Causas, peligros y soluciones para el voltaje del eje del generador.

Con la creciente capacidad de las unidades de un solo generador, el voltaje del eje se ha convertido en un problema grave para los grandes generadores que adoptan sistemas estáticos de autoexcitación. La forma de onda del voltaje del eje contiene componentes de pulso armónicos complejos, que son particularmente perjudiciales para el aislamiento de la película de aceite. Cuando el voltaje del eje no excede el voltaje de ruptura de la película de aceite, la corriente del eje es muy pequeña. Si el voltaje del eje excede el voltaje de ruptura de la capa de aceite del rodamiento, se generará una gran corriente del eje en el rodamiento, la llamada corriente EDM, que quemará los componentes del rodamiento y causará daños importantes. La asimetría del circuito magnético, el efecto unipolar, la corriente capacitiva, el efecto electrostático, el sistema de excitación estática, la magnetización permanente de la carcasa, el eje, etc., pueden causar potencialmente voltaje en el eje.

El voltaje del eje se refiere al voltaje generado entre los dos extremos del cojinete de un motor o entre el eje del motor y el cojinete durante el funcionamiento del motor. En circunstancias normales, cuando el voltaje del eje es bajo, la película de aceite lubricante entre el eje del generador y el cojinete proporciona un buen aislamiento. Sin embargo, si el voltaje del eje aumenta a un cierto valor por alguna razón, romperá la película de aceite y se descargará, formando un circuito para la generación de corriente en el eje. La corriente del eje no solo altera la estabilidad de la película de aceite, causando que el aceite lubricante se deteriore gradualmente, sino que también, debido a que la corriente del eje pasa a través del punto de contacto metálico entre el rodamiento y el eje (un punto de contacto muy pequeño con una alta densidad de corriente), genera temperaturas extremadamente altas instantáneamente, causando la fusión localizada del rodamiento. La aleación de rodamiento derretida, bajo la presión del rodamiento, salpica y quema pequeños hoyos en la superficie interior del rodamiento. En última instancia, el rodamiento se romperá debido al desgaste mecánico acelerado y, en casos graves, el casquillo del rodamiento se quemará, provocando un accidente y obligando a una parada.

El voltaje del eje del generador siempre está presente, pero generalmente no es alto y suele oscilar entre unos pocos voltios y una docena de voltios. Sin embargo, cuando las almohadillas aislantes fallan debido a manchas de aceite, daños o envejecimiento, el voltaje del eje es suficiente para romper la película de aceite entre el eje y el cojinete, provocando una descarga. Con el tiempo, esto deteriorará gradualmente la calidad del aceite lubricante y refrigerante y, en casos graves, quemará el eje y los cojinetes, lo que provocará un accidente de parada.

1. Causas del voltaje del eje del generador

(1) Voltaje del eje causado por asimetría magnética
Es un voltaje de CA existente en ambos extremos del eje del generador de turbina. Debido al uso de laminaciones estampadas en forma de sector en el núcleo del estator, las diferentes excentricidades del rotor, la diferente permeabilidad de las laminaciones en forma de sector y las ranuras de guía del eje utilizadas para enfriamiento y sujeción, etc., la asimetría magnética es causada por la fabricación y operación del generador, lo que resulta en un bucle de flujo magnético alterno que incluye el eje, los cojinetes y la placa de base. Esto genera una diferencia de voltaje en ambos extremos del eje del generador. Cada tipo de asimetría magnética provocará un componente de voltaje en el eje con su correspondiente amplitud y frecuencia. Los distintos componentes de la tensión del eje están superpuestos, lo que hace que la composición de frecuencia de esta tensión del eje sea muy compleja. El componente fundamental tiene la amplitud más grande, los armónicos tercero y quinto tienen amplitudes ligeramente más pequeñas y los componentes armónicos más altos tienen amplitudes muy pequeñas. Este voltaje del eje de CA es generalmente de 1 a 10 V y tiene una gran cantidad de energía. Si no se toman medidas efectivas, esta tensión del eje formará un bucle a través de la placa de cimentación del cojinete del eje, etc., generando una gran corriente en el eje. El arco eléctrico causado por la corriente del eje se aplica entre el rodamiento y la superficie del eje. Su principal consecuencia es el desgaste del carburo de tungsteno en el rodamiento y en la superficie del eje, y el rápido deterioro del aceite lubricante. Esto acelera el desgaste mecánico del rodamiento y, en casos graves, puede provocar que se queme el casquillo del rodamiento.

(2) Voltaje del eje causado por carga electrostática
Este voltaje CC, que aparece entre el eje y la placa de tierra, es generado por la carga electrostática producida por la fricción entre el vapor húmedo que fluye a alta velocidad y las palas del cilindro de baja presión de la turbina bajo ciertas condiciones. Este efecto electrostático sólo se produce ocasionalmente bajo determinadas condiciones de vapor y no es frecuente. Dependiendo de las condiciones de funcionamiento, este tipo de voltaje del eje puede en ocasiones ser muy alto, alcanzando cientos de voltios, provocando una sensación de hormigueo al tocarlo. No se conduce fácilmente al lado del excitador, pero si no se toman medidas para conducir esta carga electrostática al suelo, se acumulará en la película de aceite del cojinete en el lado de la turbina del generador y eventualmente se descargará en la película de aceite, lo que provocará daños en el cojinete.

