A generátor tengelyfeszültségének okai, veszélyei és megoldásai

Az egygenerátoros egységek kapacitásának növekedésével a tengelyfeszültség komoly problémát jelent a statikus öngerjesztő rendszereket alkalmazó nagy generátorok számára. A tengelyfeszültség hullámformája összetett harmonikus impulzuskomponenseket tartalmaz, amelyek különösen károsak az olajfilm szigetelésére. Ha a tengelyfeszültség nem haladja meg az olajfilm áttörési feszültségét, a tengelyáram nagyon kicsi. Ha a tengelyfeszültség meghaladja a csapágyolajréteg áttörési feszültségét, akkor a csapágyban nagy tengelyáram, úgynevezett EDM áram keletkezik, amely a csapágyalkatrészeket elégeti és jelentős károkat okoz. A mágneses áramkör aszimmetriája, az egypólusú hatás, a kapacitív áram, az elektrosztatikus hatás, a statikus gerjesztőrendszer, a burkolat, a tengely, stb. állandó mágnesezése, mind potenciálisan tengelyfeszültséget okozhatnak.

A tengelyfeszültség a motor két csapágyvége között vagy a motor tengelye és a csapágy között a motor működése során keletkező feszültségre vonatkozik. Normál körülmények között, amikor a tengelyfeszültség alacsony, a kenőolaj film a generátor tengelye és a csapágy között jó szigetelést biztosít. Ha azonban a tengely feszültsége valamilyen oknál fogva egy bizonyos értékre emelkedik, az lebontja az olajfilmet és kisül, és egy áramkört képez a tengelyáram generálásához. A tengelyáram nemcsak az olajfilm stabilitását rontja meg, aminek következtében a kenőolaj fokozatosan romlik, hanem, mivel a tengelyáram áthalad a csapágy és a tengely közötti fém érintkezési ponton – egy nagyon kicsi érintkezési ponton, nagy áramsűrűséggel – azonnal rendkívül magas hőmérsékletet generál, ami a csapágy helyi megolvadását okozza. A megolvadt csapágyötvözet a gördülési nyomás hatására kifröccsen, és kis gödröket éget a csapágy belső felületén. Végső soron a csapágy a felgyorsult mechanikai kopás miatt eltörik, súlyos esetekben pedig a csapágyhéj kiég, ami balesetet okoz, és leállásra kényszerít.

A generátor tengelyfeszültsége mindig jelen van, de általában nem magas, általában néhány volttól egy tucat voltig terjed. Ha azonban a szigetelő párnák olajfoltok, sérülések vagy öregedés miatt meghibásodnak, a tengelyfeszültség elegendő ahhoz, hogy lebontsa a tengely és a csapágy közötti olajfilmet, ami kisülést okoz. Ez idővel fokozatosan rontja a kenő- és hűtőolaj minőségét, súlyos esetekben pedig kiégeti a tengelyt és a csapágyakat, ami leállási balesetet okoz.

1. A generátor tengelyfeszültségének okai

(1) A mágneses aszimmetria által okozott tengelyfeszültség
Ez egy váltakozó feszültség, amely a turbina generátor tengelyének mindkét végén található. Az állórészmagban alkalmazott szektor alakú bélyegzett laminálások, a forgórész eltérő excentricitása, a szektor alakú laminálások eltérő áteresztőképessége, valamint a hűtéshez és rögzítéshez használt tengelyvezető hornyok stb. miatt a generátor gyártása és működése mágneses aszimmetriát okoz, ami váltakozó mágneses fluxust, tengelyt és hurkot is magában foglaló lemezt eredményez. Ez feszültségkülönbséget hoz létre a generátor tengelyének mindkét végén. A mágneses aszimmetria minden típusa megfelelő amplitúdójú és frekvenciájú tengelyfeszültség-komponenst okoz. A különböző tengelyfeszültség-összetevők egymásra vannak helyezve, így ennek a tengelyfeszültségnek a frekvenciaösszetétele nagyon bonyolult. Az alapkomponens amplitúdója a legnagyobb, a 3. és 5. harmonikus valamivel kisebb, a magasabb harmonikusok pedig nagyon kicsi amplitúdójúak. Ez a váltakozó áramú tengely feszültsége általában 1 ~ 10 V, és nagy mennyiségű energiája van. Ha nem tesznek hatékony intézkedéseket, ez a tengelyfeszültség hurkot képez a tengelycsapágy-alaplemezen stb., és nagy tengelyáramot generál. A tengelyáram okozta elektromos ív a csapágy és a tengelyfelület közé kerül. Ennek fő következménye a csapágyban és a tengelyfelületen lévő volfrámkarbid kopása, valamint a kenőolaj gyors károsodása. Ez felgyorsítja a csapágy mechanikai kopását, és súlyos esetekben a csapágyhéj kiégését okozhatja.

