Przyczyny, zagrożenia i rozwiązania dotyczące napięcia na wale generatora

Wraz ze wzrostem mocy pojedynczych agregatów prądotwórczych napięcie na wale stało się poważnym problemem dla dużych generatorów stosujących statyczne układy samowzbudzenia. Przebieg napięcia na wale zawiera złożone składowe harmoniczne impulsów, które są szczególnie szkodliwe dla izolacji filmu olejowego. Gdy napięcie na wale nie przekracza napięcia przebicia filmu olejowego, prąd na wale jest bardzo mały. Jeżeli napięcie na wale przekroczy napięcie przebicia warstwy oleju łożyskowego, w łożysku powstanie duży prąd na wale, tzw. prąd EDM, który spali elementy łożyska i spowoduje znaczne uszkodzenia. Asymetria obwodu magnetycznego, efekt jednobiegunowy, prąd pojemnościowy, efekt elektrostatyczny, statyczny układ wzbudzenia, trwałe namagnesowanie obudowy, wału itp. mogą potencjalnie powodować napięcie na wale.

Napięcie na wale odnosi się do napięcia generowanego pomiędzy dwoma końcami łożyska silnika lub pomiędzy wałem silnika a łożyskiem podczas pracy silnika. W normalnych warunkach, gdy napięcie na wale jest niskie, film oleju smarowego pomiędzy wałem generatora a łożyskiem zapewnia dobrą izolację. Jeżeli jednak z jakiegoś powodu napięcie na wale wzrośnie do określonej wartości, nastąpi zniszczenie filmu olejowego i wyładowanie, tworząc obwód generujący prąd na wale. Prąd wałowy nie tylko zakłóca stabilność filmu olejowego, powodując stopniowe niszczenie oleju smarowego, ale także, ponieważ prąd wałowy przechodzi przez metalowy punkt styku pomiędzy łożyskiem a wałem – bardzo mały punkt styku o dużej gęstości prądu – generuje natychmiastowo bardzo wysokie temperatury, powodując miejscowe topienie łożyska. Stopiony stop łożyskowy pod naciskiem walcowania rozpryskuje się i wypala małe wżery na wewnętrznej powierzchni łożyska. Ostatecznie łożysko pęknie z powodu przyspieszonego zużycia mechanicznego, a w ciężkich przypadkach panewka łożyska wypali się, powodując wypadek i wymuszając wyłączenie.

Napięcie na wale generatora jest zawsze obecne, ale na ogół nie jest wysokie i zwykle waha się od kilku do kilkunastu woltów. Jeśli jednak podkładki izolacyjne ulegną uszkodzeniu z powodu plam oleju, uszkodzenia lub starzenia się, napięcie na wale jest wystarczające, aby rozbić film olejowy pomiędzy wałem a łożyskiem, powodując wyładowanie. Z biegiem czasu spowoduje to stopniowe pogorszenie jakości oleju smarującego i chłodzącego, a w ciężkich przypadkach spowoduje spalenie wału i łożysk, co spowoduje wypadek związany z wyłączeniem.

1. Przyczyny napięcia na wale generatora

(1) Napięcie na wale spowodowane asymetrią magnetyczną
Jest to napięcie prądu przemiennego występujące na obu końcach wału turbogeneratora. Ze względu na zastosowanie sektorowych warstw tłoczonych w rdzeniu stojana, różne mimośrody wirnika, różną przepuszczalność warstw sektorowych oraz rowki prowadzące wał stosowane do chłodzenia i mocowania itp., asymetria magnetyczna jest spowodowana produkcją i działaniem generatora, co skutkuje pętlą przemiennego strumienia magnetycznego obejmującą wał, łożyska i płytę fundamentową. Generuje to różnicę napięcia na obu końcach wału generatora. Każdy rodzaj asymetrii magnetycznej spowoduje składową napięcia wału o odpowiedniej amplitudzie i częstotliwości. Różne składowe napięcia na wale nakładają się na siebie, co sprawia, że ​​skład częstotliwości tego napięcia na wale jest bardzo złożony. Składowa podstawowa ma największą amplitudę, 3. i 5. harmoniczna mają nieco mniejsze amplitudy, a składowe wyższe harmoniczne mają bardzo małe amplitudy. To napięcie wału prądu przemiennego wynosi zazwyczaj 1 ~ 10 V i zawiera dużą ilość energii. Jeśli nie zostaną podjęte żadne skuteczne środki, napięcie na wale utworzy pętlę w płycie fundamentowej łożyska wału itp., generując duży prąd na wale. Łuk elektryczny wywołany prądem na wale przykładany jest pomiędzy łożyskiem a powierzchnią wału. Jego główną konsekwencją jest zużycie węglika wolframu w łożysku i na powierzchni wału oraz szybkie niszczenie oleju smarowego. Przyspiesza to mechaniczne zużycie łożyska, a w ciężkich przypadkach może spowodować wypalenie panewki łożyska.

