نقش فناوری تشخیص بهنگام تخلیة جزئی در افزایش عمرعایق سیم پیچی استاتور

معیوب شدن ژنراتورها بر اثر شکست عایقی میتواند باعث وارد شدن خسارات فاجعه آمیز به تجهیزات، فقدان یا کاهش توان تولیدی، خروج اجباری طولانی و تحمیل هزینه های سنگین برای شرکت های برق گردد. بنابراین ردیابی شروع ضعف های عایقی و آشکار نمودن هر چه سریعتر امکان بروز خطا حائز اهمیت فراوان است. مواجهه با فشار روز افزون جهت افزایش آمادگی واحدهای نیروگاهی در ضمن کاهش هزینه های نگهداری، باعث میل به سیاست «نگهداری براساس شرایط» به جای «نگهداری براساس زمان» گردیده است. مالکان و بهره برداران ژنراتورها و موتورهای بزرگ برای نظارت بهنگام بر سیستم عایقی استاتور، سیستمهای تجزیه و تحلیل تخلیة جزئی PDA  (Partial Discharge Analysis)را مورد استفاده قرار داده اند.

اندازه گیری بهنگام تخلیة جزئی، به عنوان یک روش مؤثر و مطمئن برای ارزیابی شرایط عایقی استاتور و هشدار به بهره برداران نیروگاه در خصوص احتمال وقوع خطا شناخته شده است. اندازه گیریها در طول عملکرد عادی ماشین انجام شده و بخش لاینفک برنامة " نگهداری براساس شرایط " را تشکیل می دهند. نظارت منظم بر شرایط عایقی سیم پیج استاتور می تواند کاربران را از عملکرد ایمن ماشینها، حتی در صورتی که تا حدودی از جانب شکست الکتریکی دچار تهدید شده باشند، مطمئن سازد.

ژنراتورها و موتورها در حین عملکردشان مواجه با تنشهای الکتریکی، مکانیکی، حرارتی و محیطی هستند که ممکن است فرسودگی و شکست سیستم عایقی استاتور آنها را در پی داشته باشد. ضعف عایق سیم پیچی استاتور عامل مهمی در کاهش طول عمر ژنراتورها و موتورهای فشار قوی است. تخلیه های جزئی، نشانة از بین رفتن عایق استاتور هستند. ضعف عایقی سیستم استاتور در بیشتر ژنراتورها و موتورها یک فرایند تدریجی است. شکست الکتریکی عایق سیم پیچی استاتور همیشه در یک دورة زمانی سالانه یا ده ساله روی می دهد و روزها و ساعتها در آن مطرح نمی باشد. بنابراین انجام اندازة گیریهای PD  با فواصل زمانی سه ماهه برای ردیابی آغاز ضعف عایقی و نظارت بر روند پیشرفت آن بسیار ایده ال و مناسب خواهد بود. به محض آنکه تخلیة جزئی آشکار شد، ارزیابی شرایط عایقی استاتور را می توان بر مبنای اطلاعات به دست آمده از PD  شروع کرد.صاحب ماشین در چنین شرایطی به بهره برداری از آن ادامه می دهد تا شرایط به مرز بحرانی خود نزدیک شود و به این ترتیب عمر عملکرد ماشین افزایش خواهد یافت. همچنین با انجام عملیات نگهداری قبل از بروز مشکل، می توان از شکستهای عایقی جلوگیری نمود.

مطالعة موردی افزایش عمر عایق سیم پیچی استاتور یک ژنراتور

تنشهای حرارتی، به ویژه اضافه حرارت، یکی از عوامل عمده در فرسودگی عایقی هستند. بنابراین ریشة

 بسیاری از شکستهای الکتریکی، عایق سیم پیچی استاتور می باشد. مثال زیر نقش کاربرد بهنگام فناوری PDA را در آشکارسازی شرایط آسیب دیده سیم پیچی استاتور و همچنین چگونگی افزایش طول عمر آن تشریح می کند.

