Eksploatacja i diagnostyka maszyn elektrycznych i transformatorów

Wydawnictwo przedstawia kolejną publikację z popularnej SERII „Maszyny elektryczne” – obecnie prezentowana książka jest uzupełnieniem i dopełnieniem poprzednich akademickich oraz ćwiczeniowych podręczników o książkę dla praktyków. Są w niej przedstawione podstawowe zasady eksploatacji transformatorów i maszyn elektrycznych oraz metody i sposoby diagnostyki off-line i on-line. Autorami książki jest para wyśmienitych naukowców i jednocześnie praktyków – prof. dr hab. inż. Tadeusz Glinka, wykładał na Politechnice Śląskiej i był dyrektorem Instytutu Elektrotechniki Teoretycznej i Przemysłowej, a obecnie jest profesorem Instytutu Napędów i Maszyn Elektrycznych Komel, natomiast drugim współautorem jest prof. dr hab. Sławomir Szymaniec – kierownik Katedry Elektrowni, Diagnostyki i Inżynierii Komputerowej Politechniki Opolskiej, ale również ekspert diagnosta, rzeczoznawca maszyn elektrycznych. Publikacja ta kierowana jest między innymi do służb utrzymania ruchu w zakładach przemysłowych, elektryków, elektroników, automatyków i innych inżynierów oraz do firm zajmujących się diagnostyką maszyn elektrycznych i transformatorów.

Spis treści

OD AUTORÓW 11 1. EKSPLOATACJA MASZYN I TRANSFORMATORÓW 17 1.1. Rodzaje eksploatacji 19 1.2. Czas życia maszyn i transformatorów oraz ich podział 26 1.3. Awaryjność w przemyśle i energetyce 29 1.3.1. Wskaźniki niezawodnościowe i eksploatacyjne krajowych bloków energetycznych 29 1.3.2. Analiza awaryjności maszyn w krajowych elektrowniach 31 1.3.3. Awaryjność maszyn potrzeb własnych 37 1.4. Cyberbezpieczeństwo przemysłowe 39 1.5. Utrzymanie ruchu maszyn i urządzeń 45 Literatura do rozdziału pierwszego 47 2. DIAGNOSTYKA MASZYN I URZĄDZEŃ – UWAGI OGÓLNE 51 2.1. Diagnostyka techniczna maszyn 52 2.2. Symptomy uszkodzeń – zagadnienia ogólne 55 2.3. Diagnostyka eksploatacyjna w przemyśle i energetyce 57 2.4. Podstawy badań diagnostycznych 63 2.5. Analiza sygnałów diagnostycznych – zagadnienia wybrane 68 2.6. Elementy analizy sygnałów 68 2.6.1. Sygnały zdeterminowane 69 2.6.2. Sygnały losowe 76 2.6.3. Identyfikacja sygnałów 77 2.7. Czujniki pomiarowe w diagnostyce 79 2.7.1. Czujniki do pomiarów drgań bezwzględnych 79 2.7.2. Czujniki do pomiarów drgań względnych 86 2.7.3. Czujniki do pomiarów prądu 91 2.7.4. Czujniki do pomiarów temperatury 99 2.7.5. Czujniki do pomiarów wyładowań niezupełnych 104 2.7.6. Czujniki do pomiarów akustycznych 117 2.8. Aparatura pomiarowa 120 2.8.1. Aparatura do pomiarów i analizy sygnału napięciowego, prądowego, drganiowego, akustycznego i temperatury 120 2.8.2. Aparatura do pomiarów stanu izolacji uzwojeń off-line 130 2.8.3. Aparatura do badań pakietu i stanu zaklinowania 145 2.8.4. Aparatura do pomiarów ustawienia zespołów maszynowych 148 2.9. Diagnostyka off-line 154 2.9.1. Stanowisko pomiarowe na stacji prób 154 2.10. Diagnostyka on-line (monitoring) 159 2.11. Jednolity system nadzoru maszyn w przedsiębiorstwie 159 Literatura do rozdziału drugiego 163 3. FUNDAMENTY I KONSTRUKCJE WSPORCZE, USTAWIANIE MASZYN 173 3.1. Uwagi ogólne 174 3.2. Kryteria formalne szkodliwego oddziaływania drgań 177 3.3. Rezonanse 179 3.3.1. Drgania swobodne 179 3.3.2. Drgania wymuszone 183 3.3.3. Badania własne 187 3.4. Wizualizacja drgań jako użyteczna technika diagnozowania 189 3.5. Ocena wizualna fundamentów 194 3.6. Ustawianie zespołów maszynowych 195 3.6.1. Uwagi ogólne 195 3.6.2. Nieosiowość w układach napędowych 198 3.6.3. Wpływ fundamentu na rozosiowanie 201 3.6.4. Temperatura jako czynnik wpływający na prawidłowość