В процессе эксплуатации генератора по концам его вала 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 напряжений на валу генератора
Переменное магнитное потокосцепление с валом индуцирует напряжение по концам ротора. Изменение потокосцепления возникает из-за стыков сердечника статора, которые приводят к пульсации магнитного потока (рисунок 1). 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.
Дефекты монтажа и несоосность статора и ротора приводят к несимметрии магнитной цепи генератора и изменению потокосцепления. При неравномерном зазоре магнитные линии стремятся замкнуться по пути наименьшего сопротивления, охватывая вал ротора. 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, так же вызывают изменение потокосцепления с валом, и приводят к возникновению ЭДС высших частот.
Подшипниковые токи от намагничивания вала
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 (рисунок 2), пропорциональное магнитному потоку, проходящему по валу. Образующийся контур тока замыкается между поверхностями скольжения внутри одного подшипника.
Принимаемая мера против подшипниковых токов - изоляция корпусов подшипников от корпуса — не препятствует протеканию токов от униполярной индукции внутри одного подшипника. Для устранения или уменьшения токов от униполярной индукции следует размагнитить вал либо изменить расположение токоотводов.
Причины намагничивания и появления магнитного потока, проходящего по валу генератора:
1. Круговой ток вокруг вала образованный токосъемным устройством обмотки возбуждения.
2. Витковые замыкания обмотки ротора.
3. Нескомпенсированный полувиток в обмотке ротора с противоположной стороны от контактных колец.
4. Несимметрия токов в лобовых частях обмотки статора.
5. Наличие уравнительных токов между параллельными ветвями одной из фаз.
6. Короткое замыкание одной из фаз на нейтраль может создать пульсирующий магнитный поток в роторе, если перемычки и шины образуют замкнутый контур.
7. Короткое замыкание одного из полюсов явнополюсной машины.
8. Круговой ток образованный междуполюсными соединениями в явнополюсных машинах.
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.
Контур паразитных подшипниковых 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:
Экспериментальные данные, полученные сотрудниками ЮВТЕК во ходе проведения диагностики электромагнитного состояния на ходу более чем на 30-ти турбоагрегатах, указывают что напряжение вдоль вала относительно земли распределяется по не линейно убывающей зависимости.
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 тока, т.е. дополнительные контура токов, замыкающиеся через подшипники. 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 (Приложение 1), 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 задний подшипник не вызывая прямого пробоя масляной пленки. Что показывает практика эксплуатации турбогенераторов, а именно, даже при значительных повреждениях подшипников турбины, задний (изолированный) подшипник генератора остается невредимым, хотя в районе заднего подшипника ротора генератора имеется максимальное значение напряжения на валу.
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:
Токи, вызванные переменной составляющей напряжения вала, постоянно циркулируют через подшипники в виде токов электрического смещения, вызывая пробой масляной пленки, только при превышении критических значений. 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).