(2) Napięcie na wale spowodowane ładunkiem elektrostatycznym
To napięcie prądu stałego, pojawiające się pomiędzy wałem a płytką uziemiającą, jest generowane przez ładunek elektrostatyczny wytwarzany w pewnych warunkach przez tarcie pomiędzy szybko przepływającą mokrą parą a łopatkami cylindrów niskociśnieniowego turbiny. Ten efekt elektrostatyczny występuje tylko sporadycznie w określonych warunkach pary i nie jest częsty. W zależności od warunków pracy, tego typu napięcie na wale może czasami być bardzo wysokie, osiągając setki woltów, powodując uczucie mrowienia przy dotknięciu. Nie jest łatwo przewodzony do strony wzbudnicy, ale jeśli nie zostaną podjęte żadne środki w celu odprowadzenia tego ładunku elektrostatycznego do ziemi, będzie on gromadził się na filmie olejowym łożyskowym po stronie turbiny generatora i ostatecznie rozładuje się na filmie olejowym, prowadząc do uszkodzenia łożyska.

(3) Napięcie na wale wywołane statycznym układem wzbudzenia
Obecnie duże zespoły prądotwórcze turbin parowych zazwyczaj wykorzystują statyczny układ wzbudzenia. Pod wpływem komutacji łuku tyrystorowego do statycznego układu wzbudzenia wprowadzane jest nowe źródło napięcia na wale. Statyczny układ wzbudzenia dostarcza napięcie prądu stałego do uzwojenia wzbudzenia generatora poprzez statyczny prostownik tyrystorowy, a to napięcie prądu stałego jest napięciem pulsującym. W przypadku statycznego układu wzbudzenia wykorzystującego trójfazowy, w pełni sterowany mostek, kształt fali jego wyjściowego napięcia wzbudzenia składa się z 6 impulsów w jednym cyklu. To szybko zmieniające się pulsujące napięcie generuje napięcie prądu przemiennego pomiędzy wałem a masą poprzez sprzężenie pojemnościowe pomiędzy uzwojeniem wzbudzenia generatora a korpusem wirnika. To napięcie na wale ma charakter pulsacyjny i ma charakter kolczasty, a częstotliwość wynosi 300 Hz (przy częstotliwości napięcia przemiennego układu wzbudzenia wynoszącej 50 Hz). Nakłada się ono na napięcie na wale spowodowane asymetrią magnetyczną, powodując w ten sposób, że film olejowy wytrzymuje wyższe napięcie szczytowe. Gdy wzrośnie do pewnego stopnia, rozrywa film olejowy, tworząc prąd, który powoduje oparzenia i uszkodzenia części mechanicznych.

(4) Napięcie na wale spowodowane magnetyzmem szczątkowym
Gdy generator ulegnie poważnemu zwarciu lub znajdzie się w innych nietypowych warunkach pracy, wał główny, łożyska, obudowa i inne elementy często ulegają namagnesowaniu i zachowują pewną ilość magnetyzmu szczątkowego. Linie magnetyczne wytwarzają wzdłużne odgałęzienia na łożyskach, a gdy obraca się wał główny zespołu, generowana jest siła elektromotoryczna, zwana jednobiegunową siłą elektromotoryczną. W normalnych okolicznościach potencjał jednobiegunowy generowany przez słaby magnetyzm szczątkowy mieści się jedynie w zakresie miliwoltów. Jednakże, gdy nastąpi zwarcie pomiędzy zwojami uzwojenia wirnika lub dwupunktowym uziemieniem, potencjał jednobiegunowy osiągnie od kilku do kilkudziesięciu woltów, generując duży prąd na wale. Prąd ten przepływa osiowo przez wał, łożyska i płytę fundamentową, nie tylko spalając wał główny i tuleje łożyskowe, ale także silnie namagnesowując te elementy, co utrudnia konserwację urządzenia.

