Spenningsoverslag i generatorer og konsekvenser

Transkript

1 Spenningsoverslag i generatorer og konsekvenser Brannforum, Stavanger Paul Robert Kaspersen POWER SYSTEMS

2 Sannsynligheten for brann i en generator Konsekvenser av endret kjøremønster Reparasjonsmuligheter Tidsepoker vedrørende materialvalg Risikobilde ved nye maskiner

3 Brann triangel Oksygen Brennbart materiell Varme kilde

4 Flammepunktet er den laveste temperatur hvor en brennbar væske avgir damper som kan antennes med en flamme. Smøroljer er i området C

5 Generatorskader Ytelse/antall: MVA/199 aggregater Komponent Timer Utetid Antall feil % % Ukjent Generator Turbin Kontrollutstyr Transformator Høyspenningsanlegg Felles hjelpeanlegg ,5 11,4 13,1 0,1 14,6 0, ,3 20,5 9,3 58,3 0,5 6,5 4,6 Alle Kilde: Samkjøringens TSR-notat nr. 27/1989

6 Havari eller feil som kan skje i en generator? Statorviklingshavarier Økende tendens, fordobling siste 5 år 10% av feilene - 40% av utetiden Lagerhavarier Økende tendens, mer enn fordobling siste 5 år 20% av feilene - 10% av utetiden Annen uforutsett stans av alvorlig karakter Økende tendens, hjelpeutstyr, kjølere, feltviklinger, rotor etc. men havarihyppigheten henger alltid sammen med generatorens alder

7

8 Teknisk utvikling Ventilasjons - system Åpent kjølesystem Lukket kjølesystem Magnetiserings - utstyr LS magn.maskin. Sp. reg. av eldre type Statisk magn.utstyr Lakkisolering Statorblikk Papirisolering Glimbeskyttelse Stator- vikling Vakuumimpregnert kunstharpiks isolasjon Skjellakk- asfalt micafolium isolasjon Tilvirkningsår

9 Påkjenning Tilstand / holdfasthet Normal påkjenning Tilfeldig påkjenning Feil Alder

10 Statorvikling (direkte) Kortslutning/jordslutning på grunn av isolasjonssvikt (aldring) Kortslutning/jordslutning på grunn av dellederfeil Brudd i leder i overkoblinger (tinnlodding: normalt frem til 1973) Dårlig isolasjonsmotstand (olje, kullstøv, fuktighet) Innvendig gliming på grunn av løs innfesting/oppkiling Utvendig gliming på grunn av ødelagt potensialstyring Brudd i leder i overkoblinger på grunn av løs avstøtning og vibrasjoner Blikkpakke (indirekte) Varmgang i stator på grunn av kortslutning mellom blikk Løse bolter/muttere fra luftkonus eller statiske deler over rotor faller ned på rotor og slynges ut i stator Punktering av isolasjonspapir i deleskjøt på grunn av vibrasjoner eller løst press Manglende aksielt blikkpakkepress

11

12

13 Isolasjonssvikt og lysbue Papirisolert statorblikk

14 Isolasjonspapir i deleskjøt med vibrasjoner Gliming på statorstav ved sporutgang

15 Buckling

16 Statorviklingen Viklingen generelt Isolasjonssystemet Innbygging i spor Skademekanismer Problemer Overvåkning

17 Komplett montert stav-vikling Forbindelser Viklingsuttak Isolasjonskapper Støttebandasjer Staver Braketter Sporkile Pressplate

18 Sportverrsnitt, stavikling Sporkile, enkel eller dobbel (Bølgefjær) Hovedisolasjon (MICADUR) Dellederisolasjon Distansering Delleder Halvledende filt, eller fast utforing (mellom stav og sporvegg) Vertikal distansering Mellomlegg RTD (Motstandselement) PT 100

