Cauze, pericole și soluții pentru tensiunea arborelui generatorului

Odată cu creșterea capacității unităților cu un singur generator, tensiunea arborelui a devenit o problemă serioasă pentru generatoarele mari care adoptă sisteme statice de autoexcitare. Forma de undă a tensiunii arborelui conține componente complexe ale impulsurilor armonice, care sunt deosebit de dăunătoare pentru izolarea peliculei de ulei. Când tensiunea arborelui nu depășește tensiunea de defalcare a peliculei de ulei, curentul arborelui este foarte mic. Dacă tensiunea arborelui depășește tensiunea de rupere a stratului de ulei al rulmentului, în rulment va fi generat un curent mare de arbore, așa-numitul curent EDM, care va arde componentele rulmentului și va cauza daune semnificative. Asimetria circuitului magnetic, efectul unipolar, curentul capacitiv, efectul electrostatic, sistemul de excitație statică, magnetizarea permanentă a carcasei, arborelui etc., toate pot cauza tensiunea arborelui.

Tensiunea arborelui se referă la tensiunea generată între cele două capete de lagăr ale unui motor sau între arborele motorului și rulment în timpul funcționării motorului. În circumstanțe normale, când tensiunea arborelui este scăzută, pelicula de ulei lubrifiant dintre arborele generatorului și rulment asigură o bună izolație. Cu toate acestea, dacă tensiunea arborelui crește la o anumită valoare dintr-un anumit motiv, va sparge pelicula de ulei și se va descărca, formând un circuit pentru generarea curentului arborelui. Curentul arborelui nu numai că perturbă stabilitatea peliculei de ulei, determinând deteriorarea treptată a uleiului de lubrifiere, dar și, deoarece curentul arborelui trece prin punctul de contact metalic dintre rulment și arbore - un punct de contact foarte mic cu o densitate mare de curent - generează instantaneu temperaturi extrem de ridicate, provocând topirea localizată a rulmentului. Aliajul de rulmenți topit, sub presiunea rulării, stropește și arde mici gropi de pe suprafața interioară a rulmentului. În cele din urmă, rulmentul se va rupe din cauza uzurii mecanice accelerate, iar în cazuri severe, carcasa rulmentului se va arde, provocând un accident și forțând o oprire.

Tensiunea la arborele generatorului este întotdeauna prezentă, dar în general nu este ridicată, de obicei variind de la câțiva volți la o duzină de volți. Cu toate acestea, atunci când plăcuțele izolatoare se defectează din cauza petelor de ulei, deteriorării sau îmbătrânirii, tensiunea arborelui este suficientă pentru a sparge pelicula de ulei dintre arbore și rulment, provocând o descărcare. În timp, acest lucru va deteriora treptat calitatea uleiului de lubrifiere și de răcire și, în cazuri grave, va arde arborele și rulmenții, ducând la un accident de oprire.

1. Cauzele tensiunii arborelui generatorului

(1) Tensiunea arborelui cauzată de asimetria magnetică
Este o tensiune AC existentă la ambele capete ale arborelui generatorului turbinei. Datorită utilizării laminațiilor ștanțate în formă de sector în miezul statorului, excentricităților diferite ale rotorului, permeabilității diferite a laminărilor în formă de sector și a șanțurilor de ghidare a arborelui utilizate pentru răcire și strângere etc., asimetria magnetică este cauzată de fabricarea și funcționarea generatorului, rezultând o alternanță de flux magnetic, bucla și bucla de lagăr a arborelui. Aceasta generează o diferență de tensiune la ambele capete ale arborelui generatorului. Fiecare tip de asimetrie magnetică va determina o componentă de tensiune a arborelui cu amplitudinea și frecvența corespunzătoare. Diferitele componente ale tensiunii arborelui sunt suprapuse, ceea ce face compoziția de frecvență a acestei tensiuni arbore foarte complexă. Componenta fundamentală are cea mai mare amplitudine, armonicile a 3-a și a 5-a au amplitudini puțin mai mici, iar componentele armonice superioare au amplitudini foarte mici. Această tensiune a arborelui AC este în general 1 ~ 10V și are o cantitate mare de energie. Dacă nu se iau măsuri eficiente, această tensiune a arborelui va forma o buclă prin placa arbore-lagăr-fundație etc., generând un curent mare de arbore. Arcul electric cauzat de curentul arborelui este aplicat între rulment și suprafața arborelui. Principala sa consecință este uzura carburii de tungsten din rulment și pe suprafața arborelui și deteriorarea rapidă a uleiului de lubrifiere. Acest lucru accelerează uzura mecanică a rulmentului și, în cazuri severe, poate provoca arderea carcasei rulmentului.