2. Zagrożenia spowodowane napięciem na wale generatora Wielkość napięcia na wale różni się w zależności od konkretnego urządzenia. Ogólnie rzecz biorąc, im większa wydajność jednostki, tym większa asymetria w strumieniu i strukturze szczeliny powietrznej. Im większe są składowe harmoniczne w polu magnetycznym, tym większe jest nasycenie rdzenia, a im większa jest nierówność stojana, tym wyższe jest szczytowe napięcie na wale. Przebieg napięcia na wale zawiera złożone składowe harmoniczne. Jednostki wykorzystujące statycznie sterowane wzbudzenie prostownika mają wysoką składową impulsową w kształcie fali napięcia na wale, co jest szczególnie szkodliwe dla izolacji filmu olejowego. Kiedy napięcie na wale osiągnie określoną wartość, jeśli nie zostaną podjęte odpowiednie środki, film olejowy ulegnie uszkodzeniu, powodując wytwarzanie prądu na wale.

Jeśli prąd na wale generatora turbiny parowej jest bardzo wysoki, czopy, łożyska i inne powiązane elementy, przez które przepływa prąd na wale, ulegną spaleniu. Ślimak napędowy i koło ślimakowe głównej pompy olejowej turbiny ulegną uszkodzeniu. Łuk elektryczny wywołany prądem na wale powoduje erozję elementów łożyska i starzenie się oleju smarującego łożysko, przyspieszając w ten sposób mechaniczne zużycie łożyska. Prąd na wale będzie silnie magnesował elementy turbiny, pokrywy końcowe generatora, łożyska i inne elementy otaczające wał, generując potencjał jednobiegunowy na czopach i wirnikach.

Kiedy napięcie na wale jest wystarczająco wysokie, aby zniszczyć film olejowy pomiędzy wałem a łożyskami, następuje wyładowanie. Obwód rozładowania to: wał generatora – czop – łożysko – wspornik łożyska – podstawa generatora. Chociaż napięcie na wale nie jest wysokie (około 6 V dla generatora o mocy 300 MW), rezystancja obwodu jest bardzo mała. Dlatego generowany prąd na wale może być bardzo duży, czasami osiągając setki amperów. Prąd wałowy będzie stopniowo pogarszał jakość oleju smarującego i chłodzącego, a w ciężkich przypadkach spowoduje spalenie łożysk, wymuszając wyłączenie i powodując wypadek. Dlatego podczas montażu i eksploatacji należy zmierzyć i sprawdzić napięcie pomiędzy wałem agregatu prądotwórczego a łożyskami.

3. Środki zapobiegania i eliminacji napięcia na wale generatora

Zwykle stosuje się następujące środki zapobiegawcze:

(1) Podczas projektowania i montażu zwykle instaluje się podkładkę izolacyjną pomiędzy wspornikiem łożyskowym po stronie wzbudzenia generatora a podstawą. Jednocześnie wszystkie przewody olejowe, śruby, śruby itp. są izolowane.

(2) Szczotka uziemiająca jest zaprojektowana po stronie turbiny na wale generatora, aby uwalniać ładunki elektrostatyczne w części niskociśnieniowej turbiny, zapewniając, że potencjały wału i masy są takie same.

Oprócz eliminacji napięcia na wale, szczotka uziemiająca wał spełnia również następujące funkcje w celu ochrony silnika: a. Pomiar dodatniego i ujemnego napięcia wirnika do masy. B. Służy jako zabezpieczenie przed jednopunktowym uziemieniem wirnika.

(3) Aby zmniejszyć napięcie na wale spowodowane asymetrią obwodu magnetycznego w turbozespole, podczas projektowania generatora uwzględnia się środki mające na celu wyeliminowanie lub zmniejszenie składowej trzeciej lub piątej harmonicznej napięcia na wale. Zastosowano całkowicie nową konstrukcję generatora, a instalacja ściśle przestrzegała wymagań procesowych i projektowych producenta, aby zapobiec mimośrodowi wirnika.