ژنراتور مورد نظر دارای توربین بخار با توان نامی 730 مگاوات و ولتاژ نامی20 کیلوولت است، که از سال 1972 مورد بهره برداری قرار گرفته است. ژنراتور در معرض نوسانات ناشی از رزونانس با فرکانس HZ 120 که در سیم پیچی های انتهائی استاتور بواسطه لقی و شل بودن آنها رخ می داده قرارداشته است. بین سالهای1972 تا 1988 ، ژنراتور برای تعمیر صدمات بوجود آمده در عایق آن همچون خطای فاز- زمین، از بین رفتن ورقه های عایقی و ترک خوردگی جوشکاریها ، از مدار خارج گردید. با این وجود، به علت آنکه هیچیک از این صدمات مهلک نبودند، ژنراتور تا سال 1989 و با همین تعمیرات مختصر مورد بهره برداری قرار گرفت. در این سال ساختمان انتهایی سیم پیچی ژنراتور توسط شرکت وستینگهاوس بهبود داده شدکه همین امر منجر به محکم شدن ساختمان سیم پیچی و بهبود یکپارچگی عایق ژنراتور گردید.از آغاز سال 1993 به علت خراب شدن سیستم خنک کنندة خودکار هیدروژنی، ژنراتور به شدت دچار مشکل اضافه حرارت گردید.دمای سیم پیچی استاتور قبل از رفع خطای سیستم خنک کننده به 165 درجة سانتیگراد رسید و بلافاصله ژنراتور از مدار خارج گردید. گوه های عایقی میان شیارها، پر کننده ها و بستهای مهار کننده هم در استاتور و هم در روتور ذوب شده و یا پس از سوختن به تیرگی گراییدند. با این وجود عایق ترموپلاستیک کلاس B  استاتور سالم ماند. نظر بسیاری از متخصصین آن بود که به احتمال قوی اگر ژنراتور دوباره راه اندازی شود در همان دوره راه اندازی و یا مدت کوتاهی پس از آن کاملا" از بین خواهد رفت.

بلافاصله گوه های عایقی و پر کننده های جدیدی میان شیارهای استاتور و روتور قرار داده شدند و با رزین تازه رنگ گردیدند. با این وجود به دلیل نیاز به زمان خروجی زیاد و هزینة بالا برای سیم پیچی اضطراری مجدد، شرکت مالک سعی کرد تا شدت خسارت وارده به استاتور را قبل از سیم پیچی مجدد آن تعیین کند. آزمایشات گسترده همچون ضریب توان، جریان مستقیم فشار قوی، بررسی حرارتی هسته و آزمایشهای خارج از خط (off-line) کرونا انجام داده شد. هر چند سیم پیچی استاتور در مقابل آزمایش فشار قوی DC مقاومت نمود، لیکن علائم ضعف سیم پیچی در آزمایشهای ضریب توان و تعیین تابع پاسخ فرکانسی ساختمانی آن مشاهده شد. پس از چنین آزمایشهایی نظر بر آن شد که ژنراتور بدون سیم پیچی مجدد و تحت نظارت یک سیستم PDA  به عملکرد خود ادامه دهد. این تصمیم با موفقیت اجرا گردید. اولین نتایج PDA  در سال 1993 در شکل (1) مشاهده می شود. عدم انطباق کامل مسیرهای پالسهای مثبت و منفی نشان دهندة وجود تخلیة جزئی در دیواره های عایقی مجاور هادی است. با این وجود وضعیت عایقی علیرغم اضافه حرارت هنوز مطلوب است. این عملیات در بین سالهای 1993 تا 1998 ادامه یافت. چنین عملکردی بدون نیاز به سیم پیچی مجدد استاتور، منجر به صرفه جویی های میلیون دلاری در هزینه ها شد و عمر ژنراتور را افزایش داد. شکل (2) نیز نتایج آزمایش  PDA بر روی ژنراتور مذکور را در سال 1998 نشان می دهد. عدم انطباق مسیرهای پالس پلاریتة مثبت و منفی نشان از وخیم تر شدن اوضاع دارند. با این وجود به تأخیر انداختن سیم پیچی مجدد ژنراتور تا بروز چنین شرایط بحرانی ارزش زیادی داشته است.

نتایج اولین آزمایشهای PDA  بلافاصله پس از بروز اضافه حرارت در سال 1993

 

نتایج آزمایشهای  PDA ، در سال 1998 ، پنج سال پس از بروز اضافه حرارت

 

منبع :     سایت Advel

آدرس : http://www.advel.com  

یک چهارچوب جدید برای تخمین پارامترهای نیروی محرکه(دینامیک) ژنراتور

دقت پارامترهای دینامیکی یکی از عوامل تعیین کننده در شبیه سازی صحیح پدیده سیستم انرژی گذرا (ناپایدار) می باشد.

این مقاله یک پروسه کلی برای برآورد پارامترهای دینامیک ژنراتور جهت تجزیه و تحلیل پیشنهاد می کند.

دانلود

مونیتورینگ حرکت لبه روتور در ژنراتورهای آبی

شرکت خدمات برق رسانی عمومی Chelan County (واقع در واشنگتن) در بخشی از سیاست بهسازی و نوسازی اقدام به نصب اسکنرهایی بر روی روتور یازده واحد ژنراتوری نیروگاه کرده است. این اسکنرها از شرکت Benty Nevada`s Hydro Scan خریداری شده اند.

