Oorzaken, gevaren en oplossingen voor generatorasspanning

Met de toenemende capaciteit van afzonderlijke generatoreenheden is de asspanning een ernstig probleem geworden voor grote generatoren die gebruik maken van statische zelfexcitatiesystemen. De golfvorm van de asspanning bevat complexe harmonische pulscomponenten, die bijzonder schadelijk zijn voor de oliefilmisolatie. Wanneer de asspanning de doorslagspanning van de oliefilm niet overschrijdt, is de asstroom zeer klein. Als de asspanning de doorslagspanning van de lagerolielaag overschrijdt, zal er een grote asstroom in het lager worden gegenereerd, de zogenaamde EDM-stroom, die lagercomponenten zal verbranden en aanzienlijke schade zal veroorzaken. Asymmetrie van het magnetische circuit, unipolair effect, capacitieve stroom, elektrostatisch effect, statisch excitatiesysteem, permanente magnetisatie van de behuizing, as, enz. kunnen allemaal potentieel asspanning veroorzaken.

Asspanning heeft betrekking op de spanning die wordt gegenereerd tussen de twee lageruiteinden van een motor of tussen de motoras en het lager tijdens de werking van de motor. Onder normale omstandigheden, wanneer de asspanning laag is, zorgt de smeeroliefilm tussen de generatoras en het lager voor een goede isolatie. Als de asspanning echter om de een of andere reden naar een bepaalde waarde stijgt, zal de oliefilm worden afgebroken en ontladen, waardoor een circuit wordt gevormd voor het genereren van asstroom. Asstroom verstoort niet alleen de stabiliteit van de oliefilm, waardoor de smeerolie geleidelijk verslechtert, maar omdat de asstroom door het metalen contactpunt tussen het lager en de as gaat (een zeer klein contactpunt met een hoge stroomdichtheid), genereert deze ook onmiddellijk extreem hoge temperaturen, waardoor het lager plaatselijk smelt. De gesmolten lagerlegering spat en verbrandt onder de druk van het rollen kleine putjes op het binnenoppervlak van het lager. Uiteindelijk zal het lager breken als gevolg van versnelde mechanische slijtage, en in ernstige gevallen zal de lagerschaal doorbranden, waardoor een ongeval ontstaat en een uitschakeling wordt geforceerd.

De spanning op de generatoras is altijd aanwezig, maar is over het algemeen niet hoog, meestal variërend van enkele volts tot tientallen volt. Wanneer de isolatiekussens echter defect raken als gevolg van olievlekken, schade of veroudering, is de asspanning voldoende om de oliefilm tussen de as en het lager af te breken, waardoor een ontlading ontstaat. Na verloop van tijd zal dit geleidelijk de kwaliteit van de smeer- en koelolie verslechteren, en in ernstige gevallen zullen de as en lagers doorbranden, wat kan leiden tot een stilstandsongeval.

1. Oorzaken van generatorasspanning

(1) Asspanning veroorzaakt door magnetische asymmetrie
Het is een wisselspanning die aan beide uiteinden van de turbinegeneratoras aanwezig is. Vanwege het gebruik van sectorvormige gestempelde lamellen in de statorkern, de verschillende excentriciteiten van de rotor, de verschillende permeabiliteit van de sectorvormige lamellen en de asgeleidingsgroeven die worden gebruikt voor koeling en klemming, enz., wordt magnetische asymmetrie veroorzaakt door de productie en werking van de generator, resulterend in een wisselende magnetische fluxlus inclusief de as, lagers en funderingsplaat. Hierdoor ontstaat er een spanningsverschil aan beide uiteinden van de generatoras. Elk type magnetische asymmetrie veroorzaakt een asspanningscomponent met overeenkomstige amplitude en frequentie. De verschillende asspanningscomponenten zijn over elkaar heen gelegd, waardoor de frequentiesamenstelling van deze asspanning zeer complex is. De fundamentele component heeft de grootste amplitude, de 3e en 5e harmonischen hebben iets kleinere amplitudes en de hogere harmonische componenten hebben zeer kleine amplitudes. Deze AC-asspanning is over het algemeen 1 ~ 10V en heeft een grote hoeveelheid energie. Als er geen effectieve maatregelen worden genomen, zal deze asspanning een lus vormen door de aslager-funderingsplaat etc., waardoor een grote asstroom ontstaat. De door de asstroom veroorzaakte elektrische boog wordt aangelegd tussen het lager en het asoppervlak. Het belangrijkste gevolg hiervan is slijtage van het wolfraamcarbide in het lager en op het asoppervlak, en een snelle achteruitgang van de smeerolie. Dit versnelt de mechanische slijtage van het lager en kan in ernstige gevallen ervoor zorgen dat de lagerschaal doorbrandt.

