علل، خطرات و راه حل های ولتاژ شفت ژنراتور

با افزایش ظرفیت واحدهای تک ژنراتور، ولتاژ شفت به یک مشکل جدی برای ژنراتورهای بزرگ که از سیستم های خود تحریک استاتیکی استفاده می کنند تبدیل شده است. شکل موج ولتاژ شفت شامل اجزای پالس هارمونیک پیچیده است که به ویژه برای عایق فیلم روغن مضر هستند. هنگامی که ولتاژ شفت از ولتاژ شکست فیلم روغن تجاوز نمی کند، جریان شفت بسیار کم است. اگر ولتاژ شفت از ولتاژ شکست لایه روغن یاتاقان بیشتر شود، جریان شفت بزرگی در یاتاقان ایجاد می شود که اصطلاحاً جریان EDM نامیده می شود که باعث سوختن اجزای یاتاقان و آسیب قابل توجهی می شود. عدم تقارن مدار مغناطیسی، اثر تک قطبی، جریان خازنی، اثر الکترواستاتیکی، سیستم تحریک استاتیکی، مغناطش دائمی پوشش، شفت و غیره، همگی می توانند به طور بالقوه باعث ایجاد ولتاژ شفت شوند.

ولتاژ شفت به ولتاژ تولید شده بین دو سر یاتاقان موتور یا بین شفت موتور و یاتاقان در حین کار موتور اشاره دارد. در شرایط عادی، زمانی که ولتاژ شفت کم است، لایه روغن روان کننده بین شفت ژنراتور و یاتاقان عایق خوبی ایجاد می کند. با این حال، اگر ولتاژ شفت به دلایلی به مقدار معینی افزایش یابد، لایه روغن را از بین می برد و تخلیه می کند و مداری را برای تولید جریان شفت تشکیل می دهد. جریان شفت نه تنها پایداری لایه روغن را مختل می کند و باعث می شود روغن روان کننده به تدریج خراب شود، بلکه به دلیل اینکه جریان شفت از نقطه تماس فلزی بین یاتاقان و شفت می گذرد - یک نقطه تماس بسیار کوچک با چگالی جریان بالا - به طور آنی دمای بسیار بالایی ایجاد می کند و باعث ذوب موضعی یاتاقان می شود. آلیاژ یاتاقان ذوب شده، تحت فشار نورد، حفره های کوچکی را در سطح داخلی بلبرینگ پاشیده و می سوزاند. در نهایت، یاتاقان به دلیل سایش مکانیکی تسریع می‌شود و در موارد شدید، پوسته یاتاقان می‌سوزد و باعث تصادف و خاموش شدن اجباری می‌شود.

ولتاژ شفت ژنراتور همیشه وجود دارد، اما معمولاً زیاد نیست، معمولاً از چند ولت تا یک دوجین ولت متغیر است. با این حال، هنگامی که لنت های عایق به دلیل لکه های روغن، آسیب یا پیری از کار می افتند، ولتاژ شفت برای شکستن لایه روغن بین شفت و یاتاقان کافی است و باعث تخلیه می شود. با گذشت زمان، این امر به تدریج کیفیت روغن روان کننده و خنک کننده را بدتر می کند و در موارد شدید، شفت و یاتاقان ها را می سوزاند و در نتیجه قطع می شود.

1. علل ولتاژ شفت ژنراتور

(1) ولتاژ شفت ناشی از عدم تقارن مغناطیسی
این یک ولتاژ AC است که در هر دو انتهای شفت ژنراتور توربین وجود دارد. به دلیل استفاده از لمینیت های مهری سکتوری شکل در هسته استاتور، برون محوری های مختلف روتور، نفوذپذیری متفاوت لایه های سکتوری شکل، و شیارهای راهنمای شفت که برای خنک سازی و بستن و غیره استفاده می شود، عدم تقارن مغناطیسی ناشی از تولید ژنراتور، چرخش چرخشی متناوب از جمله مغناطیسی بودن و عملکرد چرخش ژنراتور است. و صفحه فونداسیون این باعث ایجاد اختلاف ولتاژ در هر دو انتهای شفت ژنراتور می شود. هر نوع عدم تقارن مغناطیسی باعث ایجاد یک جزء ولتاژ شفت با دامنه و فرکانس مربوطه می شود. اجزای مختلف ولتاژ شفت روی هم قرار گرفته اند و ترکیب فرکانس این ولتاژ شفت را بسیار پیچیده می کند. مولفه بنیادی بیشترین دامنه را دارد، هارمونیک های 3 و 5 دارای دامنه های کمی کوچکتر و مولفه های هارمونیک بالاتر دارای دامنه های بسیار کوچک هستند. این ولتاژ شفت AC به طور کلی 1 تا 10 ولت است و مقدار زیادی انرژی دارد. اگر اقدامات موثری انجام نشود، این ولتاژ شفت یک حلقه از طریق صفحه پایه شفت یاتاقان و غیره تشکیل می دهد و جریان شفت بزرگی ایجاد می کند. قوس الکتریکی ناشی از جریان شفت بین بلبرینگ و سطح شفت اعمال می شود. پیامد اصلی آن سایش کاربید تنگستن در یاتاقان و سطح شفت و زوال سریع روغن روان کننده است. این امر سایش مکانیکی بلبرینگ را تسریع می کند و در موارد شدید می تواند باعث سوختن پوسته یاتاقان شود.