این اسکنرها با استفاده از سنسورهای حرارتی، فاصله هوایی، تخلیه جزیی،‌ میدان مغناطیسی و میدان الکتریکی، امکان نظارت و کنترل ژنراتورهای در حال بهره برداری را ایجاد می کنند. اخیرا چندین نمونه سنسور مکانیکی به انواع تجهیزات اندازه گیری موجود هیدوراسکن اضافه شده اند. از جمله این سنسورها می‌توان از کرنش سنج متصل به روتور، ترموکوپل و سنسور جابجایی سنج نام برد. سنسور جابجایی سنج لبه روتور RDS - Rim Displacement Sensor ، یکی از سنسورهای مورد استفاده می باشد.

در سال 1970 هفت دستگاه ژنراتور وستینگهاوس واقع در نیروگاه Rocky Reach نصب شد که مشخصه‌های نامی این ژنراتورها به شرح زیر است:

I_DC = 1150A و V_DC = 375V و 4120A و 15KV و PF= 0. 95 و 107MVA‌

با گذشت چند سال از بهره برداری این ژنراتورها مشاهده شد که لبه روتور این ژنراتورها به تدریج جمع (Shrink) می شود علائم آن هم شامل گردگرفتگی و ساییدگی اطراف کلیدهای فنری بود. یکی از حوادثی که اخیرا رخ داده بود و اهمیت این مشکل را نشان می‌دهد این بود که ماده ائی از محرک مربوط به کلید فنری از محل خود خارج شده و سیم پیچی روتور و استاتور را به هم اتصال داده است. شکل (1) قسمت عنکبوتی (Spider) و لبه روتور را نشان می‌دهد. به منظور تعیین و سنجش میزان کوچک شدن (چروکیدگی) لبه روتور، پرسنل Chelan County تقاضا کردند که عملکرد سنسورهای به کار رفته جهت کنترل و نظارت حرکت لبه روتور واحد در حال کار را بررسی کنند. مشخص شد که سنسورهای جابجایی سنج با رنج 0 تا 1/0 اینچ و دقت 001/0 اینچ می‌توانند برای اندازه گیری حرکت نسبی بین عنکبوتی روتور(Spider) و لبه روتور بکار روند.

شکل ( 1 )- Spider و لبه میانی روتور

سنسورهای جابجایی سنج طوری نصب شده بودند که حرکت نسبی بین لبه روتور و بازوی عنکبوتی روتور (Spider) را اندازه گیری کنند. به کار بردن سیستم RDS بوسیله استفاده از سیستمهیدروسکن، باتوجه به قابلیت آن در انتقال داده در زمان واقعی از روتور واحد در حال بهره برداری برای بدست آوردن داده ها و تجهیزات مفسر، ممکن شد. چهارده سنسور جابجایی سنج (در هر بازوی عنکبوتی یک عدد) بر روی هر کدام از ژنراتورهای وستینگهاوس واقع در نیروگاه Reach Rocky  نصب شده است. در طول راه‌اندازی اخیر واحد C6 نیروگاه مذکور پس از نصب سیستم RDS ، تجزیه دقیق اطلاعات مربوط به سرعت و دمای متفاوت و بار کامل نشان می دهد که از میان این موارد، جابجائی اصلی هنگامی رخ می دهد که واحد در بار کامل کار می‌کند. جدول (1) اعداد بدست آمده در طول راه اندازی واحد C6 را نشان می‌دهد. جابجائی طراحی شده برای روتورهای وستینگهاوس در نیروگاه Rocky Reach برابر 035/0 اینچ بود. همانطور که در جدول (1) مشاهده می‌شود انحراف لبه روتور در بار کامل و دمای کار به بیشترین مقدار خود می‌رسد. یک قسمت جالب دیگر از داده های مربوط به حرکت لبه روتور در واحد C3 ، Rocky Reach نمایان شد. شکل (2) داده های 14 سنسور جابجایی سنج را به همراه نمایی از استاتور که بوسیله سنسور فاصله هوایی نصب شده روی روتور رسم شده است، نشان می‌دهد (منحنی بالایی). این منحنی مقادیر اندازه گیری شده به هنگام چرخش روتور را نشان می‌دهد. منحنی مربوط به فاصله هوایی، فاصله هوایی کوچکتری را در وسط منحنی نشان می‌دهد. 14 سنسور جابجایی سنج رفتار مشابهی را در قبال کاهش فاصله هوایی داشتند. نیروی ناشی از میدان مغناطیسی در فاصله هوایی کوچکتر افزایش پیدا می کند، لذا جایی که فاصله هوایی کوچکتر است، لبه روتور به سمت خارج منحرف می‌شود.

