Uzroci, opasnosti i rješenja za napon osovine generatora

S povećanjem kapaciteta pojedinačnih generatorskih jedinica, napon osovine je postao ozbiljan problem za velike generatore koji prihvaćaju statičke sustave samouzbude. Valni oblik napona osovine sadrži složene harmonijske komponente impulsa, koje su posebno štetne za izolaciju uljnog filma. Kada napon osovine ne prelazi napon proboja uljnog filma, struja osovine je vrlo mala. Ako napon vratila premaši napon proboja uljnog sloja ležaja, u ležaju će se generirati velika struja vratila, takozvana EDM struja, koja će spaliti komponente ležaja i uzrokovati značajna oštećenja. Asimetrija magnetskog kruga, unipolarni učinak, kapacitivna struja, elektrostatički učinak, statički sustav pobude, trajna magnetizacija kućišta, osovine itd., mogu potencijalno uzrokovati napon osovine.

Napon osovine odnosi se na napon koji se stvara između dva kraja ležaja motora ili između osovine motora i ležaja tijekom rada motora. U normalnim okolnostima, kada je napon osovine nizak, film ulja za podmazivanje između osovine generatora i ležaja osigurava dobru izolaciju. Međutim, ako napon osovine poraste do određene vrijednosti iz nekog razloga, on će razbiti uljni film i isprazniti se, formirajući krug za generiranje struje osovine. Struja osovine ne samo da narušava stabilnost uljnog filma, uzrokujući postupno propadanje ulja za podmazivanje, već također, budući da struja osovine prolazi kroz metalnu kontaktnu točku između ležaja i osovine—vrlo malu kontaktnu točku s velikom gustoćom struje—trenutačno stvara ekstremno visoke temperature, uzrokujući lokalno taljenje ležaja. Otopljena legura ležaja, pod pritiskom kotrljanja, prska i spaljuje male rupice na unutarnjoj površini ležaja. Naposljetku, ležaj će se slomiti zbog ubrzanog mehaničkog trošenja, au težim će slučajevima kućište ležaja izgorjeti, uzrokujući nesreću i prisilno isključivanje.

Napon osovine generatora je uvijek prisutan, ali općenito nije visok, obično se kreće od nekoliko volti do desetak volti. Međutim, kada izolacijski jastučići zakažu zbog mrlja od ulja, oštećenja ili starenja, napon osovine je dovoljan da razbije uljni film između osovine i ležaja, uzrokujući pražnjenje. S vremenom će to postupno pogoršati kvalitetu ulja za podmazivanje i hlađenje, au težim će slučajevima izgorjeti osovina i ležajevi, što će dovesti do nesreće s gašenjem.

1. Uzroci napona osovine generatora

(1) Napon osovine uzrokovan magnetskom asimetrijom
To je izmjenični napon koji postoji na oba kraja osovine generatora turbine. Zbog upotrebe utisnutih lamela u obliku sektora u jezgri statora, različitih ekscentriciteta rotora, različite propusnosti lamela u obliku sektora i utora za vođenje osovine koji se koriste za hlađenje i stezanje, itd., proizvodnja i rad generatora uzrokuje magnetsku asimetriju, što rezultira izmjeničnom petljom magnetskog toka uključujući osovinu, ležajeve, i temeljna ploča. To stvara razliku napona na oba kraja osovine generatora. Svaka vrsta magnetske asimetrije uzrokovat će komponentu napona osovine s odgovarajućom amplitudom i frekvencijom. Različite komponente napona osovine su superponirane, čineći sastav frekvencije ovog napona osovine vrlo složenim. Osnovna komponenta ima najveću amplitudu, 3. i 5. harmonik imaju nešto manje amplitude, a komponente viših harmonika imaju vrlo male amplitude. Ovaj AC napon osovine je općenito 1~10V, i ima veliku količinu energije. Ako se ne poduzmu učinkovite mjere, ovaj napon osovine će stvoriti petlju kroz ploču temelja osovine, ležaja itd., generirajući veliku struju osovine. Električni luk uzrokovan strujom osovine primjenjuje se između ležaja i površine osovine. Njegova glavna posljedica je trošenje volfram karbida u ležaju i na površini vratila te brzo propadanje ulja za podmazivanje. To ubrzava mehaničko trošenje ležaja, au teškim slučajevima može uzrokovati izgaranje kućišta ležaja.

(2) Napon osovine uzrokovan elektrostatičkim nabojem
Ovaj istosmjerni napon, koji se pojavljuje između osovine i ploče za uzemljenje, generiran je elektrostatskim nabojem proizvedenim trenjem između mokre pare koja teče velikom brzinom i lopatica niskotlačnog cilindra turbine pod određenim uvjetima. Ovaj elektrostatički učinak javlja se samo povremeno pod određenim uvjetima pare i nije čest. Ovisno o radnim uvjetima, ova vrsta napona osovine ponekad može biti vrlo visoka, dosežući stotine volti, uzrokujući osjećaj bockanja pri dodiru. Nije ga lako prevesti na stranu uzbudnika, ali ako se ne poduzmu nikakve mjere za prevođenje ovog elektrostatskog naboja na tlo, nakupit će se na uljnom filmu ležaja na turbinskoj strani generatora i na kraju se isprazniti na uljnom filmu, što dovodi do oštećenja ležaja.