19 Eldre isolasjonsmaterialer De fleste av disse materialene er lite temperatur- og glimbestandige. Det finnes imidlertid fortsatt maskiner i drift bygget i 1920-årene. Årsaken til dette er at de er bygget for små belastninger spenningsmessig, temperaturmessig og driftsmessig. Av større maskiner med høy spenning er de aller fleste i dag omviklet. Disse isolasjonssystemene viser et annet utviklingsbilde aldringsmessig enn maskiner med kunstharpiksisolasjon. Noen av problemene med slike viklinger var: Innvendig gliming forårsaket at kobberpakken løsnet og vibrerte med den følge at hovedisolasjonen ble spist opp fra innsiden. Delvis som følge av erosjon fra glimingen, delvis som mekanisk slitasje fra vibrerende delledere. Vindings- dellederisolasjonen ble ødelagt av samme grunn. Bindemidlene oksyderte eller fordampet slik at spolehodene ble sprøe og Oljedamp fra lagre løste opp bindemidlene. Den mekaniske fasthet forsvant. ble ømtålig for fuktighet og tilsmussing. oppsprukket. Isolasjonen Skjøten mellom isolasjonen i sporet og spolehodeisolasjonen var kritisk.

20 Skademekanismer og problemer Aldrings- og temperaturmekanismer: Ethvert ikke-metallisk materiale vil over tid utsettes for kjemiske prosesser som forandrer og svekker materialets egenskaper, såkalt aldring. Under drift blir maskinen utsatt for høye temperaturer. Driftstemperaturen i statorviklingen ligger vanligvis i området C, men høyere temperaturer kan også inntreffe. Høy temperatur er en viktig nedbrytningsmekanisme. Man regnet tidligere med at 10 o økning i temperatur reduserer organiske materialers levetid med 50 %, (Montzinger s regel), og denne indikerer også en tilnærmelse til nyere materialer. Høy temperatur alene eller sammen med mekaniske og dielektriske påkjenninger, bryter ned epoksylakken i isolasjonen. Materialene blir sprø og mister sin mekaniske styrke. Sprøhet i kombinasjon med mekaniske påkjenninger gir øket sprekkdannelse. Sprekker i isolasjonen gir redusert isolasjonsevne og gjør isolasjonen mindre motstandsdyktig mot fuktighet og tilsmussing. Fuktighet i kombinasjon med ozon og nitrogen fra luft gir salpetersyre som over tid tærer på overflatebeskyttelse og isolasjonsmaterialer.

21 Elektrisk påkjenning, gliming Skademekanismer og problemer Den normale feltstyrken i viklingens isolasjon er meget moderat og den ligger godt under det isolasjonen tåler før det blir gjennomslag. Ved transiente forløp som innog utkoblinger, lynnedslag og overspenninger av andre årsaker, kan det oppstå forhøyede påkjenninger av kortere varighet. Et havari av en statorvikling oppstår vanligvis ved en kombinasjon av en slik forhøyet elektrisk påkjenning og svekket isolasjon. Den vanligste årsaken til en elektrisk betinget spenning er gliming. Med gliming menes effekten av store potensialgradienter/forskjeller som forårsaker ionisering av luften og dermed partielle elektriske utladninger over hulrom inne i isolasjon og mellom vikling og statorblikk som ligger på jord-potensial. Denne kan opptre i to forskjellige former: Innvendig glimming i isolasjon Glimming langs stav/spolens ytre flater og mot nærliggende komponenter.

22 Utvendig gliming/vibrasjon: Et typisk eksempel som viser: En glimskade like foran utløpet fra blikkpakke. Noe av isolasjonen er erodert vekk. Glimlakken er stort sett slitt bort grunnet løs blikkpakke med vibrasjoner i blikk. Glimlakk finnes fortsatt langs ventilasjonsslisser. Det brune belegget er typisk vibrasjonsrust, fretting. (Den svarte staven bakerst er en reservestav.)

23 Skademekanismer og problemer Mekanisk påkjenning Under drift vil det påtrykte elektriske feltet resultere i kontinuerlige mekaniske krefter på statorviklingen med en frekvens lik doble nettfrekvensen (100Hz). Ved feilkobling eller andre transiente elektriske påkjenninger, vil det oppstå ekstra store krefter. Spesielt er spolehoder og viklingsforbindelser utsatt. I tillegg kan eksterne vibrasjoner være en årsak til skader på viklingen over tid. De ulike materialene i statorviklingen har ulike termiske utvidelseskoeffisienter. Ved oppvarming og nedkjøling av viklingen vil dermed en kombinasjon av mekaniske spenninger, plastiske deformasjoner og setninger av selve viklingen finne sted. Hyppige start og stopp vil aksellerere dette. Utfra empiriske undersøkelser regner man at hver start/stopp forkorter viklingens levetid med ca. 10 timer. Dette fenomenet er en av de største skademekanismene i statorviklingen. Konsekvensen av at viklingselementene løsner er at glimbeskyttelse og annen isolasjonsoverflate slites, sprekker oppstår osv.

