В процессе эксплуатации генератора по концам его ротора неизбежно возникает паразитное напряжение, которое приводит к появлению подшипниковых токов. Токи замыкаются вокруг генератора через вал, подшипники и корпус, и довольно часто являются причиной разрушения антифрикционного слоя подшипников.
Причины появления паразитного напряжения на валу
Стыки и несимметрия сердечника статора
Они вызывают переменное магнитное потокосцепление с валом, что приводит к пульсации магнитного потока (на рисунке схема а). Если зазор под разными сторонами ротора неодинаков, то сопротивление магнитному потоку на пути от центра вала к ярму будет разными под разными сторонами. Поэтому появится пульсирующий магнитный поток, замыкающийся вокруг вала. Пульсация магнитного потока в бочке ротора индуцирует напряжение по концам вала генератора (на рисунке схема б).
Дефекты монтажа и несоосность статора и ротора так же приводят к несимметрии магнитной цепи генератора и изменению потокосцепления. При неравномерном зазоре магнитные линии стремятся замкнуться по пути наименьшего сопротивления, охватывая вал ротора (рис. 2). При вращении ротор пронизывается переменным магнитным потоком и в нем индуктируется ЭДС, которая вызывает ток в контуре «вал — подшипники — корпус».
Роль стыков сердечника так же могут играть клинья, которые являются местами ослабления магнитной цепи, и зазоры в стыках между пакетами активной стали, вызывающие мелкие несимметричные магнитные ослабления и появление ЭДС вала повышенных частот.
Несимметричная нагрузка по фазам и переходные процессы, протекающие в обмотке статора, также вызывают изменение потокосцепления с валом и приводят к возникновению ЭДС высших частот.
Намагниченность вала генератора
Если вал генератора (турбины) намагничен, то часть магнитного потока будет ответвляться в подшипники, а при вращении вала будет создаваться эффект униполярного генератора. То есть между различными точками шейки вала и поверхностью скольжения подшипника возникает постоянное напряжение (рис. 2), пропорциональное магнитному потоку, проходящему по валу. Образующийся контур тока замыкается между поверхностями скольжения внутри одного подшипника.
Продольное намагничивание вала может возникнуть от намагничивающего действия токоотводов, находящихся вблизи вала. Для устранения или уменьшения токов от униполярной индукции следует размагнитить вал либо изменить расположение токоотводов.
Принимаемая мера против подшипниковых токов — изоляция корпусов подшипников от корпуса — не препятствует протеканию токов от униполярной индукции внутри одного подшипника.
Причины появления магнитного потока, проходящего по валу и замыкающегося через подшипники и статор:
- Круговой ток вокруг вала образованный токосъемным устройством обмотки возбуждения.
- Витковые замыкания обмотки ротора.
- Короткое замыкание одного из полюсов явнополюсной машины.
- Круговой ток образованный междуполюсными соединениями в явнополюсных машинах.
- Несимметрия токов в лобовых частях обмотки статора.
- Наличие уравнительных токов между параллельными ветвями одной из фаз.
- Короткое замыкание одной из фаз на нейтраль может создать пульсирующий магнитный поток в валу, если перемычки и шины образуют замкнутый контур.
Пути замыкания контурных токов
Паразитные токи в системе турбина-генератор могут замыкаться по валу, как через подшипники, уплотнения роторов турбины, водородные уплотнения ротора генератора, так и через трубопроводы и датчики контроля вибрации. Общая картина протекания контурных токов представлена на рисунке 3.
Экспериментальные данные, полученные специалистами «ЮВТЕК» в ходе проведения диагностики электромагнитного состояния более чем на 30-ти турбоагрегатах, указывают, что напряжение вдоль вала относительно земли распределяется по не линейно убывающей зависимости (рис. 4). Максимальное напряжение на валу находиться в районе заднего подшипника генератора, а минимальное на первом подшипнике со стороны турбины. Это говорит о том, что существуют места утечки, т. е. дополнительные контура токов, замыкающиеся через подшипники (рис. 3). Это следует из условия практически отсутствующего омического сопротивления вала.
В совокупности с фактом отсутствия электроэрозионных повреждений задних изолированных подшипников у большинства турбогенераторов и при значительных повреждениях подшипников турбины можно утверждать, что переменные токи, замыкающиеся через подшипники, являются активно-емкостными. Подшипниковый узел «вкладыш — масляная пленка — вал» является подобием конденсатора, емкость которого составляет порядкам 10-30 нF, а емкостное сопротивление для первой гармоники порядка — Хс=100-500 кОм (для подшипников энергоустановок мощностью 60-300 МВт).
Таким образом, емкостные токи (токи электрического смещения), вызванные переменной составляющей ЭДС вала, составляют единицы миллиампер и замыкаются через подшипники не вызывая прямого пробоя масляной пленки. Пробой осуществляется под действием постоянной (апериодической) составляющей напряжения вала. Пробивное напряжение масляной пленки нормально работающего подшипника составляет порядка 20-25 вольт. При снижении качества масла или утонении масляного клина (перекоса подшипника) пробивное напряжение снижается и может достигать единиц вольт (5-7 В).
Подстуловая изоляция для периодических токов является емкостью, а для постоянных (апериодических) бесконечно большим сопротивлением.
Поэтому необходима исправная изоляция заднего подшипника, т. к. она прерывает пути прохождения подшипниковых токов, обусловленных постоянной составляющей ЭДС вала, и ограничивает контурные токи, обусловленные переменной составляющей. Контура апериодических токов изображены на рисунке 5.
Заключение
Токи, вызванные переменной составляющей напряжения вала, постоянно циркулируют через подшипники в виде токов электрического смещения, вызывая пробой масляной пленки, только при превышении критических значений.
Очевидно, что наибольший вклад по созданию ЭДС на валу всего турбоагрегата (гидроагрегата) вносят процессы, происходящие в генераторе. Переменное индуцируемое напряжение на валу генератора, созданное переменным потокосцеплением, содержит гармоники как основной, так высших частот. Постоянная (апериодическая) составляющая напряжения является незначительной и может образовываться при намагниченном состоянии узлов генератора и турбины, а также в переходных режимах работы генератора.
