Příčiny, nebezpečí a řešení pro napětí na hřídeli generátoru

Se zvyšující se kapacitou jednotek s jedním generátorem se napětí na hřídeli stalo vážným problémem pro velké generátory využívající systémy statického samobuzení. Tvar vlny hřídelového napětí obsahuje složité harmonické pulzní složky, které jsou zvláště škodlivé pro izolaci olejového filmu. Když napětí na hřídeli nepřekročí průrazné napětí olejového filmu, je proud hřídele velmi malý. Pokud napětí na hřídeli překročí průrazné napětí vrstvy ložiskového oleje, vznikne v ložisku velký hřídelový proud, tzv. EDM proud, který spálí součásti ložiska a způsobí značné poškození. Asymetrie magnetického obvodu, unipolární efekt, kapacitní proud, elektrostatický efekt, systém statického buzení, permanentní magnetizace pláště, hřídele atd., to vše může potenciálně způsobit napětí na hřídeli.

Napětí hřídele se týká napětí generovaného mezi dvěma konci ložisek motoru nebo mezi hřídelí motoru a ložiskem během provozu motoru. Za normálních okolností, když je napětí na hřídeli nízké, poskytuje film mazacího oleje mezi hřídelí generátoru a ložiskem dobrou izolaci. Pokud však napětí na hřídeli z nějakého důvodu stoupne na určitou hodnotu, naruší olejový film a vybije se, čímž se vytvoří obvod pro generování proudu na hřídeli. Hřídelový proud nejen narušuje stabilitu olejového filmu, což způsobuje postupné zhoršování mazacího oleje, ale také, protože hřídelový proud prochází kovovým kontaktním bodem mezi ložiskem a hřídelí – velmi malým kontaktním bodem s vysokou proudovou hustotou – okamžitě generuje extrémně vysoké teploty, což způsobuje lokalizované roztavení ložiska. Roztavená ložisková slitina pod tlakem odvalování rozstřikuje a vypaluje malé důlky na vnitřním povrchu ložiska. Nakonec se ložisko zlomí v důsledku zrychleného mechanického opotřebení a ve vážných případech dojde k vyhoření pánve ložiska, což způsobí nehodu a vynutí vypnutí.

Napětí na hřídeli generátoru je vždy přítomno, ale obecně není vysoké, obvykle se pohybuje od několika voltů do tuctu voltů. Když však izolační podložky selžou kvůli olejovým skvrnám, poškození nebo stárnutí, napětí na hřídeli je dostatečné k narušení olejového filmu mezi hřídelí a ložiskem, což způsobí výboj. Postupem času se tím postupně zhorší kvalita mazacího a chladicího oleje a v těžkých případech dojde k vyhoření hřídele a ložisek, což má za následek nehodu z odstávky.

1. Příčiny napětí na hřídeli generátoru

(1) Napětí hřídele způsobené magnetickou asymetrií
Jedná se o střídavé napětí existující na obou koncích hřídele turbínového generátoru. Vzhledem k použití sektorově lisovaných lamel v jádru statoru, rozdílným excentricitám rotoru, rozdílné propustnosti sektorových lamel a vodicím drážkám hřídele používaných pro chlazení a upínání atd. je při výrobě a provozu generátoru způsobena magnetická asymetrie, která vede ke smyčce se střídavým magnetickým tokem včetně hřídele, ložisek a základové desky. To vytváří rozdíl napětí na obou koncích hřídele generátoru. Každý typ magnetické asymetrie způsobí složku napětí na hřídeli s odpovídající amplitudou a frekvencí. Různé složky napětí na hřídeli jsou superponovány, takže frekvenční složení tohoto napětí na hřídeli je velmi složité. Základní složka má největší amplitudu, 3. a 5. harmonická mají o něco menší amplitudy a vyšší harmonické složky mají velmi malé amplitudy. Toto napětí střídavého hřídele je obecně 1 ~ 10 V a má velké množství energie. Pokud nebudou přijata žádná účinná opatření, toto hřídelové napětí vytvoří smyčku skrz základovou desku hřídelového ložiska atd., čímž vznikne velký hřídelový proud. Elektrický oblouk způsobený proudem hřídele je aplikován mezi ložisko a povrch hřídele. Jeho hlavním důsledkem je opotřebení karbidu wolframu v ložisku a na povrchu hřídele a rychlé opotřebení mazacího oleje. To urychluje mechanické opotřebení ložiska a ve vážných případech může způsobit spálení pánve ložiska.

(2) Napětí hřídele způsobené elektrostatickým nábojem
Toto stejnosměrné napětí, objevující se mezi hřídelí a zemnící deskou, je za určitých podmínek generováno elektrostatickým nábojem vytvářeným třením mezi vysokorychlostně proudící mokrou párou a lopatkami nízkotlakého válce turbíny. Tento elektrostatický efekt se vyskytuje pouze příležitostně za určitých podmínek páry a není častý. V závislosti na provozních podmínkách může být tento typ napětí na hřídeli někdy velmi vysoké, dosahující stovek voltů, což při dotyku způsobuje brnění. Není snadno veden na stranu budiče, ale pokud nebudou přijata žádná opatření k vedení tohoto elektrostatického náboje do země, bude se hromadit na ložiskovém olejovém filmu na turbínové straně generátoru a nakonec se vybije na olejový film, což povede k poškození ložiska.

