Причины, опасности и способы устранения напряжения на валу генератора

С увеличением мощности одиночных генераторных установок напряжение на валу стало серьезной проблемой для крупных генераторов, использующих статические системы самовозбуждения. Форма сигнала напряжения на валу содержит сложные гармонические импульсные компоненты, которые особенно вредны для масляной пленочной изоляции. Когда напряжение на валу не превышает напряжение пробоя масляной пленки, ток на валу очень мал. Если напряжение на валу превышает напряжение пробоя слоя масла подшипника, в подшипнике будет генерироваться большой ток вала, так называемый ток EDM, который сожжет компоненты подшипника и приведет к значительному повреждению. Асимметрия магнитной цепи, униполярный эффект, емкостной ток, электростатический эффект, статическая система возбуждения, постоянное намагничивание корпуса, вала и т. д. — все это потенциально может вызвать напряжение на валу.

Под напряжением на валу понимается напряжение, возникающее между двумя концами подшипников двигателя или между валом двигателя и подшипником во время работы двигателя. В нормальных условиях, когда напряжение на валу низкое, пленка смазочного масла между валом генератора и подшипником обеспечивает хорошую изоляцию. Однако если напряжение на валу по какой-либо причине поднимется до определенного значения, масляная пленка разрушится и произойдет разряд, образуя цепь генерации тока на валу. Ток вала не только нарушает стабильность масляной пленки, вызывая постепенное ухудшение качества смазочного масла, но также, поскольку ток вала проходит через точку контакта металла между подшипником и валом — очень маленькую точку контакта с высокой плотностью тока — он мгновенно генерирует чрезвычайно высокие температуры, вызывая локальное плавление подшипника. Расплавленный подшипниковый сплав под давлением прокатки разбрызгивается и прожигает небольшие ямки на внутренней поверхности подшипника. В конечном итоге подшипник выйдет из строя из-за ускоренного механического износа, а в тяжелых случаях сгорит вкладыш подшипника, что приведет к аварии и вынужденной остановке.

Напряжение на валу генератора присутствует всегда, но оно, как правило, невелико и обычно составляет от нескольких вольт до десятка вольт. Однако, когда изолирующие прокладки выходят из строя из-за масляных пятен, повреждений или старения, напряжения на валу достаточно, чтобы разрушить масляную пленку между валом и подшипником, что приведет к разряду. Со временем это постепенно ухудшит качество смазочного и охлаждающего масла, а в тяжелых случаях приведет к выгоранию вала и подшипников, что приведет к аварийному отключению.

1. Причины напряжения на валу генератора

(1) Напряжение на валу, вызванное магнитной асимметрией
Это переменное напряжение, существующее на обоих концах вала турбогенератора. Из-за использования секторных штампованных пластин в сердечнике статора, разного эксцентриситета ротора, различной магнитной проницаемости секторных пластин, а также направляющих канавок вала, используемых для охлаждения и зажима и т. д., при изготовлении и эксплуатации генератора возникает магнитная асимметрия, в результате которой образуется переменный контур магнитного потока, включающий вал, подшипники и фундаментную пластину. Это создает разницу напряжений на обоих концах вала генератора. Каждый тип магнитной асимметрии вызывает компонент напряжения на валу с соответствующей амплитудой и частотой. Различные компоненты напряжения на валу накладываются друг на друга, что делает частотный состав этого напряжения на валу очень сложным. Основная составляющая имеет наибольшую амплитуду, 3-я и 5-я гармоники имеют несколько меньшие амплитуды, а высшие гармонические составляющие имеют очень малые амплитуды. Это напряжение на валу переменного тока обычно составляет 1–10 В и обладает большим количеством энергии. Если не принять эффективных мер, это напряжение на валу образует петлю через фундаментную плиту вала-подшипника и т. д., создавая большой ток на валу. Электрическая дуга, вызванная током вала, возникает между подшипником и поверхностью вала. Его основным последствием является износ карбида вольфрама в подшипнике и на поверхности вала, а также быстрый износ смазочного масла. Это ускоряет механический износ подшипника, а в тяжелых случаях может привести к выгоранию вкладыша подшипника.

(2) Напряжение на валу, вызванное электростатическим зарядом.
Это напряжение постоянного тока, возникающее между валом и заземляющей пластиной, создается электростатическим зарядом, возникающим в результате трения между быстро текущим влажным паром и лопатками цилиндра низкого давления турбины при определенных условиях. Этот электростатический эффект возникает лишь изредка при определенных условиях пара и встречается нечасто. В зависимости от условий эксплуатации напряжение на валу этого типа иногда может быть очень высоким, достигая сотен вольт, вызывая ощущение покалывания при прикосновении. Его нелегко перенести на сторону возбудителя, но если не принять меры по отводу этого электростатического заряда на землю, он будет накапливаться на масляной пленке подшипника со стороны турбины генератора и в конечном итоге разряжаться на масляной пленке, что приведет к повреждению подшипника.

