Повышение надежности щеточно-контактных аппаратов турбогенераторов

Щеточно-контактный аппарат (ЩКА) представляет собой важнейший узел турбогенератора, обеспечивающий подачу постоянного тока от неподвижных токоведущих частей цепи возбуждения к вращающейся обмотке возбуждения ротора посредством скользящего контакта. В состав аппарата входят контактные кольца, посаженные на вал ротора, и токораспределительная система, включающая траверсы с установленными на них щеткодержателями и щетками.

ЩКА занимает одно из первых мест по повреждаемости среди узлов турбогенераторов не только в России, но и за рубежом. Это следует из анализа технологических нарушений, связанных с повреждениями турбогенераторов в 1998–2003 годах (материалы департамента генеральной инспекции по эксплуатации и финансовому аудиту РАО «ЕЭС России»). Данный факт подтверждается данными из зарубежных источников.

Три основных пути решения проблемы

Низкая надежность ЩКА обусловлена большим числом физико-технических причин, на которые обслуживающий персонал не может оказывать влияние, в частности вибрацией, запыленностью и недостаточной влажностью воздуха, наличием паров масла от подшипников.

Графитовые щетки постепенно истираются. Необходимо регулировать усилие нажатия, а также заменять изделия при критическом уменьшении их длины. В отличие от коллекторных машин данные мероприятия проводятся на работающем генераторе.

Обслуживание осуществляется:

• вручную;
• под напряжением возбуждения;
• на расстоянии 15 сантиметров от массивных вращающихся элементов;
• при уровне шума 100 децибел;
• при отсутствии достоверного инструментального контроля.

При обслуживании ЩКА велика вероятность получения работниками электрических и механических травм с тяжелыми последствиями. Высокая степень риска обусловливает возникновение страха у обслуживающего персонала, что в свою очередь усложняет набор специалистов и становится достоверным фактором некачественного проведения регламентных работ.

Щеточно-контактный аппарат турбогенератора — единственный узел во всей технологической цепи процесса выработки электроэнергии (от загрузки топлива до высоковольтного выключателя на открытом распределительном устройстве станции), который требует обслуживания исключительно руками обслуживающего персонала без использования каких-либо промежуточных технических средств. Высокая зависимость работоспособности ЩКА от человеческого фактора, а также практически полное отсутствие объективного инструментального контроля за состоянием аппарата приводят к низкой надежности данного узла. Штатная система контроля ЩКА, основанная на измерении перепада температур входящего и выходящего воздуха, не обеспечивает надежной и своевременной диагностики, а потому не выдерживает никакой критики.

Возникновение кругового огня в щеточно-контактном аппарате требует срочного останова всего турбоагрегата, что приводит к значительным финансовым потерям. Ликвидация последствий кругового огня в случае своевременной остановки генератора занимает около суток. Только прямые потери от недопоставки электроэнергии генератора мощностью 100 мегаватт в течение суток составляют 2,4 миллиона киловатт-часов. При этом потери увеличиваются из-за затрат на топливо при минимальной нагрузке котла (требуется поддерживать котел в горячем состоянии в ходе всего периода ремонта), а также непосредственных затрат на восстановительные мероприятия (предполагается, что необходимые специалисты и оснастка имеются на станции). При более глубоких повреждениях (с расплавлением щеткодержателей и повреждением контактных колец) ремонт может занять несколько дней или даже недель. Экономические потери в таких случаях составляют до нескольких десятков миллионов рублей. Известны случаи повреждения шейки вала ротора турбогенератора из-за кругового огня на щеточном аппарате.

Можно назвать три основных пути повышения надежности работы щеточно-контактных аппаратов турбогенераторов:

• обеспечение безопасности при обслуживании, полное исключение регулирования и замены щеток под напряжением — оснащение ЩКА съемными щеткодержателями;
• достоверное информационное обеспечение обслуживания, комплексное документирование процессов — оснащение ЩКА автоматизированной системой мониторинга (АСМ ЩКА);
• стабилизация и оптимизация процесса токопередачи в скользящем контакте — подбор щеток, оптимизация их количества, активизация поверхности скольжения, оптимизация технической атмосферы в скользящем контакте (фильтрация и увлажнение воздуха).

Съемные щеткодержатели: безопасное извлечение и установка каждой щетки ЩКА

ООО «НПФ «ЭЛИСА» — разработчик и изготовитель щеточно-контактных аппаратов, приборов и систем их диагностики, а также методов и технических средств обслуживания ЩКА. В своей работе коллектив ориентируется на самые лучшие современные разработки ведущих фирм мира.

Основу всех современных щеточно-контактных аппаратов ООО «НПФ «ЭЛИСА» составляют съемные щеткодержатели, обеспечивающие безопасное извлечение и установку каждой щетки ЩКА. Съемный щеткодержатель на одну щетку, предназначенный для обеспечения безопасности при обслуживании щеточного аппарата, — собственная разработка ООО «НПФ «ЭЛИСА», которая имеет ряд преимуществ перед другими российскими и зарубежными образцами:

• обеспечивает индивидуальную установку каждой щетки ЩКА;
• имеет размыкаемый токовый контакт — ножевую конструкцию с контактной поверхностью площадью 60 квадратных миллиметров;
• позволяет использовать как традиционные спиральные пружины с шагом регулирования четыре миллиметра, так и рулонные пружины постоянного нажатия;
• позволяет установить измерительный блок АСМ ЩКА на траверсе стационарно без необходимости отключения при каждом извлечении щетки;
• имеет механизм фиксации щеток при отключении блока и освобождения щеток при его установке в щеточный аппарат;
• обеспечивает изоляцию обойм щеткодержателей при отсутствии щеток от токоведущих частей.