جاییکه کمترین فاصله هوایی وجود دارد لبه روتور این ژنراتور به سمت بیرون انحنا پیدا کرده که باعث کمتر شدن فاصله هوایی می‌شود. پرسنل Chelan Conty PUD از اطلاعات سنسورهای RDS‌ نصب شده روتور، برای تعیین وضعیت چروکیدگی تمام ژنراتورهای وستینگهاوس نیروگاه Rocky Reach استفاده خواهند کرد. با استفاده از این اطلاعات، پرسنل نیروگاه می توانند به هنگام برنامه ریزی استراتژی تعمیراتی، به عملکرد مناسب ژنراتورهای وستینگهاوس نظارت داشته باشند.

جدول ( 1 )

شکل ( 2 )

منبع : Hydro Views

آدرس : http://www.bently.com

معرفی یک رله جدید حفاظت ژنراتور توسط شرکتBeckwith

رله M-3430 ، جهت حفاظت ژنراتورهای با امپدانس بالا و رله M-3420 ، جهت حفاظت ژنراتورهای با امپدانس پائین بکار می رود. شرکت برق Beckwith با استفاده از فن آوری پردازش سیگنال دیجیتال تمام عملکردهای حفاظتی مورد نیاز ژنراتور را در رله M-3425 بوجود آورده است.

عملکردهای حفاظتی جدید این رله شامل موارد زیر می باشد :

1. حفاظت زمین میدان تحریکfield ground ( 64F ) Protection
2. حفاظت خروج از سنکرون out of step ( 78 ) Protection
3. حفاظت دیفرانسیل حلقه split phase differential (50DT) Protection
4. حفاظت جریان زیاد استاتور

عملکرد سیستم حفاظت زمین تحریک ژنراتور :

عملکرد حفاظتی خروج از سنکرون :

عملکرد حفاظتی دیفرانسیل حلقه :

کارکرد حفاظتی جریان زیاد حرارتی :

 

منبع : شرکت Beckwithelectric

آدرس : http://www.beckwithelectric.com

رله M-3425 از این کارکرد جهت حفاظت اضافه بار حرارتی سیم پیچ استاتور ژنراتور استفاده می کند. ژنراتورهای دارای سیم پیچ چند دوره و دو یا چند سیم پیچ برای هر فاز از این طرح جهت برطرف کردن خطاهای اتصال حلقه های سیم پیچ استفاده می نمایند. در این طرح سیم پیچ های استاتور به دو بخش مساوی تقسیم می شوند وجریانهای هر بخش با هم مقایسه می گردند. هرگونه اختلاف در این جریانها عدم تعادل بوجود آمده توسط خطای اتصال حلقه ها را نشان می دهد. از یک تابع جریان زیاد، زمان محدود جهت برطرف کردن خطای عدم تعادل در این رله استفاده می شود. حفاظت خروج از سنکرونیا out of step زمانی که ژنراتور، حالت سنکرون خود را با شبکه از دست بدهد فرمان تریپ می دهد. زمانی که اتصالات کوتاه رخ داده شده در شبکه، سریع برطرف نگردد و یا اگر خطای نزدیک نیروگاه برای مدت طولانی روی سیستم باقی بماند ژنراتور از حالت سنکرون خارج خواهد شد. اگرچه زمین شدن تحریک به تنهایی روی عملکرد ژنراتور تأثیری نمی گذارد و هیچ گونه اثرات مخربی ایجاد نمی کند ولی اولین خطای زمین یک منبع زمین ایجاد می کند که به واسطه آن خطای زمین بعدی می تواند ایجاد گردد. در واقع خطای اول موجب تشدید ضعف عایقی میدان در سایر نقاط سیم پیچ تحریک می گردد. دومین خطای زمین آسیب های زیادی را ایجاد می کند که ناشی از اتصال کوتاه شدن (حذف شدن) بخشی از سیم پیچ تحریک است که موجب ارتعاش زیاد واحد، گرم شدن روتور به واسطه عدم تعادل جریانها، بوجود آمدن جرقه (arc) در نقاطی از سیستم تحریک می گردد. رله M-3425 با اندازه گیری مقاومت بین روتور و زمین، این خطا را برطرف مینماید. این سیستم حفاظتی یک ولتاژ مربع _±15 ولت تزریق می نماید و سیگنال برگشتی را به منظور محاسبه مقاومت عایقی اندازه گیری می نماید. طرح تزریق برای برطرف کردن خطای زمین تحریک نسبت به طرح های ولتاژی رایج از لحاظ ایمنی و دقت خیلی بهتر می باشد.