Исследование комплекса параметров вибрации и внешнего магнитного поля в задачах диагностики синхронных генераторов газопоршневых агрегатов

Как было показано в работах [1, 2], диагностика и оценка технического состояния газопоршневых агрегатов (ГПА), аварийная остановка которых может вызвать остановку эксплуатации фонда нефтедобывающих скважин, является важной задачей, решение которой способствует сокращению эксплуатационных затрат, повышению надежности, снижению количества аварийных ситуаций, сокращению расходов и потерь рабочего времени, связанных с внеплановыми ремонтами оборудования и технологическими неполадками.

По статистике [3, 4], основными и самыми распространенными дефектами электрических машин являются:

– межвитковые замыкания;

– изменение зазора между статором и ротором;

– биение ротора;

– повреждение/перегрев/обрыв обмоток;

– повреждение подшипников;

– неисправность управляющих блоков.

Данные дефекты приводят к параметрическому и функциональному отказам агрегатов, уменьшают срок службы.

В настоящее время для диагностики неисправностей электрических машин в целом и синхронных генераторов в частности разработано множество методов [5–7], таких как вибродиагностика, метод регистрации частичных разрядов, спектродиагно-стика, тепловые методы диагностики и т. д.

В работе [8] показано, что методы, основанные на анализе вибрации, широко используются для диагностики электрических машин, поскольку показатели виброскорости, виброускорения и виброперемещения напрямую связаны как с электрическим, так и с механическим состоянием электрической машины.

Однако в исследованиях [5, 9] было выявлено, что существует ограничение в возможности обнаружения и классификации различных дефектов, способных вызвать сбои в работе машин, исключительно при помощи методов вибродиагностики. Было показано, что однократные измерения виб- рации не позволяют однозначно решать задачи диагностирования и прогнозирования технического состояния всех узлов электрических машин, за исключением подшипников качения.

В статье [10] для более достоверного выявления электромагнитных дефектов асинхронных двигателей предложено комбинировать метод вибродиагностики с методом регистрации частичных разрядов (ЧР). Однако метод частичных разрядов имеет недостаток, заключающийся в том, что однократное измерение сигналов ЧР не позволяет надежно оценить степень опасности дефекта и прогнозировать время безаварийной работы оборудования, так как именно высокая скорость изменения характеристик сигналов ЧР служит достаточно надежным указателем на близость полного пробоя [6].

В работах [11, 12] было определено перспективное направление диагностики электрических машин. Было показано, что большинство вращающихся электрических машин симметричны и генерируют равномерно распределенный магнитный поток. Любая неисправность в машине приводит к асимметричному распределению магнитного потока, что приводит к увеличению локальных магнитных напряжений. Определено, что эти факты делают диагностические алгоритмы, основанные на регистрации изменений внешнего магнитного поля, неинвазивными и открывают широкие возможности для обработки сигналов и технологические приемы, которые могут быть использованы для контроля состояния электрических машин.

Так, в работе [13] показана возможность обнаружения статического и динамического эксцентриситета, основанная на регистрации внешнего магнитного поля синхронного генератора. В статье [14] предложен алгоритм выявления витковых замыканий синхронного генератора на основе использования отклонения спектрограммы непрерывного вейвлет-преобразования сигнала с датчика магнитного потока рассеяния. В исследовании [15] установлено, что анализ изменений внешнего электромагнитного поля позволяет выявлять виды и степень повреждения обмоток статора и ротора синхронных генераторов. В работе [16] было проведено совместное исследование параметров вибрации и внешнего магнитного поля при дефектах «межвитковые замыкания» и «обрыв стержня ротора» асинхронного двигателя. Было обнаружено, что развитие дефектов электродвигателя влияет не только на параметры вибрации, но и на изменение его внешнего магнитного поля, включая вид круговой диаграммы амплитуды и спектра напряженности внешнего магнитного поля.

Как было установлено в работе [17], сложность диагностирования ГПА связана с тем, что в его состав входит электрическая машина и двигатель внутреннего сгорания (ДВС), основанные на разных принципах действия и имеющие разные значения вероятности безотказной работы. Задачу вибродиагностики ГПА осложняет необходимость отстроиться от вибраций, вызванных соседним оборудованием [1]. Так, в случае двухполюсной электрической машины удвоенная частота вращения ротора (100 Гц) будет равна частоте электромагнитных сил (удвоенной частоте сети), и наличие основной гармоники виброскорости на 100 Гц может быть признаком как дисбаланса и потери балансировочных грузов, так и воздействия электромагнитных сил [18, 19].