(4) Aby zapobiec powstaniu napięcia na wale w wyniku jednopunktowego zwarcia doziemnego w uzwojeniach wirnika, podczas pracy uruchamiane jest dwupunktowe urządzenie zabezpieczające obwód wzbudzenia przed uziemieniem. (5) Aby odciąć prąd na wale, należy zainstalować podkładki izolacyjne po stronie wzbudzenia, w tym pomiędzy łożyskami generatora, uszczelnieniami olejowymi generatora chłodzonego wodorem, wspornikami wody wlotowej i wylotowej oraz kołnierzami rur wlotowych/wylotowych wirnika generatora chłodzonego wodą oraz łożyskiem tylnym i płytą podstawy ramy silnika. Elementy mocujące obudowy łożysk i przewody olejowe połączone z obudowami łożysk powinny być również odizolowane od łożysk; można zastosować podwójne środki izolacyjne.

(6) Podczas projektowania silnika należy unikać asymetrii obwodu magnetycznego.

(7) Podczas projektowania, produkcji i eksploatacji silnika należy unikać osiowego strumienia magnetycznego.

(8) Zaizolować obudowy łożysk od uziemienia.

(9) Zamontować szczotki uziemiające na wale.

(10) Stosować niemagnetyczne obudowy łożysk lub dodatkowe cewki.

(11) Dodać kondensator obejściowy do masy na zacisku wyjściowym twornika silnika prądu stałego.

4. Pomiar napięcia na wale Izolacja szczotek uziemiających wirnika i łożysk ma kluczowe znaczenie dla ochrony generatora przed napięciem na wale i zapewnienia bezpiecznej pracy. Podczas rzeczywistej pracy, z powodu takich czynników, jak instalacja i pogorszenie środowiska pracy oraz zużycie, może wystąpić słabe uziemienie wirnika lub zmniejszona izolacja łożysk, co prowadzi do zwiększonego napięcia na wale i prądu na wale, co może ostatecznie spowodować uszkodzenie generatora. Dlatego regularne pomiary napięcia na wale są niezbędne dla poprawy pracy generatora. Poniżej zalecamy stosunkowo prostą metodę pomiaru: Jak pokazano na powyższym schemacie, gdzie:

U1: Różnica napięcia pomiędzy dwoma końcami wału wirnika generatora. W normalnych okolicznościach jest to spowodowane głównie asymetrią magnetyczną wirnika. Producenci zazwyczaj podają dane empiryczne; zaleca się dokonać pomiaru po każdym mniejszym remoncie i porównać z danymi historycznymi.

U2: Napięcie tylnego wału generatora względem masy.

U3: Napięcie płytki metalowej pomiędzy warstwami izolacyjnymi tylnego łożyska generatora a masą.

Odp.: Prąd mierzony na przewodzie uziemiającym przedniej szczotki węglowej uziemiającej generatora.

U2, U3 i A należy mierzyć okresowo podczas pracy. Zmiany tych danych mogą wskazywać na stan generatora:

① U1 powinien mieścić się w zakresie podanym przez producenta i nie powinien ulegać istotnym zmianom w porównaniu do danych historycznych. W przeciwnym razie należy sprawdzić stan stojana i wirnika generatora w celu ustalenia przyczyny.

② U2 ≈ U3 (wartość normalna). Jeżeli U2 jest większe niż U3 (wartość normalna), należy sprawdzić uziemienie szczotki węglowej uziemiającej wał. Podczas pracy można do przedniego wału podłączyć krótkotrwały zewnętrzny przewód uziemiający w celu uziemienia, a następnie można zmierzyć i porównać U2.

③ U3 powinien znajdować się blisko U2. Ponieważ różnica między U2 i U3 reprezentuje napięcie przyłożone do filmu olejowego w łożysku, nadmierne napięcie może spowodować uszkodzenie filmu olejowego. Zaleca się, aby różnica ta nie przekraczała 4 V lub aby U3 było nie mniejsze niż 70% U2. W przeciwnym razie należy sprawdzić stan izolacji łożyska od masy, np. zanieczyszczenie powierzchni lub starzenie się izolacji.

④ Ogólnie rzecz biorąc, prąd A przepływający przez szczotkę węglową uziemiającą wał waha się od kilku miliamperów do kilkuset miliamperów. Jeżeli wartość ta znacznie wzrośnie, należy sprawdzić izolację łożyska w połączeniu z pomiarem napięcia na wale.