(2) Asspanning veroorzaakt door elektrostatische lading
Deze gelijkspanning, die ontstaat tussen de as en de aardingsplaat, wordt gegenereerd door de elektrostatische lading die wordt geproduceerd door de wrijving tussen de met hoge snelheid stromende natte stoom en de lagedrukcilinderbladen van de turbine onder bepaalde omstandigheden. Dit elektrostatische effect treedt slechts af en toe op onder bepaalde stoomomstandigheden en komt niet vaak voor. Afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden kan dit type asspanning soms erg hoog zijn en honderden volt bereiken, wat bij aanraking een tintelend gevoel veroorzaakt. Het wordt niet gemakkelijk naar de exciterzijde geleid, maar als er geen maatregelen worden genomen om deze elektrostatische lading naar de grond te geleiden, zal deze zich ophopen op de lageroliefilm aan de turbinezijde van de generator en uiteindelijk op de oliefilm terechtkomen, wat leidt tot lagerschade.

(3) Asspanning veroorzaakt door een statisch excitatiesysteem
Momenteel maken grote stoomturbinegeneratorsets doorgaans gebruik van een statisch excitatiesysteem. Vanwege de invloed van thyristorboogcommutatie wordt een nieuwe asspanningsbron in het statische excitatiesysteem geïntroduceerd. Het statische excitatiesysteem levert gelijkspanning aan de bekrachtigingswikkeling van de generator via een statische thyristorgelijkrichter, en deze gelijkspanning is een pulserende spanning. Voor een statisch excitatiesysteem dat gebruik maakt van een volledig gecontroleerde driefasige brug, heeft de golfvorm van de excitatie-uitgangsspanning zes pulsen binnen één cyclus. Deze snel veranderende pulserende spanning genereert een wisselspanning tussen de as en aarde via capacitieve koppeling tussen de bekrachtigingswikkeling van de generator en het rotorlichaam. Deze asspanning is pulserend en piekvormig, met een frequentie van 300 Hz (wanneer de wisselspanningsfrequentie van het bekrachtigingssysteem 50 Hz is). Het wordt bovenop de asspanning gelegd die wordt veroorzaakt door magnetische asymmetrie, waardoor de oliefilm bestand is tegen een hogere piekspanning. Wanneer het tot op zekere hoogte toeneemt, breekt het de oliefilm af, waardoor een stroom ontstaat die verbranding en schade aan mechanische onderdelen veroorzaakt.

(4) Asspanning veroorzaakt door restmagnetisme
Wanneer de generator ernstig wordt kortgesloten of onder andere abnormale bedrijfsomstandigheden wordt gebruikt, worden de hoofdas, lagers, behuizing en andere componenten vaak gemagnetiseerd en behouden ze een bepaalde hoeveelheid restmagnetisme. Magnetische lijnen genereren longitudinale takken bij de lagers, en wanneer de hoofdas van de eenheid draait, wordt een elektromotorische kracht gegenereerd, een zogenaamde unipolaire elektromotorische kracht. Onder normale omstandigheden ligt de unipolaire potentiaal die wordt gegenereerd door zwak restmagnetisme slechts in het millivoltbereik. Wanneer er echter kortsluiting is tussen de windingen van de rotorwikkelingen of tweepuntsaarding, zal de unipolaire potentiaal enkele volts tot tientallen volts bereiken, waardoor een grote asstroom wordt gegenereerd. Deze stroom vloeit axiaal door de as, lagers en funderingsplaat, waardoor niet alleen de hoofdas en lagerbussen doorbranden, maar deze componenten ook ernstig worden gemagnetiseerd, waardoor onderhoud van de unit moeilijk wordt.

