Самородов Ю.Н.
Парадоксальные свойства скользящего контакта в ЩКА
Библиотечка электротехника
Приложение к журналу «Энергетик»
Основана в июне 1998 г.
Выпуск 6 (174)
Главный редактор журнала «Энергетик» А. Ф. ДЬЯКОВ
РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ
И. И. Батюк (зам. председателя), К. М. Антипов, Г. А Безчастнов, А. Н. Жулев, В. А. Забегалов, Ф. Л. Коган, В. И. Кочкарев, Н. В. Лисицын, В. И. Пуляев, А. И. Таджибаев
Самородов Ю. Н. Парадоксальные свойства скользящего контакта в ЩКА. — М.: НТФ «Энергопрогресс», 2013. — 56 с.
Изложены результаты исследований рабочих поверхностей контактных колец и щеток щеточно-контактного аппарата турбогенераторов. Установлено, что коэффициент трения шеток о кольцо уменьшается в результате давления паров железа, возникающих в микроплазменных каналах множественных пробоев оксидной пленки («политуры»). Показано, что одной из основных причин повышенного износа шеток и колец являются дуговые и искровые разряды, поэтому какие-либо разряды между ними недопустимы. Приведены результаты микроскопического анализа «зеркала» дорожек минусового кольца и продуктов электроэрозионного износа колец.
Для персонала электрических цехов электростанций, специалистов генерирующих компаний и ремонтных организаций.
Москва
© НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик»
2013
Содержание книги
Парадоксальные свойства скользящего контакта в ЩКА
Предисловие
ГЛАВА ПЕРВАЯ. Нарушения в работе скользящего контакта
ГЛАВА ВТОРАЯ. Структура скользящего контакта контактных колец и процессы в нем
2.1. Структура
2.2. Уменьшение коэффициента трения
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Методы, образцы и результаты исследований
Выводы и рекомендации
Список литературы
Предисловие
Однажды автор был приглашен на электростанцию для определения причины практически полного износа дорожек контактного кольца отрицательной полярности (минусового) ротора турбогенератора типа ТВФ-110-2Е. Его осмотр не дал никакой информации, поэтому кольцо было снято с ротора и передано для лабораторных исследований во ВНИИЭ. Старший мастер по генераторам электростанции назвал марку стали кольца — 38ХВ и марку электрощеток — ЭГ4.
В лаборатории сразу же был проведен микрорентгеноспек-тральный анализ состава стали, который показал отсутствие в ней вольфрама, придающего стали износостойкость. Поэтому автор сделал неверный вывод о низкой стойкости кольца к истиранию из-за незнания парадоксальных свойств скользящего контакта. Неверный — потому, что очень мягкий электрографит щеток марки ЭГ4 никак не мог механически истереть хромистую сталь высокой твердости, в состав которой в качестве второго легирующего элемента был введен не вольфрам, а молибден; иными словами, кольцо было изготовлено из износостойкой стали 38ХМА. Подобную ошибку допускают и комиссии по расследованию технологических нарушений в работе турбогенераторов, нередко записывая в своих актах, что причиной повреждения контактного кольца является низкая стойкость металла к истиранию.
Так, например, в процессе работы турбогенератора типа ТВФ-120-2 одной из ТЭЦ в щеточно-контактном аппарате (ЩКА) было обнаружено облако графитовой пыли, возникли вибрация щеток, искрение и последовательное разрушение щеток на крайних к возбудителю дорожках контактного кольца [1]. Машина была аварийно остановлена. В акте расследования технологического нарушения наиболее вероятной причиной его возникновения комиссией была названа выработка дорожки на длине 120—180 мм глубиной 0,65 мм с двух противоположных сторон контактного кольца, что якобы указывает на неоднородность структуры металла контактных колец из-за низкого качества изготовления. Турбогенератор был изготовлен в 1970 г., а авария произошла в 2002 г. Комиссия не привела никаких доказательств низкого качества стали, поскольку не проводила металловедческой экспертизы, не исследовала ни структуру металла, ни его качественный состав, ни условия работы ЩКА. Возникает вопрос: как, не установив точную причину аварии, комиссия смогла разработать мероприятия по предупреждению в будущем подобных технологических нарушений?
