Príčiny, nebezpečenstvá a riešenia pre napätie na hriadeli generátora

So zvyšujúcou sa kapacitou jednotiek s jedným generátorom sa napätie na hriadeli stalo vážnym problémom pre veľké generátory využívajúce statické systémy samobudenia. Tvar vlny hriadeľového napätia obsahuje zložité harmonické impulzné zložky, ktoré sú obzvlášť škodlivé pre izoláciu olejového filmu. Keď napätie hriadeľa nepresiahne prierazné napätie olejového filmu, prúd hriadeľa je veľmi malý. Ak napätie na hriadeli presiahne prierazné napätie vrstvy ložiskového oleja, v ložisku sa vytvorí veľký hriadeľový prúd, takzvaný EDM prúd, ktorý spáli súčasti ložiska a spôsobí značné poškodenie. Asymetria magnetického obvodu, unipolárny efekt, kapacitný prúd, elektrostatický efekt, statický budiaci systém, permanentná magnetizácia plášťa, hriadeľa atď., to všetko môže potenciálne spôsobiť napätie na hriadeli.

Napätie hriadeľa sa vzťahuje na napätie generované medzi dvoma koncami ložísk motora alebo medzi hriadeľom motora a ložiskom počas prevádzky motora. Za normálnych okolností, keď je napätie hriadeľa nízke, poskytuje film mazacieho oleja medzi hriadeľom generátora a ložiskom dobrú izoláciu. Ak však napätie na hriadeli z nejakého dôvodu stúpne na určitú hodnotu, rozbije sa olejový film a vybije sa, čím sa vytvorí obvod na generovanie prúdu hriadeľa. Hriadeľový prúd nielenže narúša stabilitu olejového filmu, čo spôsobuje postupné zhoršovanie mazacieho oleja, ale pretože prúd hriadeľa prechádza cez kovový kontaktný bod medzi ložiskom a hriadeľom – veľmi malý kontaktný bod s vysokou prúdovou hustotou – okamžite generuje extrémne vysoké teploty, čo spôsobuje lokálne roztavenie ložiska. Roztavená ložisková zliatina pod tlakom valcovania rozstrekuje a vypaľuje malé jamky na vnútornom povrchu ložiska. V konečnom dôsledku sa ložisko zlomí v dôsledku zrýchleného mechanického opotrebovania a v závažných prípadoch dôjde k vyhoreniu ložiskového plášťa, čo spôsobí nehodu a vynúti si odstavenie.

Napätie na hriadeli generátora je vždy prítomné, ale vo všeobecnosti nie je vysoké, zvyčajne sa pohybuje od niekoľkých voltov po tucet voltov. Keď však izolačné podložky zlyhajú v dôsledku olejových škvŕn, poškodenia alebo starnutia, napätie hriadeľa je dostatočné na rozbitie olejového filmu medzi hriadeľom a ložiskom, čo spôsobí výboj. Postupom času sa tým postupne zhorší kvalita mazacieho a chladiaceho oleja a v závažných prípadoch dôjde k vyhoreniu hriadeľa a ložísk, čo vedie k havárii z odstávky.

1. Príčiny napätia na hriadeli generátora

(1) Napätie hriadeľa spôsobené magnetickou asymetriou
Je to striedavé napätie existujúce na oboch koncoch hriadeľa turbínového generátora. Vďaka použitiu sektorových lisovaných lamiel v jadre statora, rôznym excentricitám rotora, rozdielnej permeabilite sektorových lamiel a vodiacich drážok hriadeľa používaných na chladenie a upínanie atď., je magnetická asymetria spôsobená výrobou a prevádzkou generátora, výsledkom čoho je slučka so striedavým magnetickým tokom vrátane hriadeľa, ložísk a základovej dosky. To vytvára rozdiel napätia na oboch koncoch hriadeľa generátora. Každý typ magnetickej asymetrie spôsobí zložku napätia na hriadeli s príslušnou amplitúdou a frekvenciou. Rôzne zložky hriadeľového napätia sú superponované, čo robí frekvenčné zloženie tohto hriadeľového napätia veľmi zložitým. Základná zložka má najväčšiu amplitúdu, 3. a 5. harmonická majú o niečo menšie amplitúdy a vyššie harmonické zložky majú veľmi malé amplitúdy. Toto striedavé napätie hriadeľa je vo všeobecnosti 1 ~ 10 V a má veľké množstvo energie. Ak sa neprijmú žiadne účinné opatrenia, toto napätie na hriadeli vytvorí slučku cez základovú dosku ložiska hriadeľa atď., čím sa vytvorí veľký prúd hriadeľa. Elektrický oblúk spôsobený prúdom hriadeľa sa aplikuje medzi ložisko a povrch hriadeľa. Jeho hlavným dôsledkom je opotrebovanie karbidu volfrámu v ložisku a na povrchu hriadeľa a rýchle opotrebenie mazacieho oleja. To urýchľuje mechanické opotrebovanie ložiska a v závažných prípadoch môže spôsobiť vyhorenie ložiskovej panvy.

