Глава 1 Общие вопросы проектирования электрических машин (967516), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Для межвитковой изоляции разработана математическая модель надежности. Элементами модели являются два витка, расположенных рядом в пазу или лобовой части и разделенных межвитковой изоляции, состоящей из собственной изоляции обмоточного провода, пропиточного лака и воздушных прослоек. Для безотказной работы обмотки необходима исправность всех ее составляющих элементов. Отказ происходит тогда, когда приложенное напряжение к соседним виткам превышает пробивное напряжение межвитковой изоляции.
Вероятность безотказной работы межвитковой изоляции обмотки, состоящей из n пар проводников, равна:
, (1.25)
где 
— плотность распределения приложенных напряжений; 
— функция распределения пробивного напряжения межвитковой изоляции.
Распределение приложенного напряжения между витками зависят от напряжения на фазе, числа последовательно соединенных секций в фазе, кратности и распределения коммутационных напряжений вдоль обмотки и числа проводников в пазу. Пробивное напряжение изоляции обмоток зависит от свойств изоляционных материалов и условий эксплуатации.
Синхронные машины являются, в основном, крупными электрическими машинами, изготовляемыми мелкими сериями, что затрудняет обработку статистических данных. Синхронные машины являются ремонтируемыми объектами, поэтому для таких машин важны, как показатели надежности коэффициент готовности и среднее время восстановления. Синхронные машины отличаются тем, что имеют относительно высокое качество обслуживания; количество отказов по причинам, связанным с ошибками персонала, соизмеримо с количеством отказов из-за дефектов изготовления. Вместе с тем в процессе эксплуатации обычно происходят доводка, усовершенствование, модернизация машины. Статистические данные свидетельствуют о том, что одной из основных причин отказов синхронных машин являются заводские дефекты. Число аварийных отключений, вызванных дефектами изготовления, значительно больше вызванных недостатками конструкции. В течение первого периода работы (5… 10 тыс. ч) имеет место приработка, когда заменяют и ремонтируют детали с заводскими дефектами. Период нормальной эксплуатации составляет 15…20 лет, после чего начинаются отказы, связанные с износом и старением материалов и элементов конструкции.
Для оценки эксплуатационной надежности синхронных генераторов широко применяют такой показатель, как удельная повреждаемость — удельное число аварийных отключений, которое измеряется средним числом повреждений на одну машину в год, выраженное в процентах. Установлено, что повреждаемость, вызванная заводскими недостатками, составляет для турбогенераторов 3,5%, для гидрогенераторов 4%. Удельная повреждаемость возрастает с ростом мощности.
Большинство повреждений относятся к обмотке статора. Основным местом повреждений изоляции обмоток статора является пазовая часть обмотки, пробой которой составляет примерно 50% всех пробоев обмоток статора. На процесс изменения и разрушения изоляции оказывает влияние возрастание нагрузок: повышенные механические усилия при переходных процессах, вибрации, перенапряжения, перегрузки по току. В процессе изготовления могут появиться участки с пониженной электрической прочностью. Это связано с изготовлением стержней обмоток с размерами, выходящими за пределы допуска, что приводит к повреждению изоляции при укладке обмотки в пазы. В процессе изготовления возможно попадание на поверхность изоляции ферромагнитных частиц, вибрация которых в магнитном поле приводит к постепенному разрушению изоляции. Вследствие поломки листов статора создаются условия повреждения изоляции стержней.
Надежность изоляции лобовых частей во многом определяется способом их крепления. Лобовые части обмоток крупных электрических машин наибольшей опасности подвергаются при переходных процессах, при этом возможны разрывы бандажей, деформация частей обмотки, появление трещин и вмятин в изоляции. В процессе эксплуатации синхронных генераторов отмечаются также пробои изоляции вследствие попадания масла и влаги. Среди повреждений активной стали, наиболее частыми являются ослабление запрессовки, расшатывание сердечника стали под действием вибрационных и магнитных сил, повреждение изоляционной пленки на поверхности листов.