osiowania 203 3.6.5. Sprzęgła – wpływ na dokładność osiowania 205 3.6.6. Dopuszczalne odchyłki osiowania 207 3.6.7. Metody pomiaru osiowości 208 3.6.8. Wykrywanie niecentryczności zespołu maszynowego w sygnale prądowym 212 3.6.9. Przykłady pomiarów diagnostycznych 214 Literatura do rozdziału trzeciego 215 4. DIAGNOSTYKA DRGANIOWA MASZYN I ZESPOŁÓW MASZYNOWYCH 218 4.1. Niewywaga, uwagi ogólne 219 4.2. Przyczyny niewywagi, rodzaje niewywagi 224 4.3. Metody wyważania wirników sztywnych 235 4.3.1. Wyważanie jednopłaszczyznowe 236 4.3.2. Wyważanie dwupłaszczyznowe 240 4.3.3. Wyważanie on-line 241 4.4. Metoda wyważania wirników gibkich 243 4.5. Luzy 248 4.6. Wygięty wał 250 4.7. Krzywy wał 251 4.8. Przycieranie 252 4.9. Uszkodzenia łożysk tocznych i ich przyczyny 252 4.10. Diagnostyka łożysk tocznych 259 4.10.1. Wykorzystanie amplitudowych dyskryminant bezwymiarowych procesów wibroakustycznych 260 4.10.2. Metoda SPM (ang. shock pulse method) 262 4.10.3. Wykorzystanie wytycznych producenta 265 4.10.4. Metoda detekcji obwiedni 266 4.10.5. Monitoring łożysk tocznych w przemyśle 282 4.11. Łożyska ślizgowe w silnikach 284 4.11.1. Uszkodzenia i zakłócenia w pracy łożysk ślizgowych 286 4.11.2. Diagnostyka łożysk ślizgowych w silnikach 289 Literatura do rozdziału czwartego 295 5. DIAGNOSTYKA UZWOJEŃ 301 5.1. Wstęp 301 5.2. Pomiar rezystancji uzwojeń 302 5.2.1. Metodyka pomiaru 302 5.2.2. Przebiegi nieustalone 304 5.3. Badanie układów izolacyjnych uzwojeń napięciem przemiennym 311 5.3.1. Informacje ogólne 311 5.4. Diagnostyka izolacji uzwojenia napięciem stałym 319 5.4.1. Nazwa metody 319 5.4.2. Diagnostyka izolacji uzwojeń napięciem stałym 319 5.4.3. Postępująca w czasie degradacja układu izolacyjnego maszyn 329 5.4.4. Metoda na podstawie pomiarów PI, C, SV, DD – test Meggera 331 5.4.5. Diagnostyka izolacji zwojowej 336 5.5. Badanie wyładowań niezupełnych w izolacji uzwojeń 342 5.5.1. Zjawisko wyładowań niezupełnych 342 5.5.2. Badanie wyładowań niezupełnych off-line 344 5.5.3. Badanie wyładowań niezupełnych on-line 348 5.6. Porównanie metod diagnostycznych: napięciem stałym i wyładowań niezupełnych 364 5.6.1. Badane maszyny elektryczne 364 5.6.2. Wyniki badań wyładowań niezupełnych off-line 365 5.6.3. Wyniki badań diagnostycznych izolacji napięciem stałym 367 Literatura do rozdziału piątego 370 6. TRANSFORMATORY 373 6.1. Wstęp 373 6.2. Pomiary podstawowe 374 6.2.1. Sprawdzenie poprawności oznaczeń 374 6.2.2. Charakterystyki stanu jałowego 376 6.2.3. Charakterystyki stanu zwarcia 377 6.2.4. Schemat zastępczy i moc rozpraszana w transformatorze 378 6.2.5. Próba izolacji napięciem udarowym 380 6.3. Oddziaływanie przepięć na układ izolacyjny transformatora 380 6.3.1. Rozkład fali napięciowej na uzwojeniu transformatora 380 6.4. Pomiar parametrów układu izolacyjnego transformatora 386 6.4.1. Metodyka realizacji pomiarów 387 6.4.2. Przykład pomiarowy 388 6.5. Diagnostyka transformatorów 394 6.5.1. Diagnostyka off-line oparta na badaniach okresowych oleju 394 6.5.2. Diagnostyka transformatora na podstawie parametrów układu izolacyjnego 400 6.6. Diagnostyka przełącznika zaczepów 406 6.7. Diagnostyka izolatorów przepustowych 408 6.7.1. Budowa izolatora przepustowego typu OPI 408 6.7.2. Elektryczny schemat zastępczy izolatora przepustowego 409 6.7.3. Jak dochodzi do zwarcia w izolatorze przepustowym 411 6.7.4. Diagnostyka izolatorów przepustowych 413 6.8. Pomiar drgań i hałasu transformatora 417 6.9. Przykładowe awarie transformatorów w eksploatacji 418 6.9.1. Awaria transformatora blokowego 418 6.9.2. Awaria transformatora sieciowego 