(2) Napätie hriadeľa spôsobené elektrostatickým nábojom
Toto jednosmerné napätie, ktoré sa objavuje medzi hriadeľom a uzemňovacou doskou, je za určitých podmienok generované elektrostatickým nábojom, ktorý vzniká trením medzi rýchlo prúdiacou mokrou parou a lopatkami nízkotlakového valca turbíny. Tento elektrostatický efekt sa vyskytuje len príležitostne za určitých podmienok pary a nie je častý. V závislosti od prevádzkových podmienok môže byť tento typ napätia hriadeľa niekedy veľmi vysoký, dosahujúci stovky voltov, čo pri dotyku spôsobuje brnenie. Nie je ľahko vedený na stranu budiča, ale ak sa neprijmú žiadne opatrenia na vedenie tohto elektrostatického náboja do zeme, bude sa hromadiť na ložiskovom olejovom filme na turbínovej strane generátora a nakoniec sa vybije na olejovom filme, čo vedie k poškodeniu ložiska.

(3) Napätie hriadeľa spôsobené statickým budiacim systémom
V súčasnosti veľké agregáty parných turbín spravidla využívajú systém statického budenia. Vplyvom komutácie tyristorového oblúka sa do systému statického budenia zavedie nový hriadeľový zdroj napätia. Statický budiaci systém dodáva jednosmerné napätie do budiaceho vinutia generátora cez statický tyristorový usmerňovač a toto jednosmerné napätie je pulzujúce napätie. Pre statický budiaci systém využívajúci trojfázový plne riadený mostík má priebeh jeho budiaceho výstupného napätia 6 impulzov v rámci jedného cyklu. Toto rýchlo sa meniace pulzujúce napätie generuje striedavé napätie medzi hriadeľom a zemou prostredníctvom kapacitnej väzby medzi budiacim vinutím generátora a telesom rotora. Toto hriadeľové napätie je pulzujúce a má tvar hrotu s frekvenciou 300 Hz (keď je frekvencia striedavého napätia budiaceho systému 50 Hz). Je superponované na napätí hriadeľa spôsobeného magnetickou asymetriou, čo spôsobuje, že olejový film odoláva vyššiemu napätiu. Keď sa do určitej miery zvýši, naruší olejový film a vytvorí prúd, ktorý spôsobí popálenie a poškodenie mechanických častí.

(4) Napätie hriadeľa spôsobené zvyškovým magnetizmom
Keď je generátor vážne skratovaný alebo za iných abnormálnych prevádzkových podmienok, hlavný hriadeľ, ložiská, kryt a ďalšie komponenty sú často magnetizované a zachovávajú si určité množstvo zvyškového magnetizmu. Magnetické čiary vytvárajú pozdĺžne vetvy na ložiskách a keď sa hlavný hriadeľ jednotky otáča, vzniká elektromotorická sila, nazývaná unipolárna elektromotorická sila. Za normálnych okolností je unipolárny potenciál generovaný slabým zvyškovým magnetizmom iba v milivoltovom rozsahu. Keď však dôjde ku skratu medzi otáčkami vinutia rotora alebo dvojbodovým uzemnením, unipolárny potenciál dosiahne niekoľko voltov až desiatky voltov, čím sa vytvorí veľký prúd hriadeľa. Tento prúd preteká axiálne cez hriadeľ, ložiská a základovú dosku, čím nielen vyhorí hlavný hriadeľ a ložiskové puzdrá, ale tiež silne zmagnetizuje tieto komponenty, čo sťažuje údržbu jednotky.

