Cause, pericoli e soluzioni per la tensione all'albero del generatore

Con la crescente capacità dei singoli gruppi elettrogeni, la tensione d'albero è diventata un problema serio per i grandi generatori che adottano sistemi di autoeccitazione statici. La forma d'onda della tensione dell'albero contiene complesse componenti di impulsi armonici, che sono particolarmente dannose per l'isolamento del film d'olio. Quando la tensione dell'albero non supera la tensione di rottura del film d'olio, la corrente dell'albero è molto piccola. Se la tensione dell'albero supera la tensione di rottura dello strato di olio del cuscinetto, nel cuscinetto verrà generata una grande corrente dell'albero, la cosiddetta corrente EDM, che brucerà i componenti del cuscinetto e causerà danni significativi. L'asimmetria del circuito magnetico, l'effetto unipolare, la corrente capacitiva, l'effetto elettrostatico, il sistema di eccitazione statica, la magnetizzazione permanente dell'involucro, dell'albero, ecc., possono potenzialmente causare tensione all'albero.

La tensione dell'albero si riferisce alla tensione generata tra le due estremità dei cuscinetti di un motore o tra l'albero del motore e il cuscinetto durante il funzionamento del motore. In circostanze normali, quando la tensione dell'albero è bassa, il film di olio lubrificante tra l'albero del generatore e il cuscinetto fornisce un buon isolamento. Tuttavia, se per qualche motivo la tensione dell'albero aumenta fino a un certo valore, il film d'olio si romperà e si scaricherà, formando un circuito per la generazione di corrente dell'albero. La corrente dell'albero non solo interrompe la stabilità del film d'olio, provocando il graduale deterioramento dell'olio lubrificante, ma, poiché la corrente dell'albero passa attraverso il punto di contatto metallico tra il cuscinetto e l'albero (un punto di contatto molto piccolo con un'elevata densità di corrente), genera istantaneamente temperature estremamente elevate, causando la fusione localizzata del cuscinetto. La lega fusa del cuscinetto, sotto la pressione del rotolamento, schizza e brucia piccole cavità sulla superficie interna del cuscinetto. Alla fine, il cuscinetto si romperà a causa dell'usura meccanica accelerata e, nei casi più gravi, il guscio del cuscinetto si brucerà, provocando un incidente e costringendo all'arresto.

La tensione all'albero del generatore è sempre presente, ma generalmente non è elevata, variando solitamente da pochi volt a una dozzina di volt. Tuttavia, quando i cuscinetti isolanti si guastano a causa di macchie d'olio, danni o invecchiamento, la tensione dell'albero è sufficiente a rompere la pellicola d'olio tra l'albero e il cuscinetto, provocando una scarica. Con il passare del tempo, ciò deteriorerà gradualmente la qualità dell'olio lubrificante e di raffreddamento e, nei casi più gravi, brucerà l'albero e i cuscinetti, provocando un arresto accidentale.

1. Cause della tensione sull'albero del generatore

(1) Tensione dell'albero causata dall'asimmetria magnetica
È una tensione CA esistente su entrambe le estremità dell'albero del generatore a turbina. A causa dell'uso di lamierini stampati a forma di settore nel nucleo dello statore, delle diverse eccentricità del rotore, della diversa permeabilità dei lamierini a forma di settore e delle scanalature della guida dell'albero utilizzate per il raffreddamento e il bloccaggio, ecc., l'asimmetria magnetica è causata dalla produzione e dal funzionamento del generatore, risultando in un circuito di flusso magnetico alternato che comprende l'albero, i cuscinetti e la piastra di fondazione. Ciò genera una differenza di tensione su entrambe le estremità dell'albero del generatore. Ogni tipo di asimmetria magnetica causerà una componente di tensione dell'albero con ampiezza e frequenza corrispondenti. Le varie componenti della tensione d'albero sono sovrapposte, rendendo la composizione della frequenza di questa tensione d'albero molto complessa. La componente fondamentale ha l'ampiezza maggiore, la 3a e la 5a armonica hanno ampiezze leggermente più piccole e le componenti armoniche superiori hanno ampiezze molto piccole. Questa tensione dell'albero CA è generalmente di 1 ~ 10 V e ha una grande quantità di energia. Se non vengono adottate misure efficaci, questa tensione d'albero formerà un anello attraverso la piastra di fondazione albero-supporto, ecc., generando una grande corrente d'albero. L'arco elettrico causato dalla corrente dell'albero viene applicato tra il cuscinetto e la superficie dell'albero. La conseguenza principale è l'usura del carburo di tungsteno nel cuscinetto e sulla superficie dell'albero, nonché il rapido deterioramento dell'olio lubrificante. Ciò accelera l'usura meccanica del cuscinetto e, nei casi più gravi, può causare la bruciatura del guscio del cuscinetto.