24 Gjenomslag i stav mot statorjern Ut fra bildet synes dette å være en mekanisk skade grunnet slitasje kombinert med gammel og uttørket isolasjon med dårlige, dielektriske egenskaper. Det er også tegn til noe pass-rust og dermed løs blikkpakke.

25 Skademekanismer og problemer Fuktighet og tilsmussing Miljøet rundt statorviklingen påvirker maskinens driftsikkerhet. Dette gjelder spesielt fuktighet og tilsmussing. Fuktighet nedsetter isolasjonsevnen, og i tillegg kan den over tid sette i gang en irreversibel materialforandring, hydrolyse. Tilsmussingsgraden er i stor grad bestemt av ventilasjonsforholdene. Varmeavledningen blir nedsatt når luftslissene i blikkpakken og mellom spolehodene tettes igjen. Ved friskluftventilasjon er tilsmussingsgraden bestemt av miljøet utenfor stasjonen. Ved omluft kan kullstøv fra børstene være et problem. Vaskemidler og løsemidler som blir benyttet ved rengjøring av maskinen vil være med på å bryte ned isolasjonen, dessuten vil oljedamp o.l. kunne virke nedbrytende. En helt ny isolasjon blir lite påvirket av fuktighet. Etterhvert som isolasjonen eldes blir den imidlertid porøs. En porøs isolasjon er svært følsom for fuktighet og forurensning. Særlig vil disse faktorene kunne påvirke spenningsforholdene utover i spolehodene.

26 Overvåkning og vern Temperaturovervåking av statorvikling: Overvåkingen skjer normalt ved motstandselementer. Elementene er normert i DIN Den vanligste type Pt 100 har 100 ohm ved 0 grader C og 138,5 ohm ved 100 grader C. Elementene plasseres normalt i spor frest inn i mellomlegget mellom de to stavene i statorviklingssporet. På større maskiner er det vanlig å montere 2-3 elementer pr fase, jevnt fordelt på statoromfanget. Brannovervåking: Overvåkingen skjer ved brannvarslere montert ved spolehodene. Varslerne kan være varmedetektorer, optiske røykdetektorer eller ionisasjons-røkdetektorer. Varmedetektorene reagerer på høye temperaturstigninger, i tillegg til en øvre temperaturgrense. Optiske røykvarslere reagerer på synlig røyk. Ionisasjonsdetektorene reagerer på synlige og usynlige røykpartikler.

27 Tilstandskontroll er et effektivt og rimelig tiltak En analyse av feil og havarier og tilhørende årsaker viser at et betydelig antall (40-60%) kunne vært unngått ved planmessig oppfølging av tilstanden (= tilstandskontroll) ta aksjon når alvorlige forhold oppdages Tilstandskontroll kan forhindre uheldig skadeutvikling og feil

28 Visuell kontroll Isolasjonsmåling (megging) Bankeprøve (løse sporkiler) Gassanalyse (ozonmåling, lukt) Oljeanalyse (lagerolje) Støyanalyse (ulyder) Ringprøve/El-Cid Måling av partielle utladninger/tan delta Vibrasjonsmåling/analyse Impedansmåling (rotor) Rundhetskontroll og luftgapsmåling Opprettingskontroll Termografering Materialprøving Varmeprøve (temperaturutvikling) Dellederkontroll

29 Redusere temperaturvariasjon Stillstandsoppvarming Holde romtemperatur under driftsstans Kjølevannsregulering Jevne temperaturforhold ved varierende last Vannkjølte generatorer Lave maksimale driftstemperaturer Regulering av kjølevannstemperatur gir svært jevne temperaturforhold ved varierende last