(3) Напряжение на валу, вызванное статической системой возбуждения.
В настоящее время в больших паротурбинных генераторных установках обычно используется статическая система возбуждения. За счет влияния коммутации тиристорной дуги в статическую систему возбуждения вводится новый источник напряжения на валу. Статическая система возбуждения подает постоянное напряжение на обмотку возбуждения генератора через статический тиристорный выпрямитель, и это постоянное напряжение представляет собой пульсирующее напряжение. Для статической системы возбуждения, использующей трехфазный полностью управляемый мост, форма выходного напряжения возбуждения имеет 6 импульсов в течение одного цикла. Это быстро меняющееся пульсирующее напряжение генерирует переменное напряжение между валом и землей посредством емкостной связи между обмоткой возбуждения генератора и корпусом ротора. Это напряжение на валу является пульсирующим и имеет форму пиков с частотой 300 Гц (при частоте переменного напряжения системы возбуждения 50 Гц). Оно накладывается на напряжение на валу, вызванное магнитной асимметрией, в результате чего масляная пленка выдерживает более высокие скачки напряжения. Когда он увеличивается до определенной степени, он разрушает масляную пленку, образуя ток, вызывающий возгорание и повреждение механических деталей.

(4) Напряжение на валу, вызванное остаточным магнетизмом.
Когда генератор сильно закорочен или находится в других ненормальных условиях эксплуатации, главный вал, подшипники, корпус и другие компоненты часто намагничиваются и сохраняют определенное количество остаточного магнетизма. Магнитные линии создают продольные ветви на подшипниках, и при вращении главного вала агрегата возникает электродвижущая сила, называемая униполярной электродвижущей силой. В нормальных условиях униполярный потенциал, создаваемый слабым остаточным магнетизмом, находится только в диапазоне милливольт. Однако при коротком замыкании между витками обмотки ротора или двухточечным заземлением униполярный потенциал достигает значений от нескольких до десятков вольт, создавая большой ток на валу. Этот ток протекает в осевом направлении через вал, подшипники и фундаментную плиту, не только сжигая главный вал и втулки подшипников, но и сильно намагничивая эти компоненты, что затрудняет обслуживание агрегата.

2. Опасности, вызванные напряжением на валу генератора. Величина напряжения на валу варьируется в зависимости от конкретного устройства. Как правило, чем больше мощность агрегата, тем больше асимметрия в потоке и структуре воздушного зазора. Чем больше гармонических составляющих в магнитном поле, тем выше насыщение сердечника и чем больше неравномерность статора, тем выше пиковое напряжение на валу. Форма сигнала напряжения на валу имеет сложные гармонические составляющие. Агрегаты, в которых используется статическое управляемое выпрямительное возбуждение, имеют высокую импульсную составляющую формы волны напряжения на валу, что особенно вредно для масляной пленочной изоляции. Когда напряжение на валу достигает определенного значения, если не принять соответствующие меры, масляная пленка разрушается, создавая ток на валу.

Если ток на валу паротурбинно-генераторной установки очень велик, шейки, подшипники и другие сопутствующие компоненты, через которые проходит ток вала, сгорят. Приводной червяк и червячное колесо главного масляного насоса турбины будут повреждены. Электрическая дуга, вызванная током на валу, разрушает компоненты подшипников и старит смазочное масло подшипников, тем самым ускоряя механический износ подшипников. Ток на валу сильно намагничивает компоненты турбины, торцевые крышки генератора, подшипники и другие компоненты, окружающие вал, создавая униполярный потенциал на шейках и рабочих колесах.

Когда напряжение на валу достаточно велико, чтобы разрушить масляную пленку между валом и подшипниками, происходит разряд. Нагнетательный контур: вал генератора — шейка — подшипник — кронштейн подшипника — основание генератора. Хотя напряжение на валу невелико (около 6 В для генератора мощностью 300 МВт), сопротивление цепи очень мало. Поэтому генерируемый ток на валу может быть очень большим, иногда достигая сотен ампер. Ток на валу постепенно ухудшает качество смазочного и охлаждающего масла, а в тяжелых случаях приводит к сжиганию подшипников, вызывая остановку и приводя к аварии. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо измерять и проверять напряжение между валом генераторной установки и подшипниками.

3. Меры по предотвращению и устранению напряжения на валу генератора.