(3) Napětí na hřídeli způsobené statickým budicím systémem
V současné době velká soustrojí parních turbín obecně používají systém statického buzení. Vlivem tyristorové obloukové komutace je do systému statického buzení zaveden nový hřídelový zdroj napětí. Statický budicí systém dodává stejnosměrné napětí do budícího vinutí generátoru přes statický tyristorový usměrňovač a toto stejnosměrné napětí je pulsující napětí. U statického budícího systému využívajícího třífázový plně řízený můstek má průběh jeho budícího výstupního napětí 6 pulsů v rámci jednoho cyklu. Toto rychle se měnící pulzující napětí generuje střídavé napětí mezi hřídelí a zemí prostřednictvím kapacitní vazby mezi budicím vinutím generátoru a tělesem rotoru. Toto hřídelové napětí je pulzující a ve tvaru hrotu s frekvencí 300 Hz (když frekvence střídavého napětí budícího systému je 50 Hz). Je superponováno na hřídelovém napětí způsobeném magnetickou asymetrií, což způsobuje, že olejový film odolává vyššímu špičkovému napětí. Když se do určité míry zvýší, naruší olejový film a vytvoří proud, který způsobí popálení a poškození mechanických částí.

(4) Napětí na hřídeli způsobené zbytkovým magnetismem
Když je generátor vážně zkratován nebo za jiných abnormálních provozních podmínek, hlavní hřídel, ložiska, pouzdro a další součásti jsou často magnetizovány a zachovávají si určité množství zbytkového magnetismu. Magnetické čáry generují podélné větve na ložiscích, a když se hlavní hřídel jednotky otáčí, vzniká elektromotorická síla, nazývaná unipolární elektromotorická síla. Za normálních okolností je unipolární potenciál generovaný slabým zbytkovým magnetismem pouze v rozsahu milivoltů. Pokud však dojde ke zkratu mezi závity vinutí rotoru nebo dvoubodovým uzemněním, unipolární potenciál dosáhne několika voltů až desítek voltů, což vytváří velký proud hřídele. Tento proud protéká axiálně přes hřídel, ložiska a základovou desku, nejen že spálí hlavní hřídel a ložisková pouzdra, ale také silně magnetizuje tyto součásti, což ztěžuje údržbu jednotky.

2. Nebezpečí způsobená napětím na hřídeli generátoru Velikost napětí na hřídeli se liší v závislosti na konkrétní jednotce. Obecně platí, že čím větší je kapacita jednotky, tím větší je asymetrie v toku a struktuře vzduchové mezery. Čím větší jsou harmonické složky v magnetickém poli, tím vyšší je nasycení jádra a čím větší je nerovnoměrnost statoru, tím vyšší je špičkové napětí hřídele. Průběh hřídelového napětí má složité harmonické složky. Jednotky využívající staticky řiditelné buzení usměrňovačem mají ve tvaru vlny napětí na hřídeli vysokou složku impulsů, což je zvláště škodlivé pro izolaci olejového filmu. Když napětí na hřídeli dosáhne určité hodnoty, pokud nebudou přijata vhodná opatření, olejový film se rozpadne a vytvoří proud hřídele.

Pokud je hřídelový proud soustrojí parní turbíny velmi vysoký, shoří čepy, ložiska a další související součásti, kterými prochází hřídelový proud. Dojde k poškození hnacího šneku a šnekového kola hlavního olejového čerpadla turbíny. Elektrický oblouk způsobený proudem na hřídeli způsobí erozi součástí ložiska a stárnutí mazacího oleje ložiska, čímž se urychlí mechanické opotřebení ložiska. Hřídelový proud silně zmagnetizuje součásti turbíny, koncové kryty generátoru, ložiska a další součásti obklopující hřídel a vytvoří unipolární potenciál na čepech a oběžných kolech.

Když je napětí na hřídeli dostatečně vysoké, aby narušilo olejový film mezi hřídelí a ložisky, dojde k výboji. Výtlačný obvod je: hřídel generátoru – čep – ložisko – konzola ložiska – základna generátoru. Přestože napětí na hřídeli není vysoké (kolem 6V pro 300MW generátor), odpor obvodu je velmi malý. Proto může být generovaný proud hřídele velmi velký, někdy dosahující stovek ampér. Hřídelový proud bude postupně zhoršovat kvalitu mazacího a chladicího oleje a ve vážných případech spálí ložiska, což si vynutí vypnutí a způsobí nehodu. Při instalaci a provozu je proto nutné měřit a kontrolovat napětí mezi hřídelí generátoru a ložisky.

3. Opatření pro prevenci a eliminaci napětí na hřídeli generátoru

Obvykle se používají následující preventivní opatření:

(1) Při návrhu a instalaci se obvykle mezi ložiskovou konzolu na konci buzení generátoru a základnu instaluje izolační podložka. Současně jsou izolovány všechny olejové trubky, šrouby, svorníky atd.