(2) Tensione dell'albero causata dalla carica elettrostatica
Questa tensione CC, che appare tra l'albero e la piastra di terra, è generata dalla carica elettrostatica prodotta dall'attrito tra il vapore umido che scorre ad alta velocità e le pale del cilindro a bassa pressione della turbina in determinate condizioni. Questo effetto elettrostatico si verifica solo occasionalmente in determinate condizioni di vapore e non è frequente. A seconda delle condizioni operative, questo tipo di tensione sull'albero può talvolta essere molto elevata, raggiungendo centinaia di volt, provocando una sensazione di formicolio al tatto. Non viene facilmente condotta verso il lato dell'eccitatrice, ma se non vengono prese misure per condurre questa carica elettrostatica a terra, si accumulerà sul film d'olio del cuscinetto sul lato turbina del generatore e alla fine si scaricherà sul film d'olio, causando danni ai cuscinetti.

(3) Tensione dell'albero causata dal sistema di eccitazione statica
Attualmente, i grandi gruppi elettrogeni con turbina a vapore utilizzano generalmente un sistema di eccitazione statica. A causa dell'influenza della commutazione dell'arco del tiristore, nel sistema di eccitazione statica viene introdotta una nuova sorgente di tensione dell'albero. Il sistema di eccitazione statica fornisce tensione CC all'avvolgimento di eccitazione del generatore attraverso un raddrizzatore a tiristori statici e questa tensione CC è una tensione pulsante. Per un sistema di eccitazione statica che utilizza un ponte trifase completamente controllato, la forma d'onda della tensione di uscita di eccitazione ha 6 impulsi in un ciclo. Questa tensione pulsante in rapida variazione genera una tensione CA tra l'albero e la terra attraverso l'accoppiamento capacitivo tra l'avvolgimento di eccitazione del generatore e il corpo del rotore. Questa tensione dell'albero è pulsante e a forma di punta, con una frequenza di 300 Hz (quando la frequenza della tensione CA del sistema di eccitazione è 50 Hz). Si sovrappone alla tensione dell'albero causata dall'asimmetria magnetica, facendo sì che il film d'olio sopporti una tensione di picco più elevata. Quando aumenta fino ad una certa misura, rompe il velo d'olio formando una corrente che provoca bruciature e danni alle parti meccaniche.

(4) Tensione dell'albero causata dal magnetismo residuo
Quando il generatore è gravemente cortocircuitato o si trova in altre condizioni operative anomale, l'albero principale, i cuscinetti, l'involucro e altri componenti sono spesso magnetizzati e mantengono una certa quantità di magnetismo residuo. Le linee magnetiche generano rami longitudinali in corrispondenza dei cuscinetti e quando l'albero principale dell'unità ruota, viene generata una forza elettromotrice, chiamata forza elettromotrice unipolare. In circostanze normali, il potenziale unipolare generato dal magnetismo residuo debole è solo nell'ordine dei millivolt. Tuttavia, quando si verifica un cortocircuito tra le spire dell'avvolgimento del rotore o la messa a terra a due punti, il potenziale unipolare raggiungerà da diversi volt a decine di volt, generando una grande corrente d'albero. Questa corrente scorre assialmente attraverso l'albero, i cuscinetti e la piastra di fondazione, non solo bruciando l'albero principale e le boccole dei cuscinetti, ma anche magnetizzando gravemente questi componenti, rendendo difficile la manutenzione dell'unità.