(3) Napon osovine uzrokovan statičkim sustavom uzbude
Trenutačno veliki generatori parnih turbina općenito koriste statički sustav pobude. Zbog utjecaja komutacije tiristorskog luka u statički sustav uzbude uvodi se novi izvor napona osovine. Sustav statičke uzbude dovodi istosmjerni napon na uzbudni namot generatora preko statičkog tiristorskog ispravljača, a taj istosmjerni napon je pulsirajući napon. Za statički sustav pobude koji koristi trofazni potpuno kontrolirani most, valni oblik njegovog izlaznog napona pobude ima 6 impulsa unutar jednog ciklusa. Ovaj pulsirajući napon koji se brzo mijenja stvara izmjenični napon između osovine i mase preko kapacitivne sprege između pobudnog namota generatora i tijela rotora. Ovaj napon osovine je pulsirajući i šiljastog oblika, s frekvencijom od 300 Hz (kada je frekvencija izmjeničnog napona uzbudnog sustava 50 Hz). On se superponira na napon osovine uzrokovan magnetskom asimetrijom, uzrokujući tako da uljni film izdrži viši skok napona. Kada se poveća do određene mjere, razbija uljni film, stvarajući struju koja uzrokuje gorenje i oštećenje mehaničkih dijelova.

(4) Napon osovine uzrokovan zaostalim magnetizmom
Kada je generator u ozbiljnom kratkom spoju ili pod drugim nenormalnim radnim uvjetima, glavna osovina, ležajevi, kućište i druge komponente često su magnetizirane i zadržavaju određenu količinu zaostalog magnetizma. Magnetski vodovi stvaraju uzdužne grane na ležajevima, a kada se glavna osovina jedinice okreće, stvara se elektromotorna sila, koja se naziva unipolarna elektromotorna sila. Pod normalnim okolnostima, unipolarni potencijal generiran slabim rezidualnim magnetizmom je samo u milivoltnom području. Međutim, kada postoji kratki spoj između zavoja namota rotora ili uzemljenja u dvije točke, unipolarni potencijal će doseći nekoliko volti do desetaka volti, generirajući veliku struju osovine. Ova struja teče aksijalno kroz osovinu, ležajeve i temeljnu ploču, ne samo da spaljuje glavnu osovinu i čahure ležaja, već i snažno magnetizira ove komponente, što otežava održavanje jedinice.

2. Opasnosti uzrokovane naponom osovine generatora Veličina napona osovine varira ovisno o specifičnoj jedinici. Općenito, što je veći kapacitet jedinice, veća je asimetrija u protoku i strukturi zračnog raspora. Što su veće harmonijske komponente u magnetskom polju, to je veće zasićenje jezgre, a što je veća neravnomjernost statora, to je veći vršni napon osovine. Valni oblik napona osovine ima složene harmonijske komponente. Jedinice koje koriste statički kontroliranu pobudu ispravljača imaju visoku komponentu impulsa u valnom obliku napona osovine, što je posebno štetno za izolaciju uljnog filma. Kada napon osovine dosegne određenu vrijednost, ako se ne poduzmu odgovarajuće mjere, uljni film će se razbiti, generirajući struju osovine.

Ako je struja osovine generatora parne turbine vrlo visoka, rukavci, ležajevi i druge povezane komponente kroz koje prolazi struja osovine će izgorjeti. Pogonski puž i pužni kotač glavne uljne pumpe turbine bit će oštećeni. Električni luk izazvan strujom vratila nagrizat će komponente ležaja i ostarjeti ulje za podmazivanje ležaja, čime se ubrzava mehaničko trošenje ležaja. Struja osovine snažno će magnetizirati komponente turbine, krajnje poklopce generatora, ležajeve i druge komponente koje okružuju osovinu, generirajući unipolarni potencijal na rukavcima i impelerima.

Kada je napon osovine dovoljno visok da razbije uljni film između osovine i ležajeva, dolazi do pražnjenja. Krug pražnjenja je: vratilo generatora — rukavac — ležaj — nosač ležaja — baza generatora. Iako napon osovine nije visok (oko 6 V za generator od 300 MW), otpor kruga je vrlo mali. Stoga generirana struja osovine može biti vrlo velika, ponekad dosežući stotine ampera. Struja vratila postupno će pogoršati kvalitetu ulja za podmazivanje i hlađenje, au težim će slučajevima izgorjeti ležajevi, prisiljavajući gašenje i uzrokujući nesreću. Stoga se tijekom instalacije i rada mora mjeriti i provjeravati napon između osovine generatorskog agregata i ležajeva.

3. Mjere za sprječavanje i uklanjanje napona osovine generatora

Obično se koriste sljedeće preventivne mjere:

(1) Tijekom projektiranja i ugradnje, izolacijska podloga obično se ugrađuje između nosača ležaja na uzbudnom kraju generatora i baze. Istovremeno, sve cijevi za ulje, vijci, vijci itd. su izolirani.