На подвижных частях машины частые повреждения возникают на бандажных узлах. Они вызываются действием центробежных сил, деформациями вала и усилиями горячих посадок на вал. Под действием температуры происходят перемещение обмотки ротора, деформация проводников обмотки. Возможно также перекрытие каналов охлаждения и снижения сопротивления изоляции при попадании влаги, масла и пыли на обмотку.
Характерными повреждениями и нарушениями в работе подшипниковых узлов крупных синхронных машин являются: выплавление баббита, повреждение вкладышей и цапф подшипниковыми токами. Выплавление баббита обычно происходит при нарушении работы систем маслоснабжения. Наиболее распространенной неисправностью подшипников является вытекание масла. Подшипниковые токи возникают из-за несимметрии в магнитной системе, обусловленной неравномерным зазором, наличием осевых каналов, несимметричным размещением сегментов активной стали. Замыкание обмотки ротора на корпус также приводит к появлению подшипниковых токов. Это явление сопровождается повреждением поверхностей вкладышей и шеек вала вследствие эрозии под воздействием разрывов.
Для обеспечения надежности крупных синхронных машин большое внимание уделяется контактно-щеточной системе и возбудителям. Число отказов возбудителей иногда превышает число отказов обмоток ротора и статора.
Статистическая обработка эксплуатационных данных показывает, что неравномерное токораспределение вызывает большой разброс скорости изнашивания щеток. Это вызвано многими причинами, среди которых важнейшими являются характеристики и конструкция материалов скользящего контакта, плотность тока под щетками и соотношение электрических и механических потерь в контакте, вид вольт-амперных характеристик щеток. При эксплуатации генераторов износ щеток и контактных колец зависит также от величины вибрации колец, удельного давления на щетки, попадания масла на щетки и на контактную поверхность колец из опорных подшипников. При эксплуатации турбогенераторов возможно отделение втулки контактных колец от вала в месте ее посадки. Это вызывает резкое увеличение вибрации колец и общее ухудшение работы щеточного аппарата.
Для оценки надежности синхронных генераторов средней мощности (до 100 кВт) с достаточной полнотой использовались статистические методы. Установлено, что вероятность безотказной работы генераторов ЕС и ЕСС в период до 4 тыс. ч описывается законом распределения Вейбулла. В период 4…12 тыс. ч распределение отказов является экспоненциальным. Характеристика отказов этих машин имеет общие черты с отказами крупных генераторов и асинхронных двигателей. Основными узлами, подверженными отказам, являются обмотки ротора и статора, блок регулирования напряжения, подшипниковый узел. Установлено, что среднее время наработки на отказ для различных типов крупных машин составляет 3…5 тыс. ч, а среднее время ремонта 10…35 тыс. ч.
Данные о причинах выхода из строя в период эксплуатации электрических машин постоянного тока как общего, так и специального назначения показывают, что большинство аварий происходят по вине обслуживающего персонала, который не всегда обеспечивает необходимый уход и качественное выполнение текущего ремонта. Среди других причин отказов следует отменить конструкционные недостатки и условия эксплуатации.
Наиболее частыми повреждениями возбудителей синхронных генераторов являются повреждения бандажей обмотки якоря, нарушения пайки петушков и износ коллектора, при этом надежность коллекторно-щеточного узла во много зависит от мощности возбудителя.
В тяговых двигателях электровозов одной из частых причин отказов в работе является возникновение кругового огня на коллекторе. Это вызвано условиями эксплуатации (буксование колесных пар электровозов), невысоким качеством выпрямительного питающего напряжения, повышенными ударами и вибрационными нагрузками.
Для электрических машин постоянного тока общего назначения характерным повреждением является также неисправность коллектора. По статистике выход из строя этих машин из-за повреждений коллектора составляет 20% общего числа отказов. Относительно большое число повреждений коллектора вызывается трением щеток. Скорость износа щеток не является величиной, одинаковой для всех щеток. Она зависит от следующих факторов: неправильной установки щеток, неисправностей щеткодержателей, попадания летучих фракций пропиточных лаков обмотки на коллектор, механических неисправностей коллектора, неправильного выбора марок и конструкции щеток. Механическая нестабильность скользящего контакта приводит также к разрушению щеток и арматуры.