(2) Na turbínové straně hřídele generátoru je navržen uzemňovací kartáč, který uvolňuje elektrostatický náboj v nízkotlaké části turbíny a zajišťuje, že potenciál hřídele a země je stejný.

Kromě eliminace napětí na hřídeli slouží zemnící kartáč hřídele také následujícím funkcím k ochraně motoru: a. Měření kladného a záporného napětí rotoru vůči zemi. b. Slouží jako ochrana proti jednobodovému uzemnění rotoru.

(3) Pro snížení napětí na hřídeli způsobené asymetrií magnetického obvodu v soustrojí turbogenerátoru se při návrhu generátoru zvažují opatření k odstranění nebo snížení třetí nebo páté harmonické složky napětí na hřídeli. Byla přijata zcela nová struktura generátoru a instalace přísně dodržuje procesní a konstrukční požadavky výrobce, aby se zabránilo excentricitě rotoru.

(4) Aby se zabránilo hřídelovému napětí generovanému jednobodovým zemnicím zkratem ve vinutí rotoru, je během provozu aktivováno dvoubodové uzemňovací zařízení pro obvod buzení. (5) Pro přerušení proudu hřídele nainstalujte izolační podložky na buzení, včetně mezi ložiska generátoru, olejová těsnění vodíkem chlazeného generátoru, vstupní a výstupní vodní podpěry a příruby vstupní/výstupní trubky vodou chlazeného rotoru generátoru a ocasní ložisko a základní desku rámu motoru. Upevňovací prvky ložiskových pouzder a olejové trubky připojené k ložiskovým skříním by měly být také izolovány od ložisek; lze použít dvojitá izolační opatření.

(6) Při návrhu motoru se vyvarujte asymetrie magnetického obvodu.

(7) Vyhněte se axiálnímu magnetickému toku během návrhu, výroby a provozu motoru.

(8) Izolujte ložisková pouzdra vůči zemi.

(9) Na hřídel nainstalujte zemnící kartáče.

(10) Použijte nemagnetická ložisková pouzdra nebo přídavné cívky.

(11) Přidejte k zemi na výstupní svorce kotvy stejnosměrného motoru přemosťovací kondenzátor.

4. Měření hřídelového napětí Izolace zemnících kartáčů rotoru a ložisek je zásadní pro ochranu generátoru před napětím na hřídeli a pro zajištění bezpečného provozu. Ve skutečném provozu může v důsledku faktorů, jako je instalace a zhoršení provozního prostředí a opotřebení, dojít ke špatnému uzemnění rotoru nebo snížené izolaci ložisek, což vede ke zvýšení napětí na hřídeli a proudu hřídele, což může nakonec poškodit generátor. Pravidelné měření napětí na hřídeli je proto nezbytné pro zlepšení provozu generátoru. Níže doporučujeme relativně jednoduchou metodu měření: Jak je znázorněno na obrázku výše, kde:

U1: Rozdíl napětí mezi dvěma konci hřídele rotoru generátoru. Za normálních okolností je to způsobeno hlavně magnetickou asymetrií rotoru. Výrobci obvykle poskytují empirická data; toto se doporučuje po každé drobné generální opravě změřit a porovnat s historickými údaji.

U2: Napětí zadní hřídele generátoru vůči zemi.

U3: Napětí kovové desky mezi izolačními vrstvami zadního ložiska generátoru a zemí.

A: Proud měřený na zemnicím vodiči předního uzemňovacího uhlíkového kartáče generátoru.

U2, U3 a A by měly být pravidelně měřeny během provozu. Změny v těchto datech mohou indikovat stav generátoru:

① U1 by měl být v rozsahu stanoveném výrobcem a neměl by se výrazně měnit ve srovnání s historickými údaji. V opačném případě je třeba zkontrolovat stav statoru a rotoru generátoru, aby se zjistila příčina.

② U2 ≈ U3 (normální hodnota). Pokud je U2 větší než U3 (normální hodnota), je třeba zkontrolovat uzemnění uhlíkového kartáče pro uzemnění hřídele. Za provozu lze k přední hřídeli připojit krátkodobý externí zemnící vodič pro uzemnění a poté měřit a porovnávat U2.

③ U3 by měl být blízko U2. Protože rozdíl mezi U2 a U3 představuje napětí aplikované na olejový film ložiska, nadměrné napětí může způsobit porušení olejového filmu. Doporučuje se, aby tento rozdíl nepřesáhl 4V, nebo aby U3 nebyl menší než 70 % U2. V opačném případě by měl být zkontrolován stav izolace ložiska vůči zemi, jako je kontaminace povrchu nebo stárnutí izolace.

④ Obecně se proud A protékající uhlíkovým kartáčem pro uzemnění hřídele pohybuje od několika miliampér do několika stovek miliampérů. Pokud se tato hodnota výrazně zvýší, měla by být ve spojení s měřením napětí na hřídeli zkontrolována izolace ložiska.