Кроме того, в [20] показано, что генераторы, работающие в составе электроагрегата с двигателем внутреннего сгорания, характеризуются более высокими вибрациями, чем генераторы, работающие от вращающихся машин. Это обусловлено отличительными особенностями двигателей внутреннего сгорания: колебательными движениями масс, флуктуациями крутящего момента и пульсациями сил в присоединенных трубопроводах. Эти особенности приводят к тому, что результаты измерений вибрации не позволяют получить полное представление о действующих механических напряжениях [20].

Таким образом, в целях повышения достоверности диагноза, целесообразно провести исследование перспективного комплекса параметров виб- рации и внешнего магнитного поля в задачах диагностики синхронных генераторов ГПА.

Методы

Испытания проводились на пяти находящихся в работе ГПА электростанции с шестью агрегатами единичной номинальной мощностью 2 МВт. Основные технические характеристики ГПА приведены в табл. 1.

Рекомендации по измерениям вибрации, оценке вибрационного состояния ГПА и обработке результатов измерений приведены в международных стандартах [20, 21].

Точки измерения вибрации, выбранные в соответствии с [20], представлены на рис. 1. С помощью переносного виброанализатора «Корсар+» были проведены замеры среднеквадратичного значения вибрации в контрольных точках ГПА. Переход из временной области в частотную (0…1000 Гц) производился при помощи быстрого преобразования Фурье (БПФ) во встроенном программном комплексе. Визуализация результатов выполнена в программном комплексе «Атлант».

Из теории электрических машин известно, что распространение магнитного поля за пределы синхронного генератора обусловлено насыщением сердечника статора.

Радиальная индукция внешнего магнитного поля B_R бездефектной вращающейся электрической машины изменяется по синусоидальному закону во времени [16]:

B_R = к э • В_т^ cos (w t + р • ф), где к э - коэффициент экранирования; В_т - амплитуда основной гармоники магнитной индукции при симметричном приведенном зазоре; ш - частота магнитного момента; t - время; р - порядок гармоники; ф - фаза магнитного момента.

При повреждении синхронного генератора, различных дефектах в обмотке возбуждения и обмотке якоря происходит перераспределение токов по областям, изменение насыщения элементов магнитной системы, возникают магнитные асимметрии [15].

Таблица 1

Основные технические характеристики ГПА

Table 1

The main technical characteristics of the GPU

Параметр	Значение
Максимальная электрическая мощность, кВт	2016
КПД электрический, %	41,2
Число цилиндров ДВС	20
Скорость вращения вала, об/мин	1500
Напряжение на выводах генератора, кВ	6,3
Частота вырабатываемой электроэнергии, Гц	50
Тип генератора	SR4B
Тип системы возбуждения генератора	Бесщеточный, от постоянных магнитов
Номинальный коэффициент мощности, о.е.	0,8
Тип подшипников ДВС	Скольжения
Тип подшипников генератора	Качения

Рис. 1. Расположение точек измерений вибрации: а – вид сверху; b – вид сбоку Fig. 1. Location of vibration measurement points: a – top view; b – side view

a)

Рис. 2. Точки измерения напряженности внешнего магнитного поля: а – вид сбоку; b – вид сзади Fig. 2. Measuring points of the external magnetic field strength: a – side view; b – rear view

I

b)

Для проведения измерений на корпусе синхронного генератора выбирались фиксированные точки, в которых проводились измерения напряженности внешнего магнитного поля (рис. 2) с использованием датчика Холла и измерителя напряженности электрических и магнитных полей «П3-80». Переход из временной области в частотную (25…675 Гц) производился при помощи быстрого преобразования Фурье (БПФ) во встроенном программном комплексе Р3-80-DSP.

Результаты

Полученные в ходе измерений уровни вибрации (среднеквадратичное значение виброскорости) ГПА представлены в табл. 2.

Анализ табл. 2 показал, что среднеквадратичные значения виброскорости лежат в пределах допустимых значений в соответствии со стандартом [20] для машин данного типа и могут быть объяснены остаточным небалансом. Однако значения виброскорости в точках 2 и 8 ГПА № 6 значительно превышают аналогичные показатели на других машинах, что может свидетельствовать о развивающемся дефекте.

Для оценки состояния ГПА № 6 по результатам вибродиагностики выполнен из временной области в частотную. На рис. 3 представлен спектральный состав среднеквадратичного значения виброскорости ГПА № 6 при работе под нагрузкой 1486 кВт (73,7 % от номинальной мощности).