2. Nebezpečenstvá spôsobené napätím hriadeľa generátora Veľkosť napätia hriadeľa sa líši v závislosti od konkrétnej jednotky. Vo všeobecnosti platí, že čím väčšia je kapacita jednotky, tým väčšia je asymetria toku a štruktúry vzduchovej medzery. Čím väčšie sú harmonické zložky v magnetickom poli, tým vyššia je saturácia jadra a čím väčšia je nerovnomernosť statora, tým vyššie je špičkové napätie hriadeľa. Tvar vlny napätia na hriadeli má zložité harmonické zložky. Jednotky využívajúce budenie statického regulovateľného usmerňovača majú vo svojom tvare vlny napätia na hriadeli vysokú impulznú zložku, čo je obzvlášť škodlivé pre izoláciu olejového filmu. Keď napätie na hriadeli dosiahne určitú hodnotu, ak sa neprijmú vhodné opatrenia, olejový film sa rozpadne a vytvorí sa prúd hriadeľa.

Ak je prúd hriadeľa generátora parnej turbíny veľmi vysoký, čapy, ložiská a ďalšie súvisiace komponenty, cez ktoré prechádza prúd hriadeľa, zhoria. Hnací šnek a šnekové koleso hlavného olejového čerpadla turbíny sa poškodí. Elektrický oblúk spôsobený prúdom hriadeľa spôsobí eróziu komponentov ložísk a starnutie mazacieho oleja ložísk, čím sa urýchli mechanické opotrebovanie ložísk. Hriadeľový prúd silne zmagnetizuje komponenty turbíny, koncové kryty generátora, ložiská a ďalšie komponenty obklopujúce hriadeľ, čím sa vytvorí unipolárny potenciál na čapoch a obežných kolesách.

Keď je napätie na hriadeli dostatočne vysoké na to, aby narušilo olejový film medzi hriadeľom a ložiskami, dôjde k výboju. Výtlačný okruh je: hriadeľ generátora – čaník – ložisko – konzola ložiska – základňa generátora. Hoci napätie na hriadeli nie je vysoké (okolo 6V pre 300MW generátor), odpor obvodu je veľmi malý. Preto môže byť generovaný prúd hriadeľa veľmi veľký, niekedy dosahuje stovky ampérov. Hriadeľový prúd postupne zhorší kvalitu mazacieho a chladiaceho oleja av závažných prípadoch vyhorí ložiská, čo si vynúti vypnutie a spôsobí nehodu. Preto je potrebné počas inštalácie a prevádzky merať a kontrolovať napätie medzi hriadeľom generátora a ložiskami.

3. Opatrenia na prevenciu a elimináciu napätia na hriadeli generátora

Zvyčajne sa prijímajú tieto preventívne opatrenia:

(1) Počas návrhu a inštalácie sa zvyčajne medzi ložiskovú konzolu na konci budenia generátora a základňu inštaluje izolačná podložka. Súčasne sú izolované všetky olejové potrubia, skrutky, čapy atď.

(2) Na turbínovej strane hriadeľa generátora je navrhnutá uzemňovacia kefa na uvoľnenie elektrostatického náboja v nízkotlakovej časti turbíny, čím sa zabezpečí, že potenciál hriadeľa a zeme bude rovnaký.

Okrem odstránenia napätia na hriadeli slúži uzemňovacia kefa hriadeľa aj nasledujúcim funkciám na ochranu motora: a. Meranie kladného a záporného napätia rotora voči zemi. b. Slúži ako ochrana proti jednobodovému uzemneniu rotora.

(3) Na zníženie hriadeľového napätia spôsobeného asymetriou magnetického obvodu v súprave turbíny sa pri návrhu generátora zvažujú opatrenia na odstránenie alebo zníženie tretej alebo piatej harmonickej zložky napätia na hriadeli. Je prijatá úplne nová štruktúra generátora a inštalácia prísne dodržiava procesné a konštrukčné požiadavky výrobcu, aby sa zabránilo excentricite rotora.