30 Ny tid

31 Feil og nye konstruksjonsløsninger Åpningen av kraftmarkedet i 1990 medførte nytt kjøremønster med hyppig start/stopp av aggregatene Teori, forsøk og erfaringer fra pumpekraftverk underbygger sammenheng mellom hyppig start/stopp og økt slitasje

32 Hyppige lastvekslinger Påkjenninger på grunn av temperaturvariasjoner Påkjenninger i komponenter som overfører dreiemoment Daglig start og stopp Påkjenninger i komponenter utsatt for sentrifugalkrefter Påkjenninger i komponenter utsatt for temperaturendring Økt effektproduksjon og overbelastning Påkjenninger på grunn av overskridelse av termiske grenser Økte spenninger i deler som overfører dreiemoment

33 Påkjenninger ved start og stopp Termiske påkjenninger Ved overgang fra kald til varm maskin og fra varm til kald maskin oppstår termisk utvidelse og kontraksjon av de forskjellige generatordeler. Mekaniske påkjenninger Endring i sentrifugalkrefter og friksjon som oppstår fra stillstand til nominelt turtall gir krefter og bevegelser mellom de ulike generatordeler. Termiske og mekaniske påkjenninger i kombinasjon med normale vibrasjoner øker slitasjen

34 Alstom s generator-motor referanser startet i 1930 (Lac Noir in France 25 MVA 273 o/min) GUANGZHOU / PRC 4 x 363 MVA rpm 1989 MINGTAN / TAIWAN 6 x 300 MVA rpm 1989 MUJU / KOREA 2 x 371 MVA rpm 1991 THISSAVROS / GREECE 3 x 140 MVA rpm 1991 SANCHONG / KOREA 2 x 433 MVA rpm 1994 LAMTAKHONG / THAIL. 2 x 282 MVA rpm 1996 YANG YANG / KOREA 4 x 278 MVA rpm 1996 SHA HE / CHINA 2 x 60 MVA rpm 1998 AFOURER / MAROCCO 2 x 193 MVA rpm x 66 MVA rpm 2000 HUIZHOU 8 x 334 MVA rpm 2004 BAOQUAN 4 x 334 MVA rpm 2004 BAILANHE 4 x 334 MVA 250 rpm 2004 YECHEON 2 x 445 MVA 400 rpm 2005 Lang erfaringsbakgrunn og førsteklasses referanser for enheter med hyppige lastvariasjoner

35 Fremragende egenskaper for maskiner med hyppige lastvariasjoner Skråstilt støtteelementer Pressanordning for blikk Isolasjon systemet - MICADUR Kilesystem Roundpacking Konisk polkjerne Trykkoljeavlastning Skivebrems) Mer enn 30 års erfaring med maskiner for store pumpekraftverk

36 Skråstilte elementer Oblique Elements Rundhet, sentrering og stabilitet garanteres under alle forhold, så som termisk utvidelse, sentrifugalkrefter samt krefter som skyldes feilpåvirkninger utenfra.

37 Skråstilte plater med fast fundament Fri termisk utvidelse Høy stabilisering av rundhet Høy sentreringsstyrke Høy kontroll av systemresonans Intet behov for vedlikehold Radiell styring med glidende fundament Fri termisk utvidelse Lav egenstabilisering av rundhet Lav sentreringsstyrke Ingen kontroll av systemresonans Regulært vedlikehold er påkrevet

38 Ingen tilbakekopling til huset Strekk bolt Strekk bolt abcd Kraftbaner Kraftbaner Konvensjonell Presskraften overføres kun til blikkpakken Systemet sikrer høyt, jevnt trykk Ingen tilleggstap blir generert Vedlikeholdsfritt press-system for blikkpakken

39 Press-system for stator blikkpakke med forspendte bolter gjennom blikkpakken Hindrer enhver buckling eller løs blikkpakke gjennom hele levetiden. Komplett forspenningskraft konsentrert i kjernen. Sikrer høyt, jevnt trykk. Ingen tilbakekopling til statorhuset. Øket elastisitet for presset ved bruk av fjærskiver. Vedlikeholdsfritt press-system for blikkpakken