(2) Elektrosztatikus töltés okozta tengelyfeszültség
Ezt a tengely és a földelő lemez között megjelenő egyenfeszültséget a nagy sebességgel áramló nedves gőz és a turbina kisnyomású hengerlapátjai közötti súrlódás által bizonyos körülmények között létrejövő elektrosztatikus töltés hozza létre. Ez az elektrosztatikus hatás bizonyos gőzkörülmények között csak alkalmanként jelentkezik, és nem gyakori. Az üzemi körülményektől függően az ilyen típusú tengelyfeszültség néha nagyon magas lehet, elérheti a több száz voltot, és megérintésekor bizsergő érzést kelt. Nem könnyen vezethető a gerjesztő oldalra, de ha nem tesznek lépéseket ennek az elektrosztatikus töltésnek a talajra vezetése érdekében, az felhalmozódik a generátor turbina oldalán lévő csapágyolaj-filmen, és végül kisül az olajfilmen, ami csapágykárosodáshoz vezet.

(3) A statikus gerjesztőrendszer által okozott tengelyfeszültség
Jelenleg a nagy gőzturbinás generátoregységek általában statikus gerjesztőrendszert használnak. A tirisztoros ívkommutáció hatására új tengelyfeszültség-forrás kerül a statikus gerjesztőrendszerbe. A statikus gerjesztőrendszer egy statikus tirisztoros egyenirányítón keresztül egyenfeszültséggel látja el a generátor gerjesztő tekercsét, és ez az egyenfeszültség pulzáló feszültség. Háromfázisú, teljesen vezérelt hidat használó statikus gerjesztőrendszer esetén a gerjesztési kimeneti feszültség hullámformája egy cikluson belül 6 impulzussal rendelkezik. Ez a gyorsan változó pulzáló feszültség váltakozó feszültséget generál a tengely és a test között a generátor gerjesztőtekercse és a forgórész teste közötti kapacitív csatolás révén. Ez a tengelyfeszültség pulzáló és tüske alakú, frekvenciája 300 Hz (amikor a gerjesztőrendszer váltakozó feszültségének frekvenciája 50 Hz). A mágneses aszimmetria okozta tengelyfeszültségre van rárakva, így az olajfilm nagyobb tüskefeszültségnek is ellenáll. Ha bizonyos mértékig megnövekszik, lebontja az olajfilmet, olyan áramot képezve, amely égést és mechanikai alkatrészek károsodását okozza.

(4) Maradék mágnesesség által okozott tengelyfeszültség
Ha a generátor súlyosan rövidzárlatos vagy más rendellenes működési körülmények között van, a főtengely, a csapágyak, a ház és más alkatrészek gyakran mágneseződnek, és megtartanak bizonyos mértékű maradék mágnesességet. A mágneses vonalak hosszanti ágakat hoznak létre a csapágyakon, és amikor az egység főtengelye forog, elektromotoros erő keletkezik, amelyet unipoláris elektromotoros erőnek neveznek. Normál körülmények között a gyenge maradék mágnesesség által generált unipoláris potenciál csak a millivoltos tartományba esik. Ha azonban rövidzárlat lép fel a forgórész tekercselése vagy a kétpontos földelés között, az egypólusú potenciál több volttól több tíz voltig terjed, és nagy tengelyáramot generál. Ez az áram axiálisan folyik át a tengelyen, a csapágyakon és az alaplemezen, ami nemcsak a főtengelyt és a csapágyperselyeket égeti ki, hanem erősen mágnesezi is ezeket az alkatrészeket, ami megnehezíti az egység karbantartását.