(2) ولتاژ شفت ناشی از بار الکترواستاتیک
این ولتاژ DC، که بین شفت و صفحه زمین ظاهر می شود، توسط بار الکترواستاتیکی تولید می شود که توسط اصطکاک بین بخار مرطوب با سرعت بالا و پره های سیلندر کم فشار توربین در شرایط خاص ایجاد می شود. این اثر الکترواستاتیک فقط گاهی در شرایط بخار خاص رخ می دهد و مکرر نیست. بسته به شرایط کار، این نوع ولتاژ شفت گاهی اوقات می تواند بسیار زیاد باشد و به صدها ولت برسد و در هنگام لمس باعث ایجاد احساس سوزن سوزن شدن شود. به راحتی به سمت محرک هدایت نمی شود، اما اگر اقداماتی برای هدایت این بار الکترواستاتیک به زمین انجام نشود، روی فیلم روغن بلبرینگ در سمت توربین ژنراتور جمع می شود و در نهایت روی فیلم روغن تخلیه می شود و منجر به آسیب یاتاقان می شود.

(3) ولتاژ شفت ناشی از سیستم تحریک استاتیکی
در حال حاضر، مجموعه‌های مولد توربین بخار بزرگ معمولاً از یک سیستم تحریک ساکن استفاده می‌کنند. با توجه به تأثیر کموتاسیون قوس تریستور، یک منبع ولتاژ شفت جدید به سیستم تحریک استاتیکی وارد می شود. سیستم تحریک استاتیک ولتاژ DC را از طریق یکسوساز تریستور استاتیک به سیم پیچ تحریک ژنراتور می رساند و این ولتاژ DC یک ولتاژ ضربانی است. برای یک سیستم تحریک استاتیک با استفاده از یک پل سه فاز کاملاً کنترل شده، شکل موج ولتاژ خروجی تحریک آن دارای 6 پالس در یک سیکل است. این ولتاژ ضربانی که به سرعت در حال تغییر است، از طریق کوپلینگ خازنی بین سیم پیچ تحریک ژنراتور و بدنه روتور، یک ولتاژ متناوب بین شفت و زمین ایجاد می کند. این ولتاژ شفت ضربانی و سنبله شکل است و فرکانس آن 300 هرتز است (زمانی که فرکانس ولتاژ AC سیستم تحریک 50 هرتز باشد). این بر روی ولتاژ شفت ناشی از عدم تقارن مغناطیسی قرار می گیرد، بنابراین باعث می شود فیلم روغن در برابر ولتاژ سنبله بالاتر مقاومت کند. هنگامی که تا حدی افزایش می یابد، لایه روغن را می شکند و جریانی ایجاد می کند که باعث سوختن و آسیب به قطعات مکانیکی می شود.

(4) ولتاژ شفت ناشی از مغناطیس باقیمانده
هنگامی که ژنراتور به شدت اتصال کوتاه یا تحت شرایط عملکرد غیرعادی دیگر قرار می گیرد، شفت اصلی، یاتاقان ها، پوشش و سایر اجزاء اغلب مغناطیسی می شوند و مقدار خاصی از مغناطیس باقی مانده را حفظ می کنند. خطوط مغناطیسی انشعابات طولی در یاتاقان ها ایجاد می کنند و هنگامی که شفت اصلی واحد می چرخد، نیروی الکتروموتور تولید می شود که به آن نیروی الکتروموتور تک قطبی می گویند. در شرایط عادی، پتانسیل تک قطبی تولید شده توسط مغناطیس باقیمانده ضعیف تنها در محدوده میلی ولت است. با این حال، هنگامی که یک اتصال کوتاه بین پیچ های سیم پیچ روتور یا اتصال به زمین دو نقطه ای وجود دارد، پتانسیل تک قطبی به چند ولت تا ده ها ولت می رسد و جریان شفت بزرگی ایجاد می کند. این جریان به صورت محوری از میان شفت، یاتاقان‌ها و صفحه پایه عبور می‌کند و نه تنها شفت اصلی و بوش‌های یاتاقان را می‌سوزاند، بلکه این اجزا را به شدت مغناطیس می‌کند و تعمیر و نگهداری واحد را دشوار می‌کند.