(3) Voltaje del eje causado por el sistema de excitación estática
Actualmente, los grandes grupos electrógenos de turbina de vapor utilizan generalmente un sistema de excitación estático. Debido a la influencia de la conmutación del arco del tiristor, se introduce una nueva fuente de voltaje en el eje en el sistema de excitación estática. El sistema de excitación estática suministra voltaje de CC al devanado de excitación del generador a través de un rectificador de tiristores estáticos, y este voltaje de CC es un voltaje pulsante. Para un sistema de excitación estática que utiliza un puente trifásico totalmente controlado, la forma de onda de su voltaje de salida de excitación tiene 6 pulsos dentro de un ciclo. Este voltaje pulsante que cambia rápidamente genera un voltaje de CA entre el eje y tierra a través del acoplamiento capacitivo entre el devanado de excitación del generador y el cuerpo del rotor. Este voltaje del eje es pulsante y tiene forma de pico, con una frecuencia de 300 Hz (cuando la frecuencia del voltaje de CA del sistema de excitación es de 50 Hz). Se superpone al voltaje del eje causado por la asimetría magnética, lo que hace que la película de aceite resista un pico de voltaje más alto. Cuando aumenta hasta cierto punto, rompe la película de aceite, formando una corriente que provoca quemaduras y daños en las piezas mecánicas.

(4) Voltaje del eje causado por magnetismo residual
Cuando el generador sufre un cortocircuito grave o se encuentra en otras condiciones de funcionamiento anormales, el eje principal, los cojinetes, la carcasa y otros componentes suelen estar magnetizados y retener una cierta cantidad de magnetismo residual. Las líneas magnéticas generan ramas longitudinales en los cojinetes y, cuando el eje principal de la unidad gira, se genera una fuerza electromotriz, llamada fuerza electromotriz unipolar. En circunstancias normales, el potencial unipolar generado por un magnetismo residual débil está sólo en el rango de milivoltios. Sin embargo, cuando hay un cortocircuito entre las espiras del devanado del rotor o una conexión a tierra de dos puntos, el potencial unipolar alcanzará varios voltios a decenas de voltios, generando una gran corriente en el eje. Esta corriente fluye axialmente a través del eje, los cojinetes y la placa de cimentación, no solo quemando el eje principal y los casquillos de los cojinetes, sino que también magnetizan severamente estos componentes, lo que dificulta el mantenimiento de la unidad.

2. Peligros causados ​​por el voltaje del eje del generador La magnitud del voltaje del eje varía dependiendo de la unidad específica. Generalmente, cuanto mayor es la capacidad de la unidad, mayor es la asimetría en el flujo y la estructura del entrehierro. Cuanto mayores sean los componentes armónicos en el campo magnético, mayor será la saturación del núcleo y cuanto mayor sea la desigualdad del estator, mayor será el voltaje máximo en el eje. La forma de onda del voltaje del eje tiene componentes armónicos complejos. Las unidades que utilizan excitación de rectificador controlable estáticamente tienen un alto componente de pulso en la forma de onda de voltaje de su eje, lo que es particularmente dañino para el aislamiento de la película de aceite. Cuando el voltaje del eje alcanza un cierto valor, si no se toman las medidas adecuadas, la película de aceite se romperá y generará corriente en el eje.

Si la corriente del eje de un grupo electrógeno de turbina de vapor es muy alta, los muñones, cojinetes y otros componentes relacionados a través de los cuales pasa la corriente del eje se quemarán. Se dañarán el tornillo sin fin y la rueda helicoidal de la bomba de aceite principal de la turbina. El arco eléctrico causado por la corriente del eje erosionará los componentes del rodamiento y envejecerá el aceite lubricante del rodamiento, acelerando así el desgaste mecánico del rodamiento. La corriente del eje magnetizará fuertemente los componentes de la turbina, las cubiertas de los extremos del generador, los cojinetes y otros componentes que rodean el eje, generando un potencial unipolar en los muñones y los impulsores.

Cuando el voltaje del eje es lo suficientemente alto como para romper la película de aceite entre el eje y los cojinetes, se produce una descarga. El circuito de descarga es: eje del generador—muñeca—cojinete—soporte de cojinete—base del generador. Aunque el voltaje del eje no es alto (alrededor de 6 V para un generador de 300 MW), la resistencia del circuito es muy pequeña. Por lo tanto, la corriente generada en el eje puede ser muy grande, alcanzando a veces cientos de amperios. La corriente del eje deteriorará gradualmente la calidad del aceite lubricante y refrigerante y, en casos graves, quemará los cojinetes, forzando una parada y provocando un accidente. Por lo tanto, durante la instalación y operación, se debe medir y verificar el voltaje entre el eje y los cojinetes del grupo electrógeno.