(2) Tensiunea arborelui cauzată de sarcina electrostatică
Această tensiune de curent continuu, care apare între arbore și placa de împământare, este generată de sarcina electrostatică produsă de frecarea dintre aburul umed care curge de mare viteză și paletele cilindrului de joasă presiune a turbinei în anumite condiții. Acest efect electrostatic apare doar ocazional în anumite condiții de abur și nu este frecvent. În funcție de condițiile de funcționare, acest tip de tensiune pe arbore poate fi uneori foarte mare, ajungând la sute de volți, provocând o senzație de furnicături la atingere. Nu este ușor de condus către partea excitatorului, dar dacă nu se iau măsuri pentru a conduce această încărcare electrostatică la sol, se va acumula pe pelicula de ulei al rulmentului de pe partea turbinei generatorului și, în cele din urmă, se va descărca pe pelicula de ulei, ducând la deteriorarea rulmentului.

(3) Tensiunea arborelui cauzată de sistemul de excitație statică
În prezent, seturile mari de generatoare cu turbine cu abur utilizează în general un sistem de excitație statică. Datorită influenței comutației arcului tiristor, o nouă sursă de tensiune a arborelui este introdusă în sistemul de excitație statică. Sistemul de excitație statică furnizează tensiune DC bobinării de excitație a generatorului printr-un redresor cu tiristor static, iar această tensiune DC este o tensiune pulsatorie. Pentru un sistem de excitație statică care utilizează o punte trifazată complet controlată, forma de undă a tensiunii sale de ieșire de excitare are 6 impulsuri într-un ciclu. Această tensiune pulsatorie care se schimbă rapid generează o tensiune AC între arbore și masă prin cuplarea capacitivă între înfășurarea de excitație a generatorului și corpul rotorului. Această tensiune de arbore este pulsatorie și în formă de vârf, cu o frecvență de 300 Hz (când frecvența tensiunii AC a sistemului de excitație este de 50 Hz). Este suprapusă tensiunii arborelui cauzată de asimetria magnetică, determinând astfel filmul de ulei să reziste la o tensiune de vârf mai mare. Când crește într-o anumită măsură, descompune pelicula de ulei, formând un curent care provoacă arderea și deteriorarea pieselor mecanice.

(4) Tensiunea arborelui cauzată de magnetismul rezidual
Când generatorul este scurtcircuitat grav sau în alte condiții de funcționare anormale, arborele principal, rulmenții, carcasa și alte componente sunt adesea magnetizate și păstrează o anumită cantitate de magnetism rezidual. Liniile magnetice generează ramuri longitudinale la rulmenți, iar atunci când arborele principal al unității se rotește, se generează o forță electromotoare, numită forță electromotoare unipolară. În circumstanțe normale, potențialul unipolar generat de magnetismul rezidual slab este doar în intervalul de milivolti. Cu toate acestea, atunci când există un scurtcircuit între spirele înfășurării rotorului sau împământarea în două puncte, potențialul unipolar va atinge câțiva volți până la zeci de volți, generând un curent mare de arbore. Acest curent circulă axial prin arbore, rulmenți și placa de fundație, nu numai că arde arborele principal și bucșele lagărelor, ci și magnetizează puternic aceste componente, ceea ce face dificilă întreținerea unității.