Через некоторое время к автору обратилась другая крупная электростанция с просьбой объяснить причину многократного возникновения сильного искрения и «кругового огня» на минусовых кольцах нового турбогенератора мощностью 500 МВт, несмотря на оперативно принимаемые меры (проточка, «переполю-совка», уплотнение ЩКА и т.п.). Марка стали минусового и плюсового колец — 38ХНЗМА. Твердость контактных колец по Бринеллю: внутреннего — 220 НВ, наружного — 280 НВ при допускаемом разбросе значений 230 — 300 НВ. Тип электрощеток: ЭГ2АФ1 — на минусовом кольце, 61 ЮМ — на плюсовом.
Искрение на минусовом кольце появилось в январе 2010 г. и наблюдалось постоянно, несмотря на принимаемые меры (продувка, очистка кольца, замена щеток). Спустя 1,5 мес произошло аварийное отключение из-за сильного искрения на минусовом (внутреннем) кольце. Были произведены шлифовка контактных колец, смена полярности (наружное кольцо стало минусовым, внутреннее — плюсовым), замена щеток типа ЭГ-2АФ1 на щетки типа 61 ЮМ. Поскольку до этого в ЩКА попадало масло из подшипника, то были приняты меры по предотвращению замасливания колец.
Затем произошло второе аварийное отключение генератора через 10 дней после первого из-за сильного искрения также на минусовом (в данном случае уже на наружном) кольце. Снова были произведены шлифовка контактных колец и смена полярности (наружное кольцо вновь стало плюсовым, внутреннее — минусовым). Для предотвращения возможного попадания масла в ЩКА было смонтировано уплотнение ЩКА новой конструкции со стороны подшипника, модернизирован маслоуловитель, установлены матерчатые фильтры на входе воздуха в ЩКА.
Однако принятые меры не дали результата и через 9 дней после второго произошло третье аварийное отключение из-за кругового огня снова на минусовом контактном кольце. Его вибрация перед отключением составляла 298 — 320 мкм. Износ щеток на кольце был повышенным: они приходили в негодность через 2 ч после установки. После останова турбогенератора была вновь осуществлена шлифовка внутреннего кольца. В результате из-за неоднократных шлифовок его диаметр недопустимо уменьшился.
Неоднократно проверялась исправность тиристоров. Замечаний не было. Производился переход с рабочего возбуждения на резервное (электромашинный возбудитель), но искрение не устранялось. Через 7 мес после проведенных ремонтов вновь возникло сильное искрение, из-за чего в очередной раз пришлось останавливать генератор.
Изучая на лабораторном столе демонтированное натурное минусовое кольцо, снятое с ротора турбогенератора типа ТВФ-110-2Е, и фотографии рабочих поверхностей дорожек колец турбогенератора 500 МВт, автор задался несколькими вопросами:
1) почему возникающая на кольце оксидная пленка (ржавчина тоже является оксидом железа) резко снижает коэффициент трения кольца о щетки?
2) почему стальное кольцо высокой твердости может так интенсивно изнашиваться при трении о весьма мягкие электрографитированные щетки, имеющие к тому же прекрасные «смазочные» свойства?
3) какой физико-химический механизм вызывает более интенсивное изнашивание минусовых колец по сравнению с плюсовыми кольцами?
4) почему контактные кольца повреждаются в работе, если на их рабочую поверхность попадает турбинное масло?
5) почему, как утверждается в некоторых публикациях, через щетку проходит не постоянный, а импульсный ток?
В предлагаемой вниманию читателя брошюре изложены результаты исследований, проведенных для получения ответов на поставленные вопросы. В процессе исследований автор основательно ознакомился с докторскими диссертациями В. В. Плохова и В. Н. Забоина, кандидатской диссертацией Н. В. Андреевой, основополагающими трудами Р. Хольма, П. С. Лившица, В. Ю. Авруха, В. Гейнриха, публикациями Г. А. Безчастного, В. Н. Лирина, И. Н. Попова, Г. В. Ростика, а также ряда других исследователей, рекламными материалами зарубежных фирм Schunk и Carbone Lorraine.