Повреждения коллектора могут проявляться в нарушении цилиндричности поверхности коллектора из-за неравномерного ее износа и нарушений в механических узлах машины. На поверхности коллектора в процессе эксплуатации происходит нарушение полировки из-за подгорания пластин и царапин и неравномерности нажатия отдельных щеток на коллектор. К механическим факторам, влияющим на износ коллектора, относятся давление щеток на коллектор, их вибрация и биение коллектора, высокая окружная скорость вращения. Износ коллектора зависит также от химических факторов, к которым относятся образование контактной пленки на поверхности коллектора, состав и влажность окружающей среды, наличие в среде активных веществ. Среди электрических факторов, влияющих на износ коллектора, следует отметить плотность тока под щетками, сопротивление переходных контактов щеток и коллектора, нарушение коммутации машины, которое приводит к появлению искрения под щетками.
Повреждение обмоток якорей машин постоянного тока проявляется в пробое корпусной изоляции между пакетом стали якоря и обмоткой и пробое изоляции между витками в якорях с многовитковыми секциями. В крупных машинах постоянного тока повреждения проявляется в распайке соединительных петушков коллекторных пластин с обмоткой и из-за разрушения проволочных бандажей.
Отказы механических узлов машин постоянного тока определяются, в основном, состоянием шеек вала и подшипников качения и скольжения. Повреждение подшипников скольжения и шее вала выражаются в виде износа вкладышей в гнездах подшипников, вытекания смазки из подшипников при их неисправностях, нарушения работы смазочных колец в подшипниках. Отказы подшипников качения происходят из-за вытекания смазки из подшипников, поломки шариков или роликов между обоймами подшипников, разрушение сепаратора, заклинивания шариков в обоймах подшипников. Другим механическим узлом, который повреждается при эксплуатации электрических машин постоянного тока, является щеточная траверса. Повреждения этого узла проявляется в виде поломки кольца траверсы, закрепляющего ее на подшипниковом устройстве, расстройстве регулировки положения щеткодержателей на кольцах или бракетах траверсы.
Наряду со статистической обработкой данных эксплуатации для оценки надежности электрических машин используются также определительные и контрольные испытания. Определительные испытания проводят для определения сравнительных показателей надежности, контрольные — для контроля соответствия показателей требованиям стандартов или технических условий [8].
Для определительных испытаний объем выборки (количество машин, случайным образом отобранных из партии или серии, подлежащих испытаниям) составляет 20…30 машин. Испытания проводятся до отказа всех машин выборки, что позволяет построить кривую вероятности безотказной работы в функции наработки.
Контрольные испытания проводят либо для одного уровня (риск заказчика 
), либо для двух (риск заказчика и риск изготовителя 
). Для соответствующих значений и определяется объемом выборки, необходимый для подтверждения требуемого значения вероятности безотказной работы. После испытания машин в случае, если число отказавших во время испытаний машин не превышает некоторое число с — так называемого приемочного числа, требуемый уровень вероятности безотказной работы 
подтверждается. В противном случае гипотеза о соответствии надежности партии машин требуемому уровню отклоняется.
Испытания на надежность, как определительные, так и контрольные, весьма длительные и дорогостоящие. Кроме того, данные испытаний зачастую запаздывают и не могут дать оперативной коррекции при конструировании и совершенствовании технологии. Сокращение времени испытаний решается проведением форсированных испытаний на надежность. В этом случае испытания электрических машин проводятся в специальных условиях, характеризующихся повышенным уровнем некоторых воздействующих факторов: температура окружающей среды, вибрации, номинальных частоты вращения и нагрузки, числа пусков, влажности, удельного нажатия и плотности тока под щеткой, запыленности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