2. Pericole cauzate de tensiunea arborelui generatorului Mărimea tensiunii arborelui variază în funcție de unitatea specifică. În general, cu cât capacitatea unității este mai mare, cu atât este mai mare asimetria în fluxul și structura întrefierului său. Cu cât componentele armonice din câmpul magnetic sunt mai mari, cu atât este mai mare saturația miezului și cu cât denivelările statorului sunt mai mari, cu atât tensiunea de vârf este mai mare. Forma de undă a tensiunii arborelui are componente armonice complexe. Unitățile care utilizează excitația redresorului controlabil static au o componentă de impuls ridicată în forma de undă a tensiunii arborelui, care este deosebit de dăunătoare pentru izolația peliculei de ulei. Când tensiunea arborelui atinge o anumită valoare, dacă nu se iau măsurile adecvate, pelicula de ulei se va rupe, generând curent la arbore.

Dacă curentul de arbore al unui grup generator cu turbină cu abur este foarte mare, suporturile, rulmenții și alte componente aferente prin care trece curentul arborelui se vor arde. Vimelul de antrenare și roata melcului pompei principale de ulei a turbinei vor fi deteriorate. Arcul electric cauzat de curentul arborelui va eroda componentele rulmentului și va îmbătrâni uleiul de lubrifiere a rulmentului, accelerând astfel uzura mecanică a rulmentului. Curentul arborelui va magnetiza puternic componentele turbinei, capacele de capăt ale generatorului, lagărele și alte componente din jurul arborelui, generând un potențial unipolar la pivoturi și rotoare.

Când tensiunea arborelui este suficient de mare pentru a sparge pelicula de ulei dintre arbore și rulmenți, are loc o descărcare. Circuitul de refulare este: arbore generator—journal—lagăr—suport lagăr—bază generator. Deși tensiunea arborelui nu este mare (în jur de 6V pentru un generator de 300MW), rezistența circuitului este foarte mică. Prin urmare, curentul generat de arbore poate fi foarte mare, ajungând uneori la sute de amperi. Curentul arborelui va deteriora treptat calitatea uleiului de lubrifiere și de răcire și, în cazuri grave, va arde rulmenții, forțând o oprire și provocând un accident. Prin urmare, în timpul instalării și exploatării, tensiunea dintre arborele grupului generator și lagăre trebuie măsurată și verificată.

3. Măsuri de prevenire și eliminare pentru tensiunea arborelui generatorului

Următoarele măsuri preventive sunt de obicei adoptate:

(1) În timpul proiectării și instalării, un tampon izolator este de obicei instalat între suportul rulmentului de la capătul de excitare a generatorului și bază. Simultan, toate conductele de ulei, șuruburile, șuruburile etc., sunt izolate.

(2) O perie de împământare este proiectată pe partea turbină a arborelui generatorului pentru a elibera sarcini electrostatice în secțiunea de joasă presiune a turbinei, asigurându-se că arborele și potențialul de masă sunt același.

Pe lângă eliminarea tensiunii arborelui, peria de împământare a arborelui servește și următoarelor funcții pentru a proteja motorul: a. Măsurarea tensiunilor pozitive și negative ale rotorului la masă. b. Servește ca protecție împotriva împământarii într-un singur punct a rotorului.

(3) Pentru a reduce tensiunea arborelui cauzată de asimetria circuitului magnetic în grupul generator cu turbină, în timpul proiectării generatorului sunt luate în considerare măsuri de eliminare sau reducere a componentelor armonice a treia sau a cincea din tensiunea arborelui. Este adoptată o structură complet nouă a generatorului, iar instalarea urmează cu strictețe procesul și cerințele de proiectare ale producătorului pentru a preveni excentricitatea rotorului.