Обычно применяются следующие профилактические меры:

(1) Во время проектирования и установки между кронштейном подшипника на стороне возбуждения генератора и основанием обычно устанавливается изолирующая прокладка. Одновременно изолируются все маслопроводы, винты, болты и т.п.

(2) Щетка заземления расположена на стороне вала генератора со стороны турбины для снятия электростатических зарядов в секции низкого давления турбины, гарантируя, что потенциалы вала и земли одинаковы.

Помимо устранения напряжения на валу, щетка заземления вала также выполняет следующие функции по защите двигателя: a. Измерение положительного и отрицательного напряжения ротора относительно земли. б. Служит защитой от одноточечного заземления ротора.

(3) Для снижения напряжения на валу, вызванного асимметрией магнитной цепи турбогенераторной установки, при проектировании генератора рассматриваются меры по устранению или уменьшению третьей или пятой гармонической составляющей напряжения на валу. Принята совершенно новая конструкция генератора, и установка строго соответствует требованиям производителя к процессу и конструкции, чтобы предотвратить эксцентриситет ротора.

(4) Для предотвращения напряжения на валу, создаваемого одноточечным замыканием на землю в обмотках ротора, во время работы срабатывает двухточечное устройство защиты от заземления цепи возбуждения. (5) Чтобы отключить ток вала, установите изолирующие прокладки на стороне возбуждения, в том числе между подшипниками генератора, сальниками генератора с водородным охлаждением, опорами для впускной и выпускной воды и фланцами впускных/выпускных труб ротора генератора с водяным охлаждением, а также хвостовым подшипником и опорной плитой рамы двигателя. Крепления корпусов подшипников и маслопроводы, подсоединенные к корпусам подшипников, также должны быть изолированы от подшипников; можно использовать меры двойной изоляции.

(6) Избегайте асимметрии магнитной цепи при проектировании двигателя.

(7) Избегайте осевого магнитного потока при проектировании, производстве и эксплуатации двигателя.

(8) Заизолируйте корпуса подшипников от земли.

(9) Установите щетки заземления на вал.

(10) Используйте немагнитные корпуса подшипников или дополнительные катушки.

(11) Добавьте байпасный конденсатор на землю на выходной клемме якоря двигателя постоянного тока.

4. Измерение напряжения на валу. Изоляция щеток и подшипников заземления ротора имеет решающее значение для защиты генератора от напряжения на валу и обеспечения безопасной эксплуатации. В реальной эксплуатации из-за таких факторов, как монтаж и ухудшение условий эксплуатации, а также износ, может возникнуть плохое заземление ротора или ухудшение изоляции подшипников, что приведет к увеличению напряжения на валу и тока на валу, что в конечном итоге может привести к повреждению генератора. Поэтому регулярное измерение напряжения на валу необходимо для улучшения работы генератора. Ниже мы рекомендуем относительно простой метод измерения: Как показано на диаграмме выше, где:

U1: Разница напряжений между двумя концами вала ротора генератора. В нормальных условиях это в основном вызвано магнитной асимметрией ротора. Производители обычно предоставляют эмпирические данные; рекомендуется измерять это после каждого мелкого ремонта и сравнивать с историческими данными.

U2: Напряжение заднего вала генератора относительно земли.

U3: Напряжение металлической пластины между изоляционными слоями заднего подшипника генератора и землей.

A: Ток измерен на заземляющем проводе передней заземляющей угольной щетки генератора.

U2, U3 и A следует периодически измерять во время работы. Изменения этих данных могут указывать на состояние генератора:

① U1 должен находиться в пределах диапазона, предусмотренного производителем, и не должен существенно меняться по сравнению с историческими данными. В противном случае необходимо проверить состояние статора и ротора генератора для определения причины.

② U2 ≈ U3 (нормальное значение). Если U2 больше, чем U3 (нормальное значение), необходимо проверить заземление угольной щетки для заземления вала. Во время работы к переднему валу для заземления можно подключить кратковременный внешний заземляющий провод, а затем измерить и сравнить U2.

③ U3 должен находиться рядом с U2. Поскольку разница между U2 и U3 представляет собой напряжение, приложенное к масляной пленке подшипника, чрезмерное напряжение может привести к разрушению масляной пленки. Рекомендуется, чтобы эта разница не превышала 4 В или чтобы U3 не составлял менее 70 % от U2. В противном случае следует проверить состояние изоляции подшипника относительно земли, например, на предмет загрязнения поверхности или старения изоляции.

④ Как правило, ток А, протекающий через угольную щетку заземления вала, составляет от нескольких миллиампер до нескольких сотен миллиампер. Если это значение значительно увеличивается, необходимо проверить изоляцию подшипника вместе с измерением напряжения на валу.