Causas, perigos e soluções para tensão no eixo do gerador

Com o aumento da capacidade de unidades geradoras individuais, a tensão no eixo tornou-se um problema sério para grandes geradores que adotam sistemas de autoexcitação estática. A forma de onda da tensão do eixo contém componentes de pulso harmônicos complexos, que são particularmente prejudiciais ao isolamento da película de óleo. Quando a tensão do eixo não excede a tensão de ruptura da película de óleo, a corrente do eixo é muito pequena. Se a tensão do eixo exceder a tensão de ruptura da camada de óleo do rolamento, uma grande corrente de eixo será gerada no rolamento, a chamada corrente EDM, que queimará os componentes do rolamento e causará danos significativos. Assimetria do circuito magnético, efeito unipolar, corrente capacitiva, efeito eletrostático, sistema de excitação estática, magnetização permanente da carcaça, eixo, etc., podem potencialmente causar tensão no eixo.

A tensão do eixo refere-se à tensão gerada entre as duas extremidades do rolamento de um motor ou entre o eixo do motor e o rolamento durante a operação do motor. Em circunstâncias normais, quando a tensão do eixo é baixa, a película de óleo lubrificante entre o eixo do gerador e o rolamento proporciona um bom isolamento. No entanto, se a tensão do eixo subir para um determinado valor por algum motivo, ela quebrará a película de óleo e será descarregada, formando um circuito para geração de corrente no eixo. A corrente do eixo não apenas perturba a estabilidade da película de óleo, fazendo com que o óleo lubrificante se deteriore gradualmente, mas também, como a corrente do eixo passa pelo ponto de contato metálico entre o rolamento e o eixo – um ponto de contato muito pequeno com alta densidade de corrente – ela gera temperaturas extremamente altas instantaneamente, causando o derretimento localizado do rolamento. A liga derretida do rolamento, sob a pressão da laminação, espirra e queima pequenos buracos na superfície interna do rolamento. Em última análise, o rolamento quebrará devido ao desgaste mecânico acelerado e, em casos graves, o casquilho queimará, causando um acidente e forçando o desligamento.

A tensão no eixo do gerador está sempre presente, mas geralmente não é alta, geralmente variando de alguns volts a uma dúzia de volts. Entretanto, quando as almofadas isolantes falham devido a manchas de óleo, danos ou envelhecimento, a tensão do eixo é suficiente para quebrar a película de óleo entre o eixo e o rolamento, causando uma descarga. Com o tempo, isso deteriorará gradualmente a qualidade do óleo lubrificante e de resfriamento e, em casos graves, queimará o eixo e os rolamentos, resultando em um acidente de desligamento.

1. Causas da tensão no eixo do gerador

(1) Tensão do eixo causada por assimetria magnética
É uma tensão CA existente em ambas as extremidades do eixo do turbogerador. Devido ao uso de laminações estampadas em formato de setor no núcleo do estator, às diferentes excentricidades do rotor, às diferentes permeabilidades das laminações em formato de setor e às ranhuras guia do eixo usadas para resfriamento e fixação, etc., a assimetria magnética é causada pela fabricação e operação do gerador, resultando em um circuito de fluxo magnético alternado, incluindo o eixo, os rolamentos e a placa de fundação. Isto gera uma diferença de tensão em ambas as extremidades do eixo do gerador. Cada tipo de assimetria magnética causará um componente de tensão no eixo com amplitude e frequência correspondentes. Os vários componentes da tensão do eixo são sobrepostos, tornando a composição de frequência desta tensão do eixo muito complexa. A componente fundamental tem a maior amplitude, o 3º e o 5º harmônicos têm amplitudes ligeiramente menores e os componentes harmônicos mais altos têm amplitudes muito pequenas. Essa tensão do eixo CA é geralmente de 1 ~ 10 V e possui uma grande quantidade de energia. Se nenhuma medida eficaz for tomada, esta tensão no eixo formará um loop através da placa de fundação do rolamento do eixo, etc., gerando uma grande corrente no eixo. O arco elétrico causado pela corrente do eixo é aplicado entre o rolamento e a superfície do eixo. Sua principal consequência é o desgaste do carboneto de tungstênio no rolamento e na superfície do eixo e a rápida deterioração do óleo lubrificante. Isso acelera o desgaste mecânico do rolamento e, em casos graves, pode causar a queima do casquilho.

(2) Tensão do eixo causada por carga eletrostática
Esta tensão CC, que aparece entre o eixo e a placa de aterramento, é gerada pela carga eletrostática produzida pelo atrito entre o vapor úmido que flui em alta velocidade e as pás do cilindro de baixa pressão da turbina sob certas condições. Este efeito eletrostático ocorre apenas ocasionalmente sob certas condições de vapor e não é frequente. Dependendo das condições de operação, esse tipo de tensão no eixo às vezes pode ser muito alta, chegando a centenas de volts, causando sensação de formigamento ao ser tocado. Não é facilmente conduzido para o lado do excitador, mas se nenhuma medida for tomada para conduzir esta carga eletrostática para o solo, ela se acumulará na película de óleo do rolamento no lado da turbina do gerador e eventualmente descarregará na película de óleo, causando danos ao rolamento.

