Årsaker, farer og løsninger for generatorakselspenning

Med den økende kapasiteten til enkeltgeneratorenheter har akselspenning blitt et alvorlig problem for store generatorer som tar i bruk statiske selveksiteringssystemer. Akselspenningens bølgeform inneholder komplekse harmoniske pulskomponenter, som er spesielt skadelige for oljefilmisolasjonen. Når akselspenningen ikke overstiger oljefilmens nedbrytningsspenning, er akselstrømmen svært liten. Hvis akselspenningen overstiger nedbrytningsspenningen for lageroljelaget, vil det genereres en stor akselstrøm i lageret, den såkalte EDM-strømmen, som vil brenne lagerkomponenter og forårsake betydelig skade. Magnetisk kretsasymmetri, unipolar effekt, kapasitiv strøm, elektrostatisk effekt, statisk eksitasjonssystem, permanent magnetisering av foringsrøret, akselen, etc., kan alle potensielt forårsake akselspenning.

Akselspenning refererer til spenningen som genereres mellom de to lagerendene av en motor eller mellom motorakselen og lageret under motordrift. Under normale omstendigheter, når akselspenningen er lav, gir smøreoljefilmen mellom generatorakselen og lageret god isolasjon. Men hvis akselspenningen stiger til en viss verdi av en eller annen grunn, vil den bryte ned oljefilmen og utlades, og danne en krets for generering av akselstrøm. Akselstrøm forstyrrer ikke bare stabiliteten til oljefilmen, noe som fører til at smøreoljen gradvis forringes, men også fordi akselstrømmen går gjennom metallkontaktpunktet mellom lageret og akselen - et veldig lite kontaktpunkt med høy strømtetthet - genererer den ekstremt høye temperaturer øyeblikkelig, noe som forårsaker lokalisert smelting av akselen. Den smeltede lagerlegeringen, under press av rullende, spruter og brenner små groper på den indre overflaten av lageret. Til syvende og sist vil lageret gå i stykker på grunn av akselerert mekanisk slitasje, og i alvorlige tilfeller vil lagerskallet brenne ut, forårsake en ulykke og tvinge til en stans.

Generatorakselspenningen er alltid til stede, men den er vanligvis ikke høy, vanligvis fra noen få volt til et dusin volt. Men når isolasjonsputene svikter på grunn av oljeflekker, skade eller aldring, er akselspenningen tilstrekkelig til å bryte ned oljefilmen mellom akselen og lageret, noe som forårsaker utladning. Over tid vil dette gradvis forringe kvaliteten på smøre- og kjøleoljen, og i alvorlige tilfeller vil det brenne ut akselen og lagrene, noe som resulterer i en nedstengningsulykke.

1. Årsaker til generatorakselspenning

(1) Akselspenning forårsaket av magnetisk asymmetri
Det er en AC-spenning som eksisterer i begge ender av turbingeneratorakselen. På grunn av bruken av sektorformede stemplede lamineringer i statorkjernen, de forskjellige eksentrisitetene til rotoren, den forskjellige permeabiliteten til de sektorformede lamineringene, og akselføringssporene som brukes til kjøling og fastspenning, etc., forårsakes magnetisk asymmetri av generatorens produksjon og drift, noe som resulterer i en alternerende aksel- og sløyfe, inkludert sløyfe, plate. Dette genererer en spenningsforskjell i begge ender av generatorakselen. Hver type magnetisk asymmetri vil forårsake en akselspenningskomponent med tilsvarende amplitude og frekvens. De ulike akselspenningskomponentene er overlagret, noe som gjør frekvenssammensetningen til denne akselspenningen svært kompleks. Den fundamentale komponenten har størst amplitude, 3. og 5. harmoniske har litt mindre amplituder, og de høyere harmoniske komponentene har svært små amplituder. Denne AC-akselspenningen er vanligvis 1 ~ 10V, og den har en stor mengde energi. Hvis det ikke iverksettes effektive tiltak, vil denne akselspenningen danne en sløyfe gjennom aksellager-fundamentplaten osv., og generere en stor akselstrøm. Den elektriske lysbuen forårsaket av akselstrøm påføres mellom lageret og akseloverflaten. Hovedkonsekvensen er slitasje på wolframkarbiden i lageret og på akseloverflaten, og rask forringelse av smøreoljen. Dette akselererer den mekaniske slitasjen på lageret, og kan i alvorlige tilfeller føre til at lagerskallet brenner ut.

(2) Akselspenning forårsaket av elektrostatisk ladning
Denne likespenningen, som vises mellom akselen og jordingsplaten, genereres av den elektrostatiske ladningen som produseres av friksjonen mellom den høyhastighetsstrømmende våte dampen og turbinens lavtrykkssylinderblader under visse forhold. Denne elektrostatiske effekten oppstår bare av og til under visse dampforhold og er ikke hyppig. Avhengig av driftsforholdene kan denne typen akselspenning noen ganger være veldig høy, og nå hundrevis av volt, og forårsake en prikkende følelse ved berøring. Det er ikke lett å lede til magnetiseringssiden, men hvis det ikke iverksettes tiltak for å lede denne elektrostatiske ladningen til bakken, vil den samle seg på lageroljefilmen på turbinsiden av generatoren og til slutt utlades på oljefilmen, noe som fører til lagerskade.