2. Gevaren veroorzaakt door generatorasspanning De omvang van de asspanning varieert afhankelijk van de specifieke eenheid. Over het algemeen geldt dat hoe groter de capaciteit van de eenheid is, hoe groter de asymmetrie in de luchtspleetflux en structuur ervan. Hoe groter de harmonische componenten in het magnetische veld, hoe hoger de kernverzadiging, en hoe groter de statoroneffenheden, hoe hoger de piekasspanning. De golfvorm van de asspanning heeft complexe harmonische componenten. Eenheden die gebruik maken van statisch regelbare gelijkrichterexcitatie hebben een hoge pulscomponent in hun asspanningsgolfvorm, wat bijzonder schadelijk is voor de oliefilmisolatie. Wanneer de asspanning een bepaalde waarde bereikt en er geen passende maatregelen worden genomen, zal de oliefilm afbreken, waardoor er asstroom ontstaat.

Als de asstroom van een stoomturbinegeneratorset erg hoog is, zullen de tappen, lagers en andere gerelateerde componenten waar de asstroom doorheen gaat, doorbranden. De aandrijfworm en het wormwiel van de hoofdoliepomp van de turbine worden beschadigd. De elektrische boog die wordt veroorzaakt door de asstroom zal de lagercomponenten eroderen en de lagersmeerolie verouderen, waardoor de mechanische slijtage van de lagers wordt versneld. De asstroom zal de turbinecomponenten, de eindkappen van de generator, lagers en andere componenten rond de as sterk magnetiseren, waardoor een unipolaire potentiaal wordt gegenereerd bij de tappen en waaiers.

Wanneer de asspanning hoog genoeg is om de oliefilm tussen de as en de lagers af te breken, vindt er een ontlading plaats. Het ontladingscircuit is: generatoras – astap – lager – lagerbeugel – generatorbasis. Hoewel de asspanning niet hoog is (ongeveer 6 V voor een generator van 300 MW), is de circuitweerstand erg klein. Daarom kan de gegenereerde asstroom erg groot zijn en soms honderden ampères bereiken. De asstroom zal geleidelijk de kwaliteit van de smeer- en koelolie verslechteren, en in ernstige gevallen zullen de lagers doorbranden, waardoor een uitschakeling wordt geforceerd en een ongeval wordt veroorzaakt. Daarom moet tijdens de installatie en het gebruik de spanning tussen de as van het generatoraggregaat en de lagers worden gemeten en gecontroleerd.

3. Preventie- en eliminatiemaatregelen voor generatorasspanning

Meestal worden de volgende preventieve maatregelen genomen:

(1) Tijdens het ontwerp en de installatie wordt er gewoonlijk een isolatiekussen geïnstalleerd tussen de lagerstoel aan het bekrachtigingsuiteinde van de generator en de basis. Tegelijkertijd zijn alle olieleidingen, schroeven, bouten etc. geïsoleerd.

(2) Aan de turbinezijde van de generatoras is een aardingsborstel ontworpen om elektrostatische ladingen in het lagedrukgedeelte van de turbine vrij te geven, waardoor ervoor wordt gezorgd dat de as- en aardpotentialen hetzelfde zijn.

Naast het elimineren van asspanning heeft de asaardingsborstel ook de volgende functies om de motor te beschermen: a. Meten van de positieve en negatieve rotorspanningen naar aarde. B. Dient als bescherming tegen eenpuntsaarding van de rotor.

(3) Om de asspanning te verminderen die wordt veroorzaakt door asymmetrie van het magnetische circuit in de turbinegeneratorset, worden tijdens het generatorontwerp maatregelen overwogen om de derde of vijfde harmonische component in de asspanning te elimineren of te verminderen. Er is een volledig nieuwe generatorstructuur toegepast en de installatie volgt strikt de proces- en ontwerpvereisten van de fabrikant om excentriciteit van de rotor te voorkomen.