(4) Pentru a preveni tensiunea arborelui generată de un scurtcircuit de împământare într-un singur punct în înfășurările rotorului, în timpul funcționării este activat un dispozitiv de protecție la împământare în două puncte pentru circuitul de excitație. (5) Pentru a întrerupe curentul arborelui, instalați plăcuțe izolatoare la capătul de excitație, inclusiv între lagărele generatorului, garniturile de ulei ale generatorului răcit cu hidrogen, suporturile de intrare și ieșire a apei și flanșele conductei de intrare/ieșire ale rotorului generatorului răcit cu apă și rulmentul de coadă și placa de bază a cadrului motorului. Elementele de fixare ale carcaselor lagărelor și conductele de ulei conectate la carcasele rulmenților trebuie, de asemenea, izolate de rulmenți; pot fi utilizate măsuri de izolare dublă.

(6) Evitați asimetria circuitului magnetic în timpul proiectării motorului.

(7) Evitați fluxul magnetic axial în timpul proiectării, producției și funcționării motorului.

(8) Izolați carcasele rulmenților de masă.

(9) Instalați perii de împământare pe arbore.

(10) Utilizați carcase de rulmenți nemagnetice sau bobine suplimentare.

(11) Adăugați un condensator de bypass la masă la borna de ieșire a armăturii motorului de curent continuu.

4. Măsurarea tensiunii arborelui Izolarea periilor și a rulmenților de împământare a rotorului este crucială pentru protejarea generatorului de tensiunea arborelui și pentru asigurarea funcționării în siguranță. În funcționarea efectivă, din cauza unor factori precum instalarea și deteriorarea mediului de operare și uzura, pot apărea o împământare slabă a rotorului sau o izolație scăzută a rulmentului, ceea ce duce la creșterea tensiunii arborelui și a curentului arborelui, ceea ce poate deteriora în cele din urmă generatorul. Prin urmare, măsurarea regulată a tensiunii arborelui este esențială pentru îmbunătățirea funcționării generatorului. Mai jos, vă recomandăm o metodă de măsurare relativ simplă: După cum se arată în diagrama de mai sus, unde:

U1: Diferența de tensiune între cele două capete ale arborelui rotorului generatorului. În circumstanțe normale, acest lucru este cauzat în principal de asimetria magnetică a rotorului. Producătorii furnizează de obicei date empirice; se recomandă măsurarea acesteia după fiecare revizie minoră și compararea cu datele istorice.

U2: Tensiunea arborelui din spate al generatorului la masă.

U3: Tensiunea plăcii metalice dintre straturile izolatoare ale lagărului din spate al generatorului la masă.

R: Curentul măsurat pe cablul de împământare al periei de cărbune de împământare frontală a generatorului.

U2, U3 și A trebuie măsurate periodic în timpul funcționării. Modificările acestor date pot indica starea generatorului:

① U1 ar trebui să se încadreze în intervalul furnizat de producător și nu ar trebui să se modifice semnificativ în comparație cu datele istorice. În caz contrar, starea statorului și a rotorului generatorului ar trebui verificată pentru a determina cauza.

② U2 ≈ U3 (valoare normală). Dacă U2 este mai mare decât U3 (valoarea normală), trebuie verificată împământarea periei de cărbune a arborelui. În timpul funcționării, un fir de împământare extern pe termen scurt poate fi conectat la arborele frontal pentru împământare, iar apoi U2 poate fi măsurat și comparat.

③ U3 ar trebui să fie aproape de U2. Deoarece diferența dintre U2 și U3 reprezintă tensiunea aplicată filmului de ulei al rulmenților, tensiunea excesivă poate cauza defectarea peliculei de ulei. Se recomandă ca această diferență să nu depășească 4V sau ca U3 să nu fie mai mic de 70% din U2. În caz contrar, trebuie verificată starea izolației rulmentului față de pământ, cum ar fi contaminarea suprafeței sau îmbătrânirea izolației.

④ În general, curentul A care curge prin peria de carbon de împământare a arborelui variază de la câțiva miliamperi la câteva sute de miliamperi. Dacă această valoare crește semnificativ, izolația rulmentului trebuie verificată împreună cu măsurarea tensiunii arborelui.