2. A generátor tengelyfeszültsége által okozott veszélyek A tengelyfeszültség nagysága az adott egységtől függően változik. Általában minél nagyobb az egység kapacitása, annál nagyobb aszimmetria a légrés fluxusában és szerkezetében. Minél nagyobb a harmonikus komponens a mágneses térben, annál nagyobb a magtelítettség, és minél nagyobb az állórész egyenetlensége, annál nagyobb a tengelyfeszültség csúcsa. A tengelyfeszültség hullámformájának összetett harmonikus összetevői vannak. A statikusan vezérelhető egyenirányítós gerjesztést alkalmazó egységek tengelyfeszültségének hullámalakjában nagy impulzuskomponens található, ami különösen káros az olajréteg szigetelésére. Ha a tengely feszültsége elér egy bizonyos értéket, ha nem tesznek megfelelő intézkedéseket, az olajfilm lebomlik, és tengelyáramot generál.

Ha egy gőzturbina generátorkészlet tengelyárama nagyon nagy, a csapágyak, csapágyak és egyéb kapcsolódó alkatrészek, amelyeken a tengelyáram áthalad, kiégnek. A turbina fő olajszivattyújának hajtó- és csigakereke megsérül. A tengelyáram okozta elektromos ív erodálja a csapágy alkatrészeket és öregíti a csapágy kenőolaját, ezáltal felgyorsítja a csapágyak mechanikai kopását. A tengelyáram erősen mágnesezi a turbina alkatrészeit, a generátor végburkolatait, a csapágyakat és a tengelyt körülvevő egyéb alkatrészeket, és egypólusú potenciált generál a csapokban és a járókerekekben.

Amikor a tengelyfeszültség elég magas ahhoz, hogy a tengely és a csapágyak közötti olajfilmet lebontsa, kisülés lép fel. A kisülési áramkör a következő: generátor tengely – napló – csapágy – csapágytartó – generátor talp. Bár a tengelyfeszültség nem magas (6V körül van egy 300MW-os generátornál), az áramkör ellenállása nagyon kicsi. Ezért a generált tengelyáram nagyon nagy lehet, néha elérheti a több száz ampert. A tengelyáram fokozatosan rontja a kenő- és hűtőolaj minőségét, súlyos esetben pedig kiégeti a csapágyakat, leállást kényszerítve, balesetet okozva. Ezért a telepítés és az üzemeltetés során meg kell mérni és ellenőrizni kell a generátorkészlet tengelye és a csapágyak közötti feszültséget.

3. Megelőzési és megszüntetési intézkedések a generátor tengelyfeszültségére vonatkozóan

Általában a következő megelőző intézkedéseket alkalmazzák:

(1) A tervezés és a beépítés során a generátor gerjesztő végén lévő csapágykonzol és az alap közé általában szigetelőbetétet kell beépíteni. Ezzel egyidejűleg minden olajcsövet, csavart, csavart stb. szigetelnek.

(2) A generátor tengelyének turbina oldalán egy földelőkefe van kialakítva, amely elektrosztatikus töltéseket szabadít fel a turbina alacsony nyomású szakaszában, biztosítva, hogy a tengely és a földpotenciálok azonosak legyenek.

A tengelyföldelő kefe a tengelyfeszültség kiküszöbölése mellett a következő funkciókat is ellátja a motor védelmében: a. A rotor pozitív és negatív testfeszültségének mérése. b. Védelemként szolgál a forgórész egypontos földelése ellen.

(3) A turbinagenerátor-készletben a mágneses áramkör aszimmetriája által okozott tengelyfeszültség csökkentése érdekében a generátor tervezése során figyelembe kell venni a tengelyfeszültségben a harmadik vagy ötödik harmonikus komponens megszüntetésére vagy csökkentésére irányuló intézkedéseket. Teljesen új generátorszerkezet került bevezetésre, és a telepítés szigorúan követi a gyártó eljárási és tervezési követelményeit a rotor excentricitásának elkerülése érdekében.