424 6.9.3. Awaria transformatora hutniczego 431 Literatura do rozdziału szóstego 436 7. MASZYNY INDUKCYJNE 438 7.1. Eksploatacja silników indukcyjnych 438 7.2. Warunki eksploatacji silników indukcyjnych i ich wpływ na uszkodzenia 439 7.2.1. Rozruch silników indukcyjnych pierścieniowych 440 7.2.2. Rozruchy bezpośrednie silników indukcyjnych klatkowych 444 7.2.3. Wpływ uszkodzonych prętów wirnika na charakterystykę mechaniczną silnika 449 7.2.4. Wpływ niesymetrii wirnika na drgania silnika 450 7.3. Charakterystyczne zaburzenia i awarie silników indukcyjnych 451 7.3.1. Rozruch przerywany 452 7.3.2. Wpływ warunków eksploatacji na uszkodzenie uzwojenia klatkowego 454 7.3.3. Statystyka uszkodzeń silników indukcyjnych 456 7.4. Diagnostyka uzwojenia klatkowego wirnika 458 7.4.1. Diagnostyka na podstawie zarejestrowanego prądu rozruchowego silnika 459 7.4.2. Diagnostyka na podstawie zarejestrowanego prądu obciążenia 461 7.4.3. Diagnostyka na podstawie analizy harmonicznej drgań 472 7.4.4. Diagnozowanie uzwojenia klatkowego przy wyjętym wirniku 472 7.5. Diagnostyka niesymetrii szczeliny powietrznej pomiędzy stojanem a wirnikiem 473 7.6. Prądy łożyskowe 478 7.7. Zapobieganie prądom łożyskowym 485 Literatura do rozdziału siódmego 487 8. MASZYNY SYNCHRONICZNE 489 8.1. Wstęp 489 8.2. Schemat zastępczy i parametry maszyny synchronicznej 490 8.3. Reaktancje synchroniczne i elektromagnetyczne stałe czasowe w stanach nieustalonych 492 8.4. Zasady poprawnej eksploatacji maszyn synchronicznych 495 8.4.1. Opis stref eksploatacji maszyn synchronicznych 495 8.4.2. Przykładowa instrukcja stanowiskowa hydrogeneratora 497 8.5. Diagnostyka i ocena stanu technicznego generatora 498 8.5.1. Diagnostyka uzwojenia i rdzenia stojana generatora 499 8.5.2. Diagnostyka uzwojenia wirnika 499 8.5.3. Diagnostyka pierścieni ślizgowych i szczotek 501 8.6. Diagnostyka wirników silników synchronicznych 501 8.7. Charakterystyczne zaburzenia i stany awaryjne 506 8.8. Awaria wyłącznika– awaria bloku elektroenergetycznego 508 8.9. Awaria układu elektromechanicznego z silnikiem synchronicznym 511 Literatura do rozdziału ósmego 512 9. MASZYNY KOMUTATOROWE PRĄDU STAŁEGO 513 9.1. Problemy eksploatacyjne maszyn prądu stałego 513 9.1.1. Komutacja prądu twornika 513 9.1.2. Przyczyny iskrzenia szczotek 515 9.2. Ustawienie szczotek w strefie neutralnej 517 9.3. Badanie stabilności kontaktu ślizgowego szczotki z komutatorem 521 9.4. Symetria elektryczna i magnetyczna 522 9.5. Sprawdzenie obwodu magnetycznego biegunów komutacyjnych 526 9.5.1. Strefa komutacji beziskrowej 526 9.5.2. Charakterystyka zwarcia I = f(Ib) przy If = 0 528 9.5.3. Korekta parametrów biegunów komutacyjnych 529 9.5.4. Bocznikowanie uzwojenia B1C2 indukcyjnością 531 9.5.5. Ocena właściwości komutacyjnych szczotek 533 9.6. Komutacja w silnikach prądu stałego pracujących przy odwzbudzeniu 534 9.7. Zabezpieczenie silników prądu stałego 538 9.8. Diagnostyka on-line iskrzenia szczotek w maszynach prądu stałego 547 9.9. Czynniki determinujące iskrzenie szczotek przy komutacji prądu pulsującego 548 9.10. Połączenie uzwojenia wirnika z komutatorem –chorągiewki 554 9.11. Uszkodzenia mechaniczne osadzenia pakietu blach wirnika 560 Literatura do rozdziału dziewiątego 563 10. ORGANIZACJA SŁUŻB DIAGNOSTYCZNYCH W PRZEMYŚLE I ENERGETYCE 564 10.1. Zadania służb diagnostycznych 564 10.2. Miejsce służb diagnostycznych w strukturach przedsiębiorstwa 565 10.3. Liczebność służb diagnostycznych 567 10.4. Wyposażenie Laboratorium Diagnostyki Maszyn 567 Literatura do rozdziału dziesiątego 569 11. UWAGI KOŃCOWE 571