2. Pericoli causati dalla tensione dell'albero del generatore L'entità della tensione dell'albero varia a seconda dell'unità specifica. In generale, maggiore è la capacità dell'unità, maggiore è l'asimmetria nel flusso e nella struttura del traferro. Maggiori sono le componenti armoniche nel campo magnetico, maggiore è la saturazione del nucleo, e maggiore è l'irregolarità dello statore, maggiore è la tensione di picco dell'albero. La forma d'onda della tensione dell'albero ha componenti armoniche complesse. Le unità che utilizzano l'eccitazione del raddrizzatore controllabile statico presentano un'elevata componente di impulso nella forma d'onda della tensione dell'albero, che è particolarmente dannosa per l'isolamento del film d'olio. Quando la tensione dell'albero raggiunge un certo valore, se non vengono adottate misure adeguate, il film d'olio si romperà generando corrente d'albero.

Se la corrente d'albero di un gruppo elettrogeno con turbina a vapore è molto elevata, i perni, i cuscinetti e altri componenti correlati attraverso i quali passa la corrente d'albero si bruceranno. La vite senza fine e la ruota elicoidale della pompa dell'olio principale della turbina verranno danneggiate. L'arco elettrico causato dalla corrente dell'albero eroderà i componenti dei cuscinetti e invecchierà l'olio lubrificante dei cuscinetti, accelerando così l'usura meccanica dei cuscinetti. La corrente dell'albero magnetizzerà fortemente i componenti della turbina, i coperchi delle estremità del generatore, i cuscinetti e altri componenti che circondano l'albero, generando un potenziale unipolare sui perni e sulle giranti.

Quando la tensione dell'albero è sufficientemente elevata da rompere il film d'olio tra l'albero e i cuscinetti, si verifica una scarica. Il circuito di scarico è: albero del generatore—perno—cuscinetto—staffa del cuscinetto—base del generatore. Sebbene la tensione sull'albero non sia elevata (circa 6 V per un generatore da 300 MW), la resistenza del circuito è molto piccola. Pertanto, la corrente d'albero generata può essere molto elevata, raggiungendo talvolta centinaia di ampere. La corrente dell'albero deteriorerà gradualmente la qualità dell'olio lubrificante e di raffreddamento e, nei casi più gravi, brucerà i cuscinetti, costringendone l'arresto e provocando un incidente. Pertanto, durante l'installazione e il funzionamento, è necessario misurare e controllare la tensione tra l'albero del gruppo elettrogeno e i cuscinetti.

3. Misure di prevenzione ed eliminazione della tensione sull'albero del generatore

Solitamente vengono adottate le seguenti misure preventive:

(1) Durante la progettazione e l'installazione, viene solitamente installato un cuscinetto isolante tra la staffa del cuscinetto all'estremità di eccitazione del generatore e la base. Allo stesso tempo, tutti i tubi dell'olio, le viti, i bulloni, ecc. vengono isolati.

(2) Una spazzola di messa a terra è progettata sul lato turbina dell'albero del generatore per rilasciare le cariche elettrostatiche nella sezione a bassa pressione della turbina, garantendo che i potenziali dell'albero e di terra siano gli stessi.

Oltre ad eliminare la tensione sull'albero, la spazzola di messa a terra dell'albero svolge anche le seguenti funzioni per proteggere il motore: a. Misurazione delle tensioni positive e negative del rotore verso terra. B. Serve come protezione contro la messa a terra a punto singolo del rotore.

(3) Per ridurre la tensione all'albero causata dall'asimmetria del circuito magnetico nel gruppo elettrogeno a turbina, durante la progettazione del generatore vengono prese in considerazione misure per eliminare o ridurre la terza o la quinta componente armonica nella tensione all'albero. Viene adottata una struttura del generatore completamente nuova e l'installazione segue rigorosamente il processo del produttore e i requisiti di progettazione per prevenire l'eccentricità del rotore.