(2) Četka za uzemljenje dizajnirana je na turbinskoj strani osovine generatora za oslobađanje elektrostatičkog naboja u niskotlačnom dijelu turbine, osiguravajući da su potencijali osovine i zemlje isti.

Osim uklanjanja napona osovine, četkica za uzemljenje osovine također služi sljedećim funkcijama za zaštitu motora: a. Mjerenje pozitivnog i negativnog napona rotora prema masi. b. Služi kao zaštita od jednotočkastog uzemljenja rotora.

(3) Kako bi se smanjio napon osovine uzrokovan asimetrijom magnetskog kruga u turbogeneratorskom agregatu, tijekom projektiranja generatora razmatraju se mjere za uklanjanje ili smanjenje komponente trećeg ili petog harmonika u naponu osovine. Usvojena je potpuno nova struktura generatora, a instalacija strogo slijedi proces i zahtjeve proizvođača kako bi se spriječila ekscentričnost rotora.

(4) Kako bi se spriječio napon osovine koji nastaje kratkim spojem uzemljenja u jednoj točki u namotima rotora, tijekom rada se aktivira zaštitni uređaj za uzemljenje u dvije točke za krug pobude. (5) Kako biste prekinuli struju osovine, postavite izolacijske jastučiće na kraj pobude, uključujući između ležajeva generatora, uljnih brtvi generatora hlađenog vodikom, ulaznih i izlaznih vodenih oslonaca i prirubnica ulazno/izlazne cijevi vodeno hlađenog rotora generatora te repnog ležaja i osnovne ploče okvira motora. Spojne elemente kućišta ležaja i cijevi za ulje spojene na kućišta ležaja također treba izolirati od ležajeva; mogu se koristiti mjere dvostruke izolacije.

(6) Izbjegavajte asimetriju magnetskog kruga tijekom projektiranja motora.

(7) Izbjegavajte aksijalni magnetski tok tijekom projektiranja, proizvodnje i rada motora.

(8) Izolirajte kućišta ležaja od mase.

(9) Postavite četke za uzemljenje na osovinu.

(10) Koristite nemagnetska kućišta ležajeva ili dodatne zavojnice.

(11) Dodajte premosni kondenzator na masu na izlaznom priključku armature istosmjernog motora.

4. Mjerenje napona osovine Izolacija četkica za uzemljenje rotora i ležajeva ključna je za zaštitu generatora od napona osovine i osiguranje sigurnog rada. U stvarnom radu, zbog čimbenika kao što su instalacija i pogoršanje radnog okruženja i trošenja, može doći do lošeg uzemljenja rotora ili smanjene izolacije ležaja, što dovodi do povećanog napona i struje vratila, što u konačnici može oštetiti generator. Stoga je redovito mjerenje napona osovine neophodno za poboljšanje rada generatora. U nastavku preporučujemo relativno jednostavnu metodu mjerenja: Kao što je prikazano na gornjem dijagramu, gdje:

U1: Razlika napona između dva kraja osovine rotora generatora. U normalnim okolnostima, to je uglavnom uzrokovano magnetskom asimetrijom rotora. Proizvođači obično daju empirijske podatke; preporuča se to izmjeriti nakon svakog manjeg remonta i usporediti s povijesnim podacima.

U2: Napon stražnje osovine generatora prema masi.

U3: Napon metalne ploče između izolacijskih slojeva stražnjeg ležaja generatora i mase.

A: Struja izmjerena na uzemljenju prednjeg dijela generatora za uzemljenje ugljene četkice.

U2, U3 i A treba povremeno mjeriti tijekom rada. Promjene u ovim podacima mogu ukazivati na stanje generatora:

① U1 bi trebao biti unutar raspona koji je naveo proizvođač i ne bi se trebao značajno mijenjati u usporedbi s povijesnim podacima. Inače, stanje statora i rotora generatora treba provjeriti kako bi se utvrdio uzrok.

② U2 ≈ U3 (normalna vrijednost). Ako je U2 veći od U3 (normalna vrijednost), potrebno je provjeriti uzemljenje ugljene četkice za uzemljenje osovine. Tijekom rada, kratkotrajna vanjska žica za uzemljenje može se spojiti na prednju osovinu za uzemljenje, a zatim se U2 može izmjeriti i usporediti.

③ U3 treba biti blizu U2. Budući da razlika između U2 i U3 predstavlja napon koji se primjenjuje na uljni film ležaja, pretjerani napon može uzrokovati kvar uljnog filma. Preporuča se da ta razlika ne prelazi 4V, ili da U3 ne bude manji od 70% U2. Inače, treba provjeriti stanje izolacije ležaja prema masi, kao što je površinska kontaminacija ili starenje izolacije.

④ Općenito, struja A koja teče kroz ugljenu četkicu za uzemljenje osovine kreće se od nekoliko miliampera do nekoliko stotina miliampera. Ako se ova vrijednost značajno poveća, potrebno je provjeriti izolaciju ležaja zajedno s mjerenjem napona vratila.