(4) Aby sa zabránilo hriadeľovému napätiu generovanému jednobodovým uzemňovacím skratom vo vinutí rotora, je počas prevádzky aktivované dvojbodové uzemňovacie zariadenie pre budiaci obvod. (5) Na prerušenie prúdu hriadeľa nainštalujte izolačné podložky na budiaci koniec, a to aj medzi ložiská generátora, olejové tesnenia vodíkom chladeného generátora, podpery vstupnej a výstupnej vody a príruby vstupných/výstupných rúrok vodou chladeného rotora generátora a zadné ložisko a základnú dosku rámu motora. Upevňovacie prvky ložiskových puzdier a olejových rúrok spojených s ložiskovými skriňami by mali byť tiež izolované od ložísk; možno použiť dvojité izolačné opatrenia.

(6) Počas návrhu motora sa vyhýbajte asymetrii magnetického obvodu.

(7) Vyhnite sa axiálnemu magnetickému toku počas návrhu motora, výroby a prevádzky.

(8) Izolujte ložiskové skrine od zeme.

(9) Na hriadeľ nainštalujte uzemňovacie kefy.

(10) Použite nemagnetické ložiskové puzdrá alebo prídavné cievky.

(11) Pridajte premosťovací kondenzátor k zemi na výstupnú svorku kotvy jednosmerného motora.

4. Meranie hriadeľového napätia Izolácia uzemňovacích kefiek rotora a ložísk je rozhodujúca pre ochranu generátora pred hriadeľovým napätím a zaistenie bezpečnej prevádzky. V skutočnej prevádzke sa môže v dôsledku faktorov, ako je inštalácia a zhoršenie prevádzkového prostredia a opotrebovanie, vyskytnúť zlé uzemnenie rotora alebo znížená izolácia ložísk, čo vedie k zvýšenému napätiu hriadeľa a prúdu hriadeľa, čo môže v konečnom dôsledku poškodiť generátor. Preto je pravidelné meranie napätia na hriadeli nevyhnutné pre zlepšenie prevádzky generátora. Nižšie odporúčame relatívne jednoduchú metódu merania: Ako je znázornené na obrázku vyššie, kde:

U1: Rozdiel napätia medzi dvoma koncami hriadeľa rotora generátora. Za normálnych okolností je to spôsobené hlavne magnetickou asymetriou rotora. Výrobcovia zvyčajne poskytujú empirické údaje; odporúča sa to zmerať po každej menšej generálnej oprave a porovnať s historickými údajmi.

U2: Napätie zadného hriadeľa generátora voči zemi.

U3: Napätie kovovej dosky medzi izolačnými vrstvami zadného ložiska generátora a zemou.

A: Prúd meraný na uzemňovacom vodiči prednej uzemňovacej uhlíkovej kefky generátora.

U2, U3 a A by sa mali pravidelne merať počas prevádzky. Zmeny v týchto údajoch môžu naznačovať stav generátora:

① U1 by mal byť v rozsahu poskytnutom výrobcom a nemal by sa výrazne meniť v porovnaní s historickými údajmi. V opačnom prípade by sa mal skontrolovať stav statora a rotora generátora, aby sa určila príčina.

② U2 ≈ U3 (normálna hodnota). Ak je U2 väčšie ako U3 (normálna hodnota), je potrebné skontrolovať uzemnenie uhlíkovej kefky na uzemnenie hriadeľa. Počas prevádzky je možné k prednému hriadeľu pripojiť krátkodobý externý uzemňovací vodič na uzemnenie a potom je možné merať a porovnávať U2.

③ U3 by mal byť blízko k U2. Pretože rozdiel medzi U2 a U3 predstavuje napätie aplikované na ložiskový olejový film, nadmerné napätie môže spôsobiť rozpad olejového filmu. Odporúča sa, aby tento rozdiel nepresahoval 4 V, alebo aby U3 nebol menší ako 70 % U2. V opačnom prípade by sa mal skontrolovať stav izolácie ložiska voči zemi, ako je kontaminácia povrchu alebo starnutie izolácie.

④ Vo všeobecnosti sa prúd A pretekajúci uhlíkovou kefkou na uzemnenie hriadeľa pohybuje od niekoľkých miliampérov do niekoľkých stoviek miliampérov. Ak sa táto hodnota výrazne zvýši, je potrebné skontrolovať izoláciu ložiska v spojení s meraním napätia na hriadeli.