(4) Per evitare che la tensione sull'albero venga generata da un cortocircuito di messa a terra a punto singolo negli avvolgimenti del rotore, durante il funzionamento viene attivato un dispositivo di protezione di messa a terra a due punti per il circuito di eccitazione. (5) Per interrompere la corrente dell'albero, installare cuscinetti isolanti all'estremità di eccitazione, anche tra i cuscinetti del generatore, i paraolio del generatore raffreddato a idrogeno, i supporti dell'acqua di ingresso e uscita e le flange dei tubi di ingresso/uscita del rotore del generatore raffreddato ad acqua, nonché il cuscinetto di coda e la piastra di base del telaio del motore. Anche gli elementi di fissaggio degli alloggiamenti dei cuscinetti e i tubi dell'olio collegati agli alloggiamenti dei cuscinetti devono essere isolati dai cuscinetti; possono essere utilizzate misure di doppio isolamento.

(6) Evitare l'asimmetria del circuito magnetico durante la progettazione del motore.

(7) Evitare il flusso magnetico assiale durante la progettazione, la produzione e il funzionamento del motore.

(8) Isolare a terra gli alloggiamenti dei cuscinetti.

(9) Installare le spazzole di messa a terra sull'albero.

(10) Utilizzare alloggiamenti dei cuscinetti non magnetici o bobine aggiuntive.

(11) Aggiungere un condensatore di bypass a terra sul terminale di uscita dell'armatura del motore CC.

4. Misurazione della tensione dell'albero L'isolamento delle spazzole e dei cuscinetti di messa a terra del rotore è fondamentale per proteggere il generatore dalla tensione dell'albero e garantire un funzionamento sicuro. Nel funzionamento effettivo, a causa di fattori quali l'installazione, il deterioramento dell'ambiente operativo e l'usura, può verificarsi una scarsa messa a terra del rotore o un ridotto isolamento dei cuscinetti, con conseguente aumento della tensione e della corrente dell'albero, che in definitiva potrebbe danneggiare il generatore. Pertanto, la misurazione regolare della tensione all'albero è essenziale per migliorare il funzionamento del generatore. Di seguito consigliamo un metodo di misurazione relativamente semplice: come mostrato nel diagramma sopra, dove:

U1: Differenza di tensione tra le due estremità dell'albero del rotore del generatore. In circostanze normali, ciò è causato principalmente dall'asimmetria magnetica del rotore. I produttori solitamente forniscono dati empirici; si consiglia di misurarlo dopo ogni piccola revisione e confrontarlo con i dati storici.

U2: Tensione dell'albero posteriore del generatore verso terra.

U3: Tensione della piastra metallica tra gli strati isolanti del cuscinetto posteriore del generatore verso terra.

A: Corrente misurata sul cavo di terra della spazzola di carbone di terra anteriore del generatore.

U2, U3 e A devono essere misurati periodicamente durante il funzionamento. Le modifiche a questi dati possono indicare le condizioni del generatore:

① U1 dovrebbe rientrare nell'intervallo fornito dal produttore e non dovrebbe cambiare in modo significativo rispetto ai dati storici. Altrimenti, è necessario controllare le condizioni dello statore e del rotore del generatore per determinarne la causa.

② U2 ≈ U3 (valore normale). Se U2 è maggiore di U3 (valore normale), è necessario controllare la messa a terra della spazzola di carbone di messa a terra dell'albero. Durante il funzionamento, è possibile collegare un filo di messa a terra esterno a breve termine all'albero anteriore per la messa a terra, quindi è possibile misurare e confrontare U2.

③ U3 dovrebbe essere vicino a U2. Poiché la differenza tra U2 e U3 rappresenta la tensione applicata al film d'olio del cuscinetto, una tensione eccessiva può causare la rottura del film d'olio. Si raccomanda che questa differenza non superi i 4 V o che U3 non sia inferiore al 70% di U2. Altrimenti, è necessario controllare le condizioni dell'isolamento del cuscinetto rispetto a terra, ad esempio la contaminazione della superficie o l'invecchiamento dell'isolamento.

④ Generalmente, la corrente A che scorre attraverso la spazzola di carbone per la messa a terra dell'albero varia da pochi milliampere a diverse centinaia di milliampere. Se questo valore aumenta in modo significativo, è necessario controllare l'isolamento del cuscinetto insieme alla misurazione della tensione dell'albero.