Конструкция токораспределительной системы, основанной на однощеточных съемных блоках, обеспечивает полную взаимозаменяемость блоков. Любой извлеченный блок может быть установлен в любое место щеточного аппарата без регулирования зазора до контактного кольца. Это позволяет иметь запасные блоки с установленными щетками для оперативной замены.

В настоящее время ООО «НПФ «ЭЛИСА» изготавливает токораспределительные системы для щеточно-контактных аппаратов турбогенераторов любой мощности (до 800 мегаватт включительно).

Автоматизированная система мониторинга: альтернативы нет

Задача обеспечения щеточного аппарата достоверным инструментальными контролем сегодня актуальна. Специфика работы устройства такова, что параллельная работа большого числа щеток накладывает определенные требования к системе мониторинга и диагностики ЩКА.

Автоматизированная система мониторинга щеточно-контактного аппарата — серийно изготавливаемый программно-аппаратный комплекс, который может быть адаптирован к любому типу ЩКА. 

В настоящее время ее применение — единственный адекватный способ контроля работы как всего щеточного аппарата в целом, так и каждой щетки в отдельности.

Принцип действия АСМ ЩКА:

• измерение тока каждой щетки на основе измерения магнитного поля в стационарном кольцевом магнитопроводе вокруг проводника, подводящего ток к щетке;
• компьютерный анализ качества электрического контакта каждой щетки на основе интегрирования и обработки осциллограммы ее тока;
• анализ работы всего аппарата на основе одновременного измерения мгновенных значений токов всех щеток и статистического анализа токораспределения.

АСМ ЩКА обеспечивает:

• оперативный контроль тока каждой щетки в реальном времени;
• оперативный анализ качества электрической проводимости каждой щетки;
• выявление искрения любой щетки на ранней стадии его появления;
• оперативную оценку качества настройки аппарата;
• объективный контроль любых внешних воздействий на процесс токопередачи.

АСМ ЩКА позволяет:

• оперативно оповещать обслуживающий персонал о необходимости проведения регулировочных мероприятий;
• обеспечивать обслуживание аппарата по однозначному алгоритму;
• осуществлять настройку работы ЩКА на основе объективного инструментального контроля тока каждой щетки;
• оптимизировать режим работы ЩКА, выбирая нужное количество и тип щеток, а также токовый режим каждой из них;
• объективно оценивать эффективность всех модернизационных мероприятий.

Конструктивное исполнение АСМ ЩКА

Автоматизированная система мониторинга поставляется в комплекте с токораспределительной системой. На последней предусмотрены специальные токопроводящие элементы, на которые устанавливаются измерительные блоки.

Вокруг токопроводящего элемента каждой щетки расположено ферритовое кольцо, в распиле которого находится датчик Холла. Он формирует сигнал, пропорциональный току конкретной щетки. Сигналы подаются на каналы многоканального аналого-цифрового преобразователя, и в процессоре происходит первичный анализ тока каждой щетки по специальному алгоритму. Производится интегрирование осциллограммы тока каждой щетки (800 измерений за 20 миллисекунд, то есть за один оборот ротора). В блок управления передаются значения токов каждой щетки, а также два коэффициента, характеризующие отличие тока от постоянного. Блок управления визуализирует и документирует результаты контроля, а также формирует трехуровневый сигнал интегрального состояния ЩКА. АСМ ЩКА оснащена переносным терминалом на основе портативного компьютера, который может подключаться к блоку управления по бесконтактному каналу Wi-Fi, что позволяет контролировать состояние любой щетки аппарата в пределах нескольких метров от ЩКА.

Удаленное подключение к системе мониторинга позволило предотвратить несколько нештатных ситуаций в работе щеточных аппаратов на различных электростанциях.

Документирование состояния ЩКА производится каждую минуту, его длительность не ограничена. Значение среднего тока каждой щетки документируется с периодичностью одна минута, осциллограмма каждой щетки — с периодичностью 15 минут. Каждые 15 минут система автоматически анализирует осциллограммы токов всех щеток, проверяя их на наличие признаков дестабилизации процесса токопередачи (признаков начинающегося искрения). По комплексу критериев, количественно характеризующих степень равномерности токораспределения (количества нулевых или перегруженных щеток), а также степень стабильности скользящего контакта в группе щеток (по анализу осциллограмм), формируется трехуровневый сигнал интегрального состояния ЩКА:

• ЩКА работает нормально;
• рекомендуется настройка ЩКА;
• ненормальная работа, требуется срочная регулировка.

Предотвратить развитие аварии

В настоящее время эксплуатируются более восьмидесяти АСМ ЩКА, установленных на турбогенераторах различной мощности на атомных и тепловых электростанциях России, Казахстана, Белоруссии, Монголии и Украины.

Несмотря на наглядность и простоту эксплуатации ЩКА и АСМ ЩКА, зафиксированы несколько случаев возникновения кругового огня. Во всех без исключения аварийных случаях организационной причиной аварии стал человеческий фактор. Персонал станций не реагировал на предупредительную и аварийную сигнализацию. Анализ архивных данных АСМ ЩКА позволил однозначно зафиксировать момент возникновения кругового огня и длительность его горения до отключения генератора (во всех случаях она составила 25–40 минут).

К настоящему времени разработан комплекс критериев, позволяющих однозначно диагностировать момент возникновения кругового огня и сформировать сигнал для отключения генератора (снятия возбуждения), чтобы предотвратить развитие аварии и уменьшить последующие потери. Система организации сигнала «Круговой огонь ЩКА – снять возбуждение» находится в стадии согласования с заводами-изготовителями турбогенераторов («НПО ЭЛСИБ» ПАО и АО «Силовые машины» (завод «Электросила»)).