40 Dagens isolasjonsmaterialer Hovedisolasjonen og dellederisolasjonen består i hovedsak av glimmerbånd med epoxylakk som bindemiddel. Isolasjonen er ofte mekanisk beskyttet av et ytre glassbånd. Isolasjonen kan i prinsippet være utført på to måter: - Vakuum-impregnering. Hovedisolasjonen og vindingsisolasjonen består av uimpregnert glimmerbånd som blir viklet rundt stavene. Etter fortørking blir stavene impregnert med epoksy under vakuum og deretter ofte under overtrykk for til slutt å bli utherdet i tilpassede pressformer. - "Våte" bånd. Hovedisolasjonen består av et forimpregnert glimmerbånd der epoksylakken ikke er utherdet. Isolasjonen formes til riktig dimensjon og herdes i varmepresser. I overgangen mellom spordelen og spolehodet blir spolene påført en potensialstyrende lakk. Denne lakken skal sørge for en jevn potensialovergang mellom blikkpakken og isolasjonen ytterst på spolehodet som ligger på samme potensial som kobberet i viklingen. Derved motvirkes utvendig gliming og eventuelt overslag. Ved høyere spenninger (fra ca. 10 kv) så benyttes bånd istedenfor lakk.

41 MICADUR vakum - trykk impregneringssystem (VPI) For alle maskintyper Fra 3- til 30 kv Temp. klasse F (155 C) Høy driftssikkerhet Lang levetid (> 40 år) Mer enn 40 års erfaring Hver enkelt stav blir prøvd med 4 x nominell spenning Lang levetid (> 40 år)

42 Round pack Bølgefjær Utfylling Hoved isolasjon Mellomlegg Sporkile Rundpakking Corona beskyttelse Roebel transponering Delleder Viklingen omspinnes med brettet halvlederfolie. Folien har elastisk silikonmasse i bretten mellom foliesidene. Permanent elektrisk og mekanisk kobling av viklingen i sporet er garantert med Round packing systemet. Kiling og fastspenning med bølgefjær. «Rundpakking» og bølgefjær for å unngå vibrasjoner i sporet

43 Konisk polkjerne Øker kjøleflatene Lettere å montere uten V-kiler Forbedrer aksialkjøling for aksialkjølte generatorer

44 Konisk polkjerne

45 Spoleuttak laget av masiv kopper Tilkopling mellom poler tillater aksiell utvidelse av spolen og tangensiell forskyvning Elektriske forbindelser blir boltet Pålitelig design av de roterende delene

46 Trykkoljeavlastning Automatisk løft med oljefilm ved start og stopp Ingen direkte kontakt mellom lagerflatene Redusert slitasje ved lave rotasjonshastigheter

47 Skivebrems system Skivebremsen er ikke i generatorens ventilasjonssystem og bremsestøv redusere ikke kjøleeffekten eller forårsaker kortslutninger. Bremseskive Bremseskiven har en veldig god termisk oppførsel sammenlignet med konvensjonelle bremseskiver under rotor. Bremse åkene er mer tilgjengelig for inspeksjon og vedlikehold. Slitt bremsebelegg er relativt små deler, lett tilgjengelig og lett å skifte ut. Bremse åk

48 Oppsummering Skråstilt støtteelementer, forhindrer varige deformasjoner og vibrasjoner Pressanordning for blikk, forhindrer vibrasjoner og derav bevarer viklingens isolasjon Isolasjon systemet MICADUR er en sikker isolasjon som er godt testet gjennom 40 år. Den brenner ikke. Kilesystem m/ bølgefjær gir en stabil og sikker innfesting av viklingen Roundpacking, gir god kontakt mellom stav og blikk, samtidig som den er litt fleksibel Konisk polkjerne reduserer mulighetene for kortslutning i viklingen og derav vibrasjon Trykkoljeavlastning, reduserer muligheten for lagerhavari Skivebrems reduserer tilsmussing av generatoren

49 Et gammelt produkt men en målrettet utvikling finner sted! Høyere pålitelighet Økt levetid Enklere montasje Enklere vedlikehold Havari forekommer, men brann, nei, ikke på nye generatorer

50 POWER SYSTEMS