2. خطرات ناشی از ولتاژ شفت ژنراتور مقدار ولتاژ شفت بسته به واحد خاص متفاوت است. به طور کلی، هر چه ظرفیت واحد بزرگتر باشد، عدم تقارن در شار شکاف هوا و ساختار آن بیشتر است. هر چه مولفه های هارمونیک در میدان مغناطیسی بیشتر باشد، اشباع هسته بیشتر است و هر چه ناهمواری استاتور بیشتر باشد، پیک ولتاژ شفت بیشتر می شود. شکل موج ولتاژ شفت دارای اجزای هارمونیک پیچیده است. واحدهایی که از تحریک یکسو کننده قابل کنترل استاتیک استفاده می کنند دارای یک جزء پالس بالا در شکل موج ولتاژ شفت خود هستند که به ویژه برای عایق فیلم روغن مضر است. هنگامی که ولتاژ شفت به مقدار معینی می رسد، اگر اقدامات مناسب انجام نشود، فیلم روغن شکسته می شود و جریان شفت تولید می کند.

اگر جریان شفت یک مجموعه ژنراتور توربین بخار بسیار زیاد باشد، ژورنال ها، یاتاقان ها و سایر اجزای مرتبطی که جریان شفت از آنها عبور می کند، می سوزند. کرم محرک و چرخ کرم پمپ روغن اصلی توربین آسیب می بیند. قوس الکتریکی ناشی از جریان شافت باعث فرسایش اجزای یاتاقان و پیری روغن روان کننده یاتاقان می شود و در نتیجه سایش مکانیکی یاتاقان را تسریع می کند. جریان شافت به شدت اجزای توربین، پوشش های انتهایی ژنراتور، یاتاقان ها و سایر اجزای اطراف شفت را مغناطیسی می کند و پتانسیل تک قطبی را در ژورنال ها و پروانه ها ایجاد می کند.

هنگامی که ولتاژ شفت به اندازه ای بالا باشد که فیلم روغن بین شفت و یاتاقان ها را تجزیه کند، تخلیه رخ می دهد. مدار تخلیه عبارت است از: شفت ژنراتور-ژورنال-برینگ-براکت یاتاقان-پایه ژنراتور. اگرچه ولتاژ شفت زیاد نیست (حدود 6 ولت برای یک ژنراتور 300 مگاواتی)، مقاومت مدار بسیار کوچک است. بنابراین، جریان شافت تولید شده می تواند بسیار زیاد باشد و گاهی اوقات به صدها آمپر می رسد. جریان شفت به تدریج کیفیت روغن روان کننده و خنک کننده را بدتر می کند و در موارد شدید یاتاقان ها را می سوزاند و باعث خاموش شدن و تصادف می شود. بنابراین در هنگام نصب و بهره برداری باید ولتاژ بین شفت مجموعه ژنراتور و یاتاقان ها اندازه گیری و بررسی شود.

3. اقدامات پیشگیری و حذف برای ولتاژ شفت ژنراتور

اقدامات پیشگیرانه زیر به طور معمول اتخاذ می شود:

(1) در طول طراحی و نصب، یک پد عایق معمولاً بین براکت یاتاقان در انتهای تحریک ژنراتور و پایه نصب می شود. به طور همزمان کلیه لوله های روغن، پیچ، پیچ و مهره و ... عایق بندی می شوند.

(2) یک برس اتصال به زمین در سمت توربین شفت ژنراتور طراحی شده است تا بارهای الکترواستاتیکی را در بخش کم فشار توربین آزاد کند و از یکسان بودن پتانسیل شفت و زمین اطمینان حاصل کند.

برس اتصال به زمین علاوه بر حذف ولتاژ شفت، عملکردهای زیر را برای محافظت از موتور انجام می دهد: الف. اندازه گیری ولتاژ روتور مثبت و منفی به زمین ب به عنوان محافظت در برابر زمین تک نقطه ای روتور عمل می کند.

(3) برای کاهش ولتاژ شفت ناشی از عدم تقارن مدار مغناطیسی در مجموعه ژنراتور توربین، اقداماتی برای حذف یا کاهش مولفه های هارمونیک سوم یا پنجم در ولتاژ شفت در طول طراحی ژنراتور در نظر گرفته می شود. یک ساختار ژنراتور کاملاً جدید اتخاذ شده است و نصب به شدت از فرآیند سازنده و الزامات طراحی پیروی می کند تا از خروج از مرکز روتور جلوگیری کند.