(3) Akselspenning forårsaket av statisk eksitasjonssystem
For tiden bruker store dampturbingeneratorsett generelt et statisk eksitasjonssystem. På grunn av påvirkningen av tyristorbuekommutering, introduseres en ny akselspenningskilde i det statiske eksitasjonssystemet. Det statiske eksiteringssystemet leverer likespenning til generatorens eksitasjonsvikling gjennom en statisk tyristor likeretter, og denne likespenningen er en pulserende spenning. For et statisk eksitasjonssystem som bruker en trefase fullt kontrollert bro, har bølgeformen til eksitasjonsutgangsspenningen 6 pulser i løpet av en syklus. Denne raskt skiftende pulserende spenningen genererer en AC-spenning mellom akselen og jord gjennom kapasitiv kobling mellom generatorens eksitasjonsvikling og rotorkroppen. Denne akselspenningen er pulserende og piggformet, med en frekvens på 300Hz (når vekselstrømsspenningsfrekvensen til eksitasjonssystemet er 50Hz). Den legges over akselspenningen forårsaket av magnetisk asymmetri, og får dermed oljefilmen til å tåle en høyere piggspenning. Når den øker til en viss grad, bryter den ned oljefilmen, og danner en strøm som forårsaker forbrenning og skader på mekaniske deler.

(4) Akselspenning forårsaket av restmagnetisme
Når generatoren er alvorlig kortsluttet eller under andre unormale driftsforhold, er hovedakselen, lagrene, huset og andre komponenter ofte magnetisert og beholder en viss mengde restmagnetisme. Magnetiske linjer genererer langsgående grener ved lagrene, og når hovedakselen til enheten roterer, genereres en elektromotorisk kraft, kalt en unipolar elektromotorisk kraft. Under normale omstendigheter er det unipolare potensialet generert av svak gjenværende magnetisme bare i millivoltområdet. Men når det er en kortslutning mellom rotorviklingen eller topunktsjording, vil det unipolare potensialet nå flere volt til titalls volt, og generere en stor akselstrøm. Denne strømmen flyter aksialt gjennom akselen, lagrene og fundamentplaten, og brenner ikke bare ut hovedakselen og lagerbøsningene, men magnetiserer også disse komponentene sterkt, noe som gjør vedlikeholdet av enheten vanskelig.

2. Farer forårsaket av generatorakselspenning Størrelsen på akselspenningen varierer avhengig av den spesifikke enheten. Generelt, jo større enhetskapasitet, desto større er asymmetrien i luftspaltefluksen og strukturen. Jo større harmoniske komponentene i magnetfeltet er, desto høyere kjernemetning, og jo større ujevnhet i stator, desto høyere akselspenning. Akselspenningsbølgeformen har komplekse harmoniske komponenter. Enheter som bruker statisk kontrollerbar likerettereksitasjon har en høy pulskomponent i akselspenningsbølgeformen, som er spesielt skadelig for oljefilmisolasjonen. Når akselspenningen når en viss verdi, hvis hensiktsmessige tiltak ikke tas, vil oljefilmen brytes ned og generere akselstrøm.

Hvis akselstrømmen til et dampturbingeneratorsett er veldig høy, vil tappene, lagrene og andre relaterte komponenter som akselstrømmen går gjennom, brenne ut. Drivormen og snekkehjulet til turbinens hovedoljepumpe vil bli skadet. Den elektriske lysbuen forårsaket av akselstrømmen vil erodere lagerkomponenter og elde lagersmøreoljen, og dermed akselerere lagerets mekaniske slitasje. Akselstrømmen vil sterkt magnetisere turbinkomponenter, generatorendedeksler, lagre og andre komponenter som omgir akselen, og genererer et unipolart potensial ved akseltappene og løpehjulene.

Når akselspenningen er høy nok til å bryte ned oljefilmen mellom akselen og lagrene, oppstår en utladning. Utladningskretsen er: generatoraksel—tapp—lager—lagerbrakett—generatorbase. Selv om akselspenningen ikke er høy (rundt 6V for en 300MW generator), er kretsmotstanden veldig liten. Derfor kan den genererte akselstrømmen være veldig stor, noen ganger nå hundrevis av ampere. Akselstrømmen vil gradvis forringe kvaliteten på smøre- og kjøleoljen, og i alvorlige tilfeller vil den brenne ut lagrene, tvinge en avstengning og forårsake en ulykke. Under installasjon og drift må derfor spenningen mellom generatorsettets aksel og lagre måles og kontrolleres.