(4) Om te voorkomen dat de asspanning wordt gegenereerd door een enkelpunts aardingskortsluiting in de rotorwikkelingen, wordt tijdens bedrijf een tweepunts aardingsbeveiligingsapparaat voor het bekrachtigingscircuit geactiveerd. (5) Om de asstroom af te sluiten, installeert u isolatiekussens aan het bekrachtigingsuiteinde, inclusief tussen de generatorlagers, de olieafdichtingen van de waterstofgekoelde generator, de inlaat- en uitlaatwatersteunen en inlaat-/uitlaatpijpflenzen van de watergekoelde generatorrotor, en het staartlager en de basisplaat van het motorframe. De bevestigingsmiddelen van de lagerhuizen en de olieleidingen die op de lagerhuizen zijn aangesloten, moeten ook worden geïsoleerd van de lagers; Er kunnen dubbele isolatiemaatregelen worden toegepast.

(6) Vermijd asymmetrie van het magnetische circuit tijdens het motorontwerp.

(7) Vermijd axiale magnetische flux tijdens het ontwerp, de productie en het gebruik van de motor.

(8) Isoleer de lagerhuizen tegen aarde.

(9) Installeer aardingsborstels op de as.

(10) Gebruik niet-magnetische lagerhuizen of extra spoelen.

(11) Voeg een bypass-condensator toe aan aarde op de ankeruitgangsterminal van de gelijkstroommotor.

4. Meting van asspanning De isolatie van de aardingsborstels en lagers van de rotor is van cruciaal belang om de generator te beschermen tegen asspanning en om een ​​veilige werking te garanderen. Bij feitelijk gebruik kan er, als gevolg van factoren zoals installatie en verslechtering van de werkomgeving, en slijtage, een slechte rotoraarding of verminderde lagerisolatie optreden, wat leidt tot verhoogde asspanning en asstroom, wat uiteindelijk de generator kan beschadigen. Daarom is het regelmatig meten van de asspanning essentieel voor het verbeteren van de werking van de generator. Hieronder raden we een relatief eenvoudige meetmethode aan: Zoals weergegeven in het bovenstaande diagram, waarbij:

U1: spanningsverschil tussen de twee uiteinden van de rotoras van de generator. Onder normale omstandigheden wordt dit voornamelijk veroorzaakt door magnetische asymmetrie van de rotor. Fabrikanten verstrekken doorgaans empirische gegevens; Het verdient aanbeveling dit na elke kleine onderhoudsbeurt te meten en te vergelijken met historische gegevens.

U2: Spanning van de achteras van de generator naar aarde.

U3: Spanning van de metalen plaat tussen de isolatielagen van het achterste lager van de generator naar aarde.

A: Stroom gemeten op de aardingskabel van de geaarde koolborstel aan de voorzijde van de generator.

U2, U3 en A moeten tijdens bedrijf periodiek worden gemeten. Veranderingen in deze gegevens kunnen de toestand van de generator aangeven:

① U1 moet binnen het door de fabrikant opgegeven bereik liggen en mag niet significant veranderen in vergelijking met historische gegevens. Anders moet de staat van de stator en rotor van de generator worden gecontroleerd om de oorzaak te achterhalen.

② U2 ≈ U3 (normale waarde). Als U2 groter is dan U3 (normale waarde), moet de aarding van de as-aardingskoolborstel worden gecontroleerd. Tijdens bedrijf kan voor aarding een externe aarddraad voor korte tijd op de voorste as worden aangesloten, waarna U2 kan worden gemeten en vergeleken.

③ U3 moet dicht bij U2 liggen. Omdat het verschil tussen U2 en U3 de spanning vertegenwoordigt die op de oliefilm van het lager wordt toegepast, kan een te hoge spanning ervoor zorgen dat de oliefilm kapot gaat. Het wordt aanbevolen dat dit verschil niet groter is dan 4V, of dat U3 niet minder dan 70% van U2 bedraagt. Anders moet de staat van de isolatie van het lager ten opzichte van de aarde worden gecontroleerd, zoals oppervlakteverontreiniging of veroudering van de isolatie.

④ Over het algemeen varieert de stroom A die door de as-geaarde koolborstel stroomt van enkele milliampère tot enkele honderden milliampère. Als deze waarde aanzienlijk stijgt, moet de lagerisolatie worden gecontroleerd in combinatie met de asspanningsmeting.