояния весьма дорогостоящих объектов тепловых и атомных станций, к которым можно отнести турбогенераторы высокой мощности [1, 2]. Возрастающее потребление электрической энергии и невозможность резкого увеличения установленных мощностей требуют поиска путей повышения эффективности использования имеющегося оборудования.
Статистический анализ повреждений электрического оборудования по АЭС России показывает, что максимальная недовыработка энергии обусловлена повреждениями турбогенераторов.
Так, например, ремонт генератора мощностью 800 МВт, связанный с заменой поврежденных обмоток, надолго выводит генератор из работы и ведет к значительной недовыработке энергии. Уменьшение вероятности тяжелых повреждений генераторов связано как с качеством проведенного ремонта, так и с созданием современной технологии мониторинга технического состояния в работе и выводе из работы, не допуская его до серьезных повреждений.
Достаточно известным является тот факт, что генератор имеет совершенную систему защиты по электрическим параметрам. Вместе с тем, характер повреждений основных систем генератора (обмотки статора, ротора, активной стали, бандажных колец, отклонения в работе систем охлаждения и щеточного аппарата) обусловлены тепломеханическими процессами. С этой стороны действие существующих систем мониторинга и защиты оказывается явно неудовлетворительным. Ниже представлены некоторые результаты практического применения новых методов и систем измерений, перспективных при проведении контроля и ремонтов статорных обмоток мощных турбогенераторов.
Для электрических машин основная причина повреждения изоляции обмоток — термомеханические воздействия при изменениях мощности. Под их влиянием, а также от вибраций в условиях повышенных температур происходят механические истирания, повреждения изоляции в виде расслоения или образования трещин, которые и обуславливают в конечном итоге повреждение изоляции обмоток. Работа с недовозбуждением ведет к изменениям картины распределения магнитного поля, перегреву торцевых пактов стали статора и повышенным вибрациям как пактов активной стали, так и выводных стержней и шин обмотки. Повышенные вибрации и нагрев ротора наблюдаются при замыканиях витков в его обмотке. Таким образом, прямой контроль температур и вибраций стержней обмотки, активной стали и температурного режима обмотки ротора повысит вероятность раннего обнаружения повреждений.
Технология проведения диагностики, разработанная «НПО ВЭИ Электроизоляция», предусматривает проведение предремонтной диагностики, которая наряду с нормативными требованиями [3] включает: тепловизионный контроль корпусных элементов генератора; контроль и анализ функционирования систем охлаждения генератора; контроль выводных шин и токопроводов. Сканирующие тепловизионные системы, обладая высокой информативностью результатов измерений, дают возможность оценить степень развития дефекта, а также определить причину его возникновения. На рис. 1 показан результат дистанционного определения нарушений в работе системы охлаждения генератора по тепловой картине. На рис. 2 приведен результат выявления дефекта, образованного замыканием торцевого щита генератора с корпусом, появление контурного тока, вызвавшего горение дугового разряда внутри корпуса генератора и плавление корпусных элементов.Актуальной задачей является создание эффективной системы мониторинга теплового состояния генератора в работе, что позволяет повысить надежность функционирования действующего парка генераторов со сроком эксплуатации более 25 лет.
Для генераторов с меньшим сроком эксплуатации существуют реальные предпосылки 10-15 %-ного повышения мощности за счет интенсификации процесса охлаждения наиболее нагруженных систем. НПО «ВЭИ Электроизоляция» проводит работы как по созданию новых методик определения теплового состояния наиболее важных систем генератора, так и по усовершенствованию известных. Определение теплового состояния поводилось на генераторах мощностью 500 и 800 МВт как по стандартной методике, так и усовершенствованной с прямым измерением основных тепловых параметров. Контроль массового расхода охладителя систем охлаждения водорода и обмотки проводился с применением высокоточного (погрешность измерений порядка 1 %) ультразвукового расходомера «Tocimec» (Япония), а температурных измерений — тепловизором TH-9100, обеспечивающим чувствительность к температурному перепаду порядка 0,03 оС (рис. 3, а, б.). Проведенные исследования показали неэффективность штатной системы термоконтроля по выявлению тепловых аномалий в обмотке, связанных с частичной закупоркой полых проводников.
В рамках программы повышения номинальной мощности действующих генераторов рассматривается возможность применения оптических методов измерений температуры обмотки и стали статора с использованием световолоконной оптики термочувствительных люминесцирующих покрытий на основе алюмоиттриевых гранатов, активированных ионами Er и Tu и другими редкоземельными элементами. Проводятся работы по применению ультрафиолетовой области спектра для обнаружения поверхностных повреждений полупроводящего покрытия и повышенного загрязнения изоляции обмоток лобовых частей.В данной работе контроль загрязнения возможных мест истирания и повреждения изоляции проводится с применением двухволновой камеры контроля ультрафиолетового излучения короны [6].
Особенностью камеры является регистрация процесса в цифровом формате, а также возможность количественной оценки интенсивности ультрафиолетового излучения, связанного с поверхностными разрядными явлениями. Система контроля ультрафиолетового излучения короны использовалась для определения дефектов в изоляции при испытании отдельных стержней, а также оценки состояния обмотки после проведения капитального ремонта. На рис. 4, а приведена термограмма стали статора (опыт Вестингауза) и ультрафиолетограмма поверхности лобовой части обмотки генератора ТВВ-800 в области выводного стержня после проведения ремонта с повышенным загрязнением поверхности фторопластовых трубок (рис. 4, б).
Высокая чувствительность измерений в ультрафиолете позволяет обнаруживать данным методом повреждения изоляции в глубине пазов без прямого оптического доступа к зоне контроля. Это связано с процессом выброса ионизированного газа из области разряда в зону наблюдения, где происходит рекомбинация возбужденных молекул с излучением ультрафиолета. Технология диагностики включает в себя также проведение работ по обнаружению тепловых потерь стали статора тепловизионным методом «опыт Вестингауза» (рис. 5, а) при рабочей индукции, а также контроль состояния статорного железа методом малого намагничивания (рис. 5, б).
ВЫВОДЫ
Описанная технология проведения диагностических работ позволяет определить объем и глубину необходимых ремонтных операций, а при систематическом применении обеспечить надежность эксплуатации оборудования, важного для безопасности АЭС, и является первым шагом в разработке мероприятий повышения мощности генераторов, а также входит в программу работ по продлению их эксплуатационного ресурса.