(3) Tensão do eixo causada pelo sistema de excitação estática
Atualmente, grandes grupos geradores de turbina a vapor geralmente utilizam um sistema de excitação estática. Devido à influência da comutação do arco do tiristor, uma nova fonte de tensão do eixo é introduzida no sistema de excitação estática. O sistema de excitação estática fornece tensão CC ao enrolamento de excitação do gerador através de um retificador tiristor estático, e esta tensão CC é uma tensão pulsante. Para um sistema de excitação estática usando uma ponte trifásica totalmente controlada, a forma de onda de sua tensão de saída de excitação possui 6 pulsos em um ciclo. Esta tensão pulsante que muda rapidamente gera uma tensão CA entre o eixo e o terra através do acoplamento capacitivo entre o enrolamento de excitação do gerador e o corpo do rotor. Essa tensão do eixo é pulsante e em forma de pico, com frequência de 300 Hz (quando a frequência da tensão CA do sistema de excitação é 50 Hz). Ela é sobreposta à tensão do eixo causada pela assimetria magnética, fazendo com que a película de óleo suporte uma tensão de pico mais alta. Quando aumenta até certo ponto, rompe a película de óleo, formando uma corrente que causa queimaduras e danos às peças mecânicas.

(4) Tensão do eixo causada por magnetismo residual
Quando o gerador está gravemente em curto-circuito ou sob outras condições operacionais anormais, o eixo principal, os rolamentos, a carcaça e outros componentes são frequentemente magnetizados e retêm uma certa quantidade de magnetismo residual. As linhas magnéticas geram ramificações longitudinais nos rolamentos e, quando o eixo principal da unidade gira, é gerada uma força eletromotriz, chamada força eletromotriz unipolar. Em circunstâncias normais, o potencial unipolar gerado pelo magnetismo residual fraco está apenas na faixa dos milivolts. Porém, quando há um curto-circuito entre as espiras do enrolamento do rotor ou o aterramento de dois pontos, o potencial unipolar atingirá vários volts a dezenas de volts, gerando uma grande corrente no eixo. Essa corrente flui axialmente através do eixo, dos mancais e da placa de fundação, não apenas queimando o eixo principal e as buchas dos mancais, mas também magnetizando severamente esses componentes, dificultando a manutenção da unidade.

2. Perigos causados ​​pela tensão no eixo do gerador A magnitude da tensão no eixo varia dependendo da unidade específica. Geralmente, quanto maior a capacidade da unidade, maior a assimetria no fluxo e na estrutura do entreferro. Quanto maiores forem os componentes harmônicos no campo magnético, maior será a saturação do núcleo, e quanto maior a irregularidade do estator, maior será a tensão de pico do eixo. A forma de onda da tensão do eixo possui componentes harmônicos complexos. As unidades que usam excitação retificadora controlável estática têm um componente de pulso alto em sua forma de onda de tensão do eixo, o que é particularmente prejudicial ao isolamento da película de óleo. Quando a tensão do eixo atinge um determinado valor, se não forem tomadas as medidas adequadas, a película de óleo se romperá, gerando corrente no eixo.

Se a corrente do eixo de um grupo gerador de turbina a vapor for muito alta, os munhões, rolamentos e outros componentes relacionados através dos quais a corrente do eixo passa queimarão. O sem-fim e a roda sem-fim da bomba de óleo principal da turbina serão danificados. O arco elétrico causado pela corrente do eixo irá corroer os componentes do rolamento e envelhecer o óleo lubrificante do rolamento, acelerando assim o desgaste mecânico do rolamento. A corrente do eixo magnetizará fortemente os componentes da turbina, as tampas das extremidades do gerador, os rolamentos e outros componentes ao redor do eixo, gerando um potencial unipolar nos munhões e nos impulsores.

Quando a tensão do eixo é alta o suficiente para romper a película de óleo entre o eixo e os rolamentos, ocorre uma descarga. O circuito de descarga é: eixo do gerador – munhão – rolamento – suporte do rolamento – base do gerador. Embora a tensão no eixo não seja alta (cerca de 6 V para um gerador de 300 MW), a resistência do circuito é muito pequena. Portanto, a corrente gerada no eixo pode ser muito grande, chegando às vezes a centenas de amperes. A corrente do eixo deteriorará gradativamente a qualidade do óleo lubrificante e refrigerante e, em casos graves, queimará os mancais, forçando o desligamento e causando um acidente. Portanto, durante a instalação e operação, a tensão entre o eixo e os mancais do grupo gerador deve ser medida e verificada.