Таблица 2

Уровни вибрации ГПА

Table 2

Vibration levels of GPU

Станционный номер ГПА	Среднеквадратичное значение вибро скорости v rms, мм/с
	Т.1	Т.2	Т.3	Т.4	Т.5	Т.6	Т.7	Т.8	Т.9	Т.10
1	4,4	4,2	3,4	5,2	2,1	3,2	4,1	3,5	1,9	1,9
2	3,2	4,6	3,4	3,1	2,3	1,6	2,1	1,3	1,8	1,7
3	4,6	4,9	4,1	3,6	1,8	1,9	3,5	2,5	1,9	2,1
5	3,6	4,8	3,1	3,4	1,7	1,8	3,6	3,3	1,7	2,6
6	2,3	7,9	2,7	3,1	1,6	2,3	4,1	6,4	2,1	2,5

a)                                                                         b)

Рис. 3. Спектральный состав среднеквадратичного значения виброскорости ГПА № 6 под нагрузкой 1486 кВт: а – в точке 2; b – в точке 8

Fig. 3. Spectral composition of the RMS value of the vibration velocity of GPU No. 6 under a load of 1486 kW:

a – at point 2; b – at point 8

Преобладание ½ гармоники оборотной частоты двигателя в точке 2 двигателя внутреннего сгорания может свидетельствовать о пропуске зажигания в одном или нескольких цилиндрах ДВС [19]. В то же время, преобладание второй гармоники оборотной частоты (50 Гц) и одновременное наличие пиков шестой (150 Гц), двенадцатой (300 Гц) гармоник, а также дробных гармоник (например,

a)

Рис. 4. Спектральный состав внешнего магнитного поля ГПА № 2 под нагрузкой 1668 кВт: а – в единицах измерения А/м; b – в единицах измерения дБА/м

Fig. 4. Spectral composition of the external magnetic field of GPU No. 6 under a load of 1668 kW: a – in units of measurement A/m; b – in units of measurement dBA/m

частоты (212,5 Гц)) в точке 8 генератора может свидетельствовать о возможном развивающемся электромагнитном дефекте генератора либо развивающемся дефекте подшипника качения [22].

Учитывая неопределенность предварительного диагноза, для уточнения был проанализирован спектральный состав напряженности внешнего магнитного поля.

На рис. 4 представлен спектральный состав

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

Частота, Гц

b)

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

Частота, Гц

a)

b)

Рис. 5. Спектральный состав внешнего магнитного поля ГПА № 6 под нагрузкой 1486 кВт: а – в единицах измерения А/м; b – в единицах измерения дБА/м

Fig. 5. Spectral composition of the external magnetic field of GPU No. 6 under a load of 1486 kW: a – in units of measurement A/m; b – in units of measurement dBA/m

среднеквадратичного значения напряженности внешнего магнитного поля исправного по результатам вибродиагностики ГПА № 2 под нагрузкой 1668 кВт (82,7 % от номинала) в точке максимальной амплитуды в двух единицах: А/м и, для большей наглядности, в дБА/м. Анализ показывает, что амплитуда на частоте сети (50 Гц) ярко выражена, а амплитуды остальных нечетных гармоник (150, 250, 350 Гц и т. д.) незначительны.

Для сравнения, аналогичный анализ спектрального состава среднеквадратичного значения напряженности внешнего магнитного поля ГПА № 6 под нагрузкой 1486 кВт, представленный на рис. 5, показывает, что аналогично спектру ГПА № 2, превалирует амплитуда первой гармоники на частоте сети. Однако в то же время, проявлены амплитуды третьей (150 Гц), пятой (250 Гц), седьмой (350 Гц) и т. д. гармоник. Амплитуда третьей гармоники напряженности внешнего магнитного поля больше аналогичного значения третьей гармоники ГПА № 2 в 32 раза, амплитуда пятой гармоники – в 6,5 раз. На спектральном составе, выраженном в дБА/м, разница между амплитудами первой и остальных нечетных гармоник значительно снижается.

Сопоставляя полученные результаты вибродиагностики и анализа внешнего магнитного поля, можно предположить наличие электромагнитного дефекта в обмотке статора генератора ГПА № 6, который привел к перераспределению токов по областям, изменению насыщения элементов маг- нитной системы и возникновению магнитной асимметрии. Следовательно, обмотка статора генератора ГПА № 6 является элементом, требующим приоритетного технического воздействия, что подтверждает ранее выполненные теоретические изыскания [17].

Таким образом, улучшение результатов предварительной вибродиагностики достигается путем анализа напряженности внешнего магнитного поля, что повышает точность данного комплексного метода диагностирования за счет учета двух параметров различной физической природы.

Заключение

• 1.    Анализ напряженности внешнего магнитного поля синхронного генератора повышает точность постановки предварительного диагноза, полученного по результатам вибродиагностики газопоршневого агрегата.

• 2.    Предложен неинвазивный комплекс диагностики газопоршневых агрегатов по параметрам вибрации и внешнего магнитного поля генератора, учитывающий два параметра различной физической природы и позволяющий выполнить оценку технического состояния агрегата, находящегося в работе.

• 3.    Полученные результаты могут быть использованы в оценке технического состояния находящихся в работе газопоршневых агрегатов и в качестве основы для создания систем их предиктивного технического обслуживания.