(4) برای جلوگیری از ولتاژ شفت ایجاد شده توسط اتصال کوتاه زمین تک نقطه ای در سیم پیچ های روتور، یک دستگاه حفاظت زمین دو نقطه ای برای مدار تحریک در حین کار فعال می شود. (5) برای قطع جریان شافت، لنت های عایق را در انتهای تحریک، از جمله بین یاتاقان های ژنراتور، مهر و موم روغن ژنراتور خنک شده با هیدروژن، تکیه گاه های آب ورودی و خروجی و فلنج های لوله ورودی/خروجی روتور ژنراتور خنک شونده با آب، و یاتاقان دم و صفحه پایه قاب موتور نصب کنید. بست های محفظه یاتاقان ها و لوله های روغن متصل به محفظه یاتاقان ها نیز باید از یاتاقان ها عایق باشند. می توان از اقدامات عایق دوگانه استفاده کرد.

(6) از عدم تقارن مدار مغناطیسی در طول طراحی موتور اجتناب کنید.

(7) از شار مغناطیسی محوری در طول طراحی، ساخت و بهره برداری موتور اجتناب کنید.

(8) محفظه های یاتاقان را به زمین عایق کنید.

(9) برس های زمین را روی شفت نصب کنید.

(10) از محفظه های یاتاقان غیر مغناطیسی یا سیم پیچ های اضافی استفاده کنید.

(11) یک خازن بای پس را در ترمینال خروجی آرمیچر موتور DC به زمین اضافه کنید.

4. اندازه گیری ولتاژ شفت عایق برس ها و یاتاقان های اتصال به زمین روتور برای محافظت از ژنراتور در برابر ولتاژ شفت و اطمینان از عملکرد ایمن بسیار مهم است. در عملیات واقعی، به دلیل عواملی مانند نصب و خراب شدن محیط کار و فرسودگی، اتصال زمین ضعیف روتور یا کاهش عایق یاتاقان ممکن است رخ دهد که منجر به افزایش ولتاژ شفت و جریان شفت می شود که در نهایت ممکن است به ژنراتور آسیب برساند. بنابراین، اندازه گیری منظم ولتاژ شفت برای بهبود عملکرد ژنراتور ضروری است. در زیر، ما یک روش اندازه گیری نسبتا ساده را توصیه می کنیم: همانطور که در نمودار بالا نشان داده شده است، جایی که:

U1: اختلاف ولتاژ بین دو سر شفت روتور ژنراتور. در شرایط عادی، این عمدتاً ناشی از عدم تقارن مغناطیسی روتور است. تولید کنندگان معمولا داده های تجربی را ارائه می دهند. توصیه می شود پس از هر بازنگری جزئی، آن را اندازه گیری کنید و با داده های تاریخی مقایسه کنید.

U2: ولتاژ محور عقب ژنراتور به زمین.

U3: ولتاژ صفحه فلزی بین لایه های عایق یاتاقان عقب ژنراتور به زمین.

الف: جریان اندازه‌گیری شده روی سرب زمینی برس کربنی اتصال زمین جلویی ژنراتور.

U2، U3 و A باید به صورت دوره ای در طول عملیات اندازه گیری شوند. تغییرات در این داده ها می تواند وضعیت ژنراتور را نشان دهد:

① U1 باید در محدوده ارائه شده توسط سازنده باشد و در مقایسه با داده های تاریخی تغییر قابل توجهی نداشته باشد. در غیر این صورت باید وضعیت استاتور و روتور ژنراتور بررسی شود تا علت آن مشخص شود.

② U2 ≈ U3 (مقدار عادی). اگر U2 بزرگتر از U3 (مقدار معمولی) باشد، زمین برس کربنی اتصال به زمین باید بررسی شود. در حین کار می توان یک سیم اتصال زمین خارجی کوتاه مدت به محور جلو برای اتصال به زمین وصل کرد و سپس U2 را اندازه گیری و مقایسه کرد.

③ U3 باید نزدیک به U2 باشد. از آنجایی که تفاوت بین U2 و U3 نشان دهنده ولتاژ اعمال شده به لایه روغن یاتاقان است، ولتاژ بیش از حد ممکن است باعث خرابی لایه روغن شود. توصیه می شود که این اختلاف از 4 ولت بیشتر نشود یا U3 کمتر از 70 درصد U2 نباشد. در غیر این صورت، وضعیت عایق یاتاقان نسبت به زمین باید بررسی شود، مانند آلودگی سطح یا پیری عایق.

④ به طور کلی، جریان A که از طریق برس کربنی به زمین می گذرد، از چند میلی آمپر تا چند صد میلی آمپر متغیر است. اگر این مقدار به طور قابل توجهی افزایش یابد، عایق یاتاقان باید در ارتباط با اندازه گیری ولتاژ شفت بررسی شود.