3. Medidas de prevención y eliminación del voltaje en el eje del generador

Normalmente se adoptan las siguientes medidas preventivas:

(1) Durante el diseño y la instalación, generalmente se instala una almohadilla aislante entre el soporte del cojinete en el extremo de excitación del generador y la base. Al mismo tiempo se aíslan todos los tubos de aceite, tornillos, pernos, etc.

(2) Se diseña una escobilla de conexión a tierra en el lado de la turbina del eje del generador para liberar cargas electrostáticas en la sección de baja presión de la turbina, asegurando que los potenciales del eje y de tierra sean los mismos.

Además de eliminar el voltaje del eje, la escobilla de puesta a tierra del eje también cumple las siguientes funciones para proteger el motor: a. Medición de los voltajes positivos y negativos del rotor a tierra. b. Sirve como protección contra la puesta a tierra del rotor en un solo punto.

(3) Para reducir el voltaje del eje causado por la asimetría del circuito magnético en el grupo electrógeno de turbina, durante el diseño del generador se consideran medidas para eliminar o reducir los componentes armónicos tercero o quinto en el voltaje del eje. Se adopta una estructura de generador completamente nueva y la instalación sigue estrictamente los requisitos de proceso y diseño del fabricante para evitar la excentricidad del rotor.

(4) Para evitar que se genere voltaje en el eje por un cortocircuito a tierra de un solo punto en los devanados del rotor, durante la operación se activa un dispositivo de protección de puesta a tierra de dos puntos para el circuito de excitación. (5) Para cortar la corriente del eje, instale almohadillas aislantes en el extremo de excitación, incluso entre los cojinetes del generador, los sellos de aceite del generador enfriado por hidrógeno, los soportes de entrada y salida de agua y las bridas de las tuberías de entrada/salida del rotor del generador enfriado por agua, y el cojinete de cola y la placa base del bastidor del motor. Los sujetadores de los soportes de los cojinetes y los tubos de aceite conectados a los soportes de los cojinetes también deben estar aislados de los cojinetes; Se pueden utilizar medidas de doble aislamiento.

(6) Evite la asimetría del circuito magnético durante el diseño del motor.

(7) Evite el flujo magnético axial durante el diseño, fabricación y operación del motor.

(8) Aísle los alojamientos de los cojinetes a tierra.

(9) Instale escobillas de conexión a tierra en el eje.

(10) Utilice soportes de cojinetes no magnéticos o bobinas adicionales.

(11) Agregue un capacitor de derivación a tierra en el terminal de salida del inducido del motor de CC.

4. Medición del voltaje del eje El aislamiento de las escobillas y cojinetes de puesta a tierra del rotor es crucial para proteger el generador del voltaje del eje y garantizar un funcionamiento seguro. En el funcionamiento real, debido a factores como la instalación y el deterioro del entorno operativo y el desgaste, puede producirse una mala conexión a tierra del rotor o un menor aislamiento del cojinete, lo que provoca un aumento del voltaje y la corriente del eje, lo que en última instancia puede dañar el generador. Por lo tanto, medir periódicamente el voltaje del eje es esencial para mejorar el funcionamiento del generador. A continuación, recomendamos un método de medición relativamente simple: como se muestra en el diagrama anterior, donde:

U1: Diferencia de voltaje entre los dos extremos del eje del rotor del generador. En circunstancias normales, esto se debe principalmente a la asimetría magnética del rotor. Los fabricantes suelen proporcionar datos empíricos; Se recomienda medir esto después de cada revisión menor y compararlo con datos históricos.

U2: Tensión del eje trasero del generador a tierra.

U3: Tensión de la placa metálica entre las capas de aislamiento del cojinete trasero del generador a tierra.

R: Corriente medida en el cable de conexión a tierra de la escobilla de carbón de conexión a tierra frontal del generador.

U2, U3 y A deben medirse periódicamente durante el funcionamiento. Los cambios en estos datos pueden indicar la condición del generador:

① U1 debe estar dentro del rango proporcionado por el fabricante y no debe cambiar significativamente en comparación con los datos históricos. De lo contrario, se debe verificar el estado del estator y el rotor del generador para determinar la causa.

② U2 ≈ U3 (valor normal). Si U2 es mayor que U3 (valor normal), es necesario comprobar la conexión a tierra de la escobilla de carbón de puesta a tierra del eje. Durante el funcionamiento, se puede conectar un cable de conexión a tierra externo de corta duración al eje frontal para la conexión a tierra, y luego se puede medir y comparar U2.

③ U3 debe estar cerca de U2. Dado que la diferencia entre U2 y U3 representa el voltaje aplicado a la película de aceite del rodamiento, un voltaje excesivo puede provocar la rotura de la película de aceite. Se recomienda que esta diferencia no supere los 4V, o que U3 no sea inferior al 70% de U2. De lo contrario, se debe comprobar el estado del aislamiento del rodamiento a tierra, como por ejemplo contaminación de la superficie o envejecimiento del aislamiento.

④ Generalmente, la corriente A que fluye a través de la escobilla de carbón de conexión a tierra del eje varía desde unos pocos miliamperios hasta varios cientos de miliamperios. Si este valor aumenta significativamente, se debe verificar el aislamiento del rodamiento junto con la medición de voltaje del eje.