По мнению автора, слабое знание персоналом, обслуживающим ЩКА электрических машин, парадоксальных свойств скользящего контакта нередко приводит к возникновению аварийных ситуаций.
Согласно статистическому исследованию, выполненному автором [1], за период 2001 — 2005 г. произошло 20 технологических нарушений в работе только контактных колец роторов турбогенераторов, что составило 3,5 % суммарного числа нарушений (576 событий) в работе 1475 турбогенераторов всех типов. Их основными причинами согласно актам расследований явились следующие дефекты: ослабление посадки кольца на изоляционную втулку; загрязнение изоляционной втулки; низкая стойкость металла кольца к истиранию (что не верно; скорее всего, непринятие мер по устранению возникшего искрения); повышенная вибрация хвостовика вала ротора.
Основными причинами 74 нарушений в работе ЩКА (без учета нарушений в работе контактных колец) явились неправильные действия персонала (8,2 %); дефекты восьми сборочных единиц (91,8 %), в том числе щеток (38,4 %); щеткодержателей (17,8 %); загрязнение ЩКА (11 %); попадание постороннего предмета в ЩКА (9,6%).
Суммарные нарушения в работе колец и ЩКА приводили к следующим основным наиболее типичным последствиям: искрение — 37,8 %; «круговой огонь» — 35,1 %; короткое замыкание — 5,4 %; переход генератора в асинхронный режим — 4,1 %; остальное — 17,6 %.
Для получения ответов на перечисленные выше вопросы относительно парадоксальных свойств скользящего контакта, в 2010 — 2012 г. в лабораторных условиях автором были проведены микроскопические исследования рабочей поверхности дорожек вышеупомянутого минусового кольца из стали 38ХМА, а также щеток, демонтированных из ЩКА турбогенераторов типов ТВФ-63-2, ТВФ110-2Е, ТВФ-120-2 и ТВМ-500-2. Были отобраны и исследованы продукты износа контактных колец из вентиляционных камер ЩКА турбогенераторов, работающих на двух московских ТЭЦ. Исследованы дефекты рабочих поверхностей щеток, электрофизические свойства турбинного масла ТП-22с (из-за его попадания в ЩКА возникают нарушения в работе скользящего контакта), смоделированы повреждения щеток и кольца искровыми разрядами. Результаты этих исследований изложены в данной брошюре.
Особое внимание уделено уникальным свойствам оксидного слоя на рабочей поверхности контактных колец, в просторечье называемого «политурой». Настоящая политура — это 10 — 20 %-ный спиртовой раствор природной смолы (обычно шеллака); при нанесении на деревянные изделия образует прозрачное покрытие с зеркальным блеском. Поскольку оксидный слой на рабочей металлической поверхности контактного кольца (а также и коллектора машин постоянного тока) имеет глянцевый вид и внешне несколько похож на лаковое покрытие деревянных поверхностей, то он когда-то и был назван «политурой».
Цель исследования свойств «политуры» контактных колец состояла в разработке рекомендаций персоналу, обслуживающему ЩКА турбогенераторов и сталкивающемуся с затруднениями, возникающими при определении причины нарушения в работе скользящего контакта. При этом автор особо подчеркивает, что весьма важные вопросы обеспечения надежности работы контактных колец и щеточного аппарата (режимные, конструктивные, технологические и т. п.) в брошюре не рассматриваются, поскольку они достаточно полно изложены в [2].
Автор благодарит Г. А. Безчастнова (ООО «ЭФ-КОНТЭЛ») за ценные рекомендации по уточнению результатов исследований, И. Н. Попова (НПФ «ЭЛИСА») за неоценимую помощь в обосновании полученных результатов, Г. В. Ростика (ООО «ЛЭР-ЭЛЕК-ТРОСЕРВИС») за ознакомление автора с неизвестными ему публикациями и, особенно, с редчайшей книгой В. Гейнриха (W. Heinrich) «Проблема скользящего контакта в электромашиностроении. Пособие для изучения вопроса о снятии тока с коллекторов и контактных колец электрических машин», изданной в Германии в 1929 г. и в СССР в переводе в 1935 г.
Скачать книгу "Парадоксальные свойства скользящего контакта в ЩКА". НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик» 2013
|