3. Medidas de Prevenção e Eliminação de Tensão no Eixo do Gerador

As seguintes medidas preventivas são normalmente adotadas:

(1) Durante o projeto e a instalação, uma almofada isolante geralmente é instalada entre o suporte do rolamento na extremidade de excitação do gerador e a base. Simultaneamente, todos os tubos de óleo, parafusos, porcas, etc., são isolados.

(2) Uma escova de aterramento é projetada no lado da turbina do eixo do gerador para liberar cargas eletrostáticas na seção de baixa pressão da turbina, garantindo que os potenciais do eixo e do terra sejam os mesmos.

Além de eliminar a tensão do eixo, a escova de aterramento do eixo também desempenha as seguintes funções para proteger o motor: a. Medição das tensões positivas e negativas do rotor para o terra. b. Servindo como proteção contra aterramento de ponto único do rotor.

(3) Para reduzir a tensão no eixo causada pela assimetria do circuito magnético no grupo turbogerador, medidas para eliminar ou reduzir os componentes do terceiro ou quinto harmônico na tensão do eixo são consideradas durante o projeto do gerador. Uma estrutura de gerador completamente nova é adotada e a instalação segue rigorosamente o processo e os requisitos de projeto do fabricante para evitar a excentricidade do rotor.

(4) Para evitar a tensão no eixo gerada por um curto-circuito de aterramento de ponto único nos enrolamentos do rotor, um dispositivo de proteção de aterramento de dois pontos para o circuito de excitação é ativado durante a operação. (5) Para cortar a corrente do eixo, instale almofadas isolantes na extremidade de excitação, inclusive entre os rolamentos do gerador, os retentores de óleo do gerador resfriado a hidrogênio, os suportes de entrada e saída de água e os flanges dos tubos de entrada/saída do rotor do gerador resfriado a água, e o rolamento traseiro e a placa de base da estrutura do motor. Os fixadores dos mancais e os tubos de óleo conectados aos mancais também devem ser isolados dos mancais; medidas de isolamento duplo podem ser usadas.

(6) Evite assimetria do circuito magnético durante o projeto do motor.

(7) Evite o fluxo magnético axial durante o projeto, fabricação e operação do motor.

(8) Isole os alojamentos dos mancais com aterramento.

(9) Instale escovas de aterramento no eixo.

(10) Use mancais não magnéticos ou bobinas adicionais.

(11) Adicione um capacitor de bypass ao aterramento no terminal de saída da armadura do motor CC.

4. Medição da Tensão do Eixo O isolamento das escovas de aterramento do rotor e dos mancais é crucial para proteger o gerador da tensão do eixo e garantir uma operação segura. Na operação real, devido a fatores como instalação e deterioração do ambiente operacional e desgaste, pode ocorrer mau aterramento do rotor ou diminuição do isolamento do rolamento, levando ao aumento da tensão e da corrente do eixo, o que pode danificar o gerador. Portanto, medir regularmente a tensão do eixo é essencial para melhorar o funcionamento do gerador. Abaixo, recomendamos um método de medição relativamente simples: Conforme mostrado no diagrama acima, onde:

U1: Diferença de tensão entre as duas extremidades do eixo do rotor do gerador. Em circunstâncias normais, isto é causado principalmente pela assimetria magnética do rotor. Os fabricantes geralmente fornecem dados empíricos; recomenda-se medir isto após cada pequena revisão e compará-lo com dados históricos.

U2: Tensão do eixo traseiro do gerador ao terra.

U3: Tensão da placa metálica entre as camadas de isolamento do mancal traseiro do gerador ao terra.

A: Corrente medida no fio de aterramento da escova de carbono de aterramento frontal do gerador.

U2, U3 e A devem ser medidos periodicamente durante a operação. Alterações nestes dados podem indicar a condição do gerador:

① U1 deve estar dentro da faixa fornecida pelo fabricante e não deve mudar significativamente em comparação com os dados históricos. Caso contrário, a condição do estator e do rotor do gerador deverá ser verificada para determinar a causa.

② U2 ≈ U3 (valor normal). Se U2 for maior que U3 (valor normal), o aterramento da escova de carbono de aterramento do eixo precisa ser verificado. Durante a operação, um fio de aterramento externo de curto prazo pode ser conectado ao eixo dianteiro para aterramento e então U2 pode ser medido e comparado.

③ U3 deve estar próximo de U2. Como a diferença entre U2 e U3 representa a tensão aplicada à película de óleo do rolamento, a tensão excessiva pode causar a ruptura da película de óleo. Recomenda-se que esta diferença não ultrapasse 4V, ou que U3 não seja inferior a 70% de U2. Caso contrário, deverá ser verificada a condição do isolamento do rolamento em relação ao aterramento, como contaminação da superfície ou envelhecimento do isolamento.

④ Geralmente, a corrente A que flui através da escova de carbono de aterramento do eixo varia de alguns miliamperes a várias centenas de miliamperes. Se este valor aumentar significativamente, o isolamento do mancal deverá ser verificado em conjunto com a medição da tensão no eixo.