(4) A forgórész tekercseinek egypontos földelési rövidzárlatából adódó tengelyfeszültség elkerülése érdekében működés közben a gerjesztőáramkör kétpontos földelő védőeszköze aktiválódik. (5) A tengelyáram megszakításához szereljen fel szigetelőbetéteket a gerjesztő végére, beleértve a generátor csapágyait, a hidrogénhűtéses generátor tömítéseit, a vízhűtéses generátor forgórészének bemeneti és kimeneti víztartóit és bemeneti/kimeneti csövek karimáit, valamint a hátsó csapágyat és a motorváz alaplemezét. A csapágyházak rögzítőelemeit és a csapágyházakhoz csatlakozó olajcsöveket is szigetelni kell a csapágyaktól; kettős szigetelési intézkedések alkalmazhatók.

(6) Kerülje el a mágneses áramkör aszimmetriáját a motor tervezése során.

(7) Kerülje el az axiális mágneses fluxust a motor tervezése, gyártása és működése során.

(8) Szigetelje le a csapágyházakat a földhöz képest.

(9) Szereljen fel földelő keféket a tengelyre.

(10) Használjon nem mágneses csapágyházakat vagy kiegészítő tekercseket.

(11) Adjon hozzá egy bypass kondenzátort a testhez az egyenáramú motor armatúra kimeneti kapcsánál.

4. Tengelyfeszültség mérése A forgórész földelő kefék és csapágyak szigetelése kulcsfontosságú a generátor tengelyfeszültség elleni védelmében és a biztonságos működés biztosításában. Valójában olyan tényezők miatt, mint a telepítés és az üzemi környezet romlása, valamint a kopás, rossz forgórész földelés vagy csökkent csapágyszigetelés léphet fel, ami megnövekszik a tengelyfeszültség és a tengelyáram növekedéséhez, ami végső soron károsíthatja a generátort. Ezért a generátor működésének javításához elengedhetetlen a tengelyfeszültség rendszeres mérése. Az alábbiakban egy viszonylag egyszerű mérési módszert ajánlunk: Ahogy a fenti diagramon látható, ahol:

U1: Feszültségkülönbség a generátor forgórészének két vége között. Normál körülmények között ezt főként a rotor mágneses aszimmetriája okozza. A gyártók általában tapasztalati adatokat szolgáltatnak; ezt minden kisebb javítás után ajánlatos megmérni és összevetni a múltbeli adatokkal.

U2: A generátor hátsó tengelyének feszültsége a földhöz viszonyítva.

U3: A generátor hátsó csapágyának szigetelőrétegei közötti fémlemez feszültsége a földre.

V: A generátor elülső részének földelő szénkeféjének földelővezetékén mért áram.

Az U2-t, U3-at és A-t működés közben rendszeresen meg kell mérni. Az adatok változása jelezheti a generátor állapotát:

① Az U1-nek a gyártó által megadott tartományon belül kell lennie, és nem változhat jelentősen a korábbi adatokhoz képest. Ellenkező esetben ellenőrizni kell a generátor állórészének és forgórészének állapotát az ok megállapításához.

② U2 ≈ U3 (normál érték). Ha az U2 nagyobb, mint az U3 (normál érték), ellenőrizni kell a tengelyföldelő szénkefe földelését. Üzem közben az elülső tengelyre egy rövid ideig tartó külső földelő vezetéket lehet csatlakoztatni a földeléshez, majd U2 mérhető és összehasonlítható.

③ Az U3-nak közel kell lennie az U2-hez. Mivel az U2 és U3 közötti különbség a csapágyolajfilmre adott feszültséget jelenti, a túlzott feszültség az olajfilm meghibásodását okozhatja. Javasoljuk, hogy ez a különbség ne haladja meg a 4 V-ot, vagy hogy az U3 ne legyen kisebb, mint az U2 70%-a. Ellenkező esetben ellenőrizni kell a csapágy talajszigetelésének állapotát, például a felületi szennyeződést vagy a szigetelés elöregedését.

④ Általában a tengely földelő szénkefén átfolyó A áram néhány milliampertől több száz milliamperig terjed. Ha ez az érték jelentősen megnő, a csapágy szigetelését a tengelyfeszültség mérésével együtt kell ellenőrizni.