3. Forebygging og elimineringstiltak for generatorakselspenning

Følgende forebyggende tiltak blir vanligvis vedtatt:

(1) Under design og installasjon er det vanligvis installert en isolerende pute mellom lagerbraketten ved generatorens eksiteringsende og basen. Samtidig er alle oljerør, skruer, bolter etc. isolert.

(2) En jordingsbørste er utformet på turbinsiden av generatorakselen for å frigjøre elektrostatiske ladninger i lavtrykksdelen av turbinen, og sikre at akselen og jordpotensialet er det samme.

I tillegg til å eliminere akselspenning, tjener akseljordingsbørsten også følgende funksjoner for å beskytte motoren: a. Måling av positive og negative rotorspenninger til jord. b. Fungerer som beskyttelse mot ettpunkts jording av rotoren.

(3) For å redusere akselspenning forårsaket av magnetisk kretsasymmetri i turbingeneratorsettet, vurderes tiltak for å eliminere eller redusere den tredje eller femte harmoniske komponenten i akselspenningen under generatordesign. En helt ny generatorstruktur er tatt i bruk, og installasjonen følger strengt produsentens prosess- og designkrav for å forhindre rotoreksentrisitet.

(4) For å forhindre akselspenning generert av en ettpunkts jordingskortslutning i rotorviklingene, aktiveres en topunkts jordingsbeskyttelsesanordning for magnetiseringskretsen under drift. (5) For å kutte akselstrømmen, installer isolasjonsputer ved magnetiseringsenden, inkludert mellom generatorlagrene, oljetetningene til den hydrogenkjølte generatoren, innløps- og utløpsvannstøttene og innløps-/utløpsrørflensene til den vannkjølte generatorrotoren, og halelageret og bunnplaten til motorrammen. Festene til lagerhusene og oljerørene koblet til lagerhusene bør også isoleres fra lagrene; doble isolasjonstiltak kan benyttes.

(6) Unngå magnetisk kretsasymmetri under motordesign.

(7) Unngå aksial magnetisk fluks under motordesign, produksjon og drift.

(8) Isoler lagerhusene til bakken.

(9) Installer jordingsbørster på akselen.

(10) Bruk ikke-magnetiske lagerhus eller ekstra spoler.

(11) Legg til en bypass-kondensator til jord ved ankerutgangsterminalen til DC-motoren.

4. Måling av akselspenning Isolasjonen til rotorjordingsbørstene og lagrene er avgjørende for å beskytte generatoren mot akselspenning og sikre sikker drift. I faktisk drift, på grunn av faktorer som installasjon og forringelse av driftsmiljøet og slitasje, kan dårlig rotorjording eller redusert lagerisolasjon oppstå, noe som fører til økt akselspenning og akselstrøm, som til slutt kan skade generatoren. Derfor er regelmessig måling av akselspenningen avgjørende for å forbedre generatordriften. Nedenfor anbefaler vi en relativt enkel målemetode: Som vist i diagrammet ovenfor, hvor:

U1: Spenningsforskjell mellom de to endene av generatorrotorakselen. Under normale omstendigheter er dette hovedsakelig forårsaket av rotormagnetisk asymmetri. Produsenter gir vanligvis empiriske data; det anbefales å måle dette etter hver mindre overhaling og sammenligne det med historiske data.

U2: Spenning av generatorens bakaksel til jord.

U3: Spenning av metallplaten mellom isolasjonslagene til generatorens baklager til jord.

A: Strøm målt på jordingsledningen til generatorens frontende jordede karbonbørste.

U2, U3 og A bør måles med jevne mellomrom under drift. Endringer i disse dataene kan indikere generatorens tilstand:

① U1 skal være innenfor området gitt av produsenten og bør ikke endres vesentlig sammenlignet med historiske data. Ellers bør tilstanden til generatorens stator og rotor kontrolleres for å fastslå årsaken.

② U2 ≈ U3 (normal verdi). Hvis U2 er større enn U3 (normal verdi), må jordingen av akseljordingskullbørsten kontrolleres. Under drift kan en kortvarig ekstern jordingsledning kobles til frontakselen for jording, og deretter kan U2 måles og sammenlignes.

③ U3 skal være nær U2. Siden forskjellen mellom U2 og U3 representerer spenningen som påføres lageroljefilmen, kan for høy spenning forårsake oljefilmsammenbrudd. Det anbefales at denne forskjellen ikke overstiger 4V, eller at U3 ikke er mindre enn 70 % av U2. Ellers bør tilstanden til lagrets isolasjon mot grunn kontrolleres, slik som overflateforurensning eller isolasjonsaldring.

④ Vanligvis varierer strømmen A som strømmer gjennom den jordede karbonbørsten fra noen få milliampere til flere hundre milliampere. Hvis denne verdien øker betydelig, bør lagerisolasjonen kontrolleres i forbindelse med akselspenningsmålingen.