Источники напряжения на валу генератора

Переменное магнитное потокосцепление с валом вызывает индуцирование напряжения на концах ротора. Основная причина изменения потокосцепления — наличие стыков сердечника статора, из-за которых происходит пульсация магнитного потока.
Если зазор между ротором и статором по его сторонам отличается, то магнитное сопротивление от центра вала к ярму также различается. В результате возникает пульсирующий магнитный поток, замыкающийся вокруг вала.

Ошибки при монтаже или несоосность ротора и статора вызывают асимметрию магнитной цепи и изменяют потокосцепление. При неравномерном воздушном зазоре магнитные линии стремятся пройти по пути с минимальным сопротивлением, захватывая вал ротора. Вращающийся ротор пересекается переменным магнитным потоком, что индуцирует ЭДС, создающую ток в цепи «вал — подшипники — корпус».

Роль мест ослабления магнитной цепи могут играть не только стыки сердечника, но и клинья, а также зазоры между пакетами активной стали. Они вызывают локальные несимметрии магнитного поля и появление ЭДС на валу с частотами выше основной. Дополнительные источники ЭДС — несимметричная нагрузка по фазам и переходные процессы в обмотке статора, которые также изменяют потокосцепление.

Подшипниковые токи при намагниченном валу

Если вал генератора или турбины намагничен, часть магнитного потока замыкается через подшипники. При вращении вала возникает эффект униполярного генератора: между шейкой вала и поверхностью скольжения подшипника появляется постоянное напряжение, величина которого пропорциональна магнитному потоку (см. рисунок 2). Контур тока замыкается внутри одного подшипника между его скользящими поверхностями.

Обычная мера защиты — изоляция корпуса подшипника от корпуса генератора — не препятствует таким токам, так как они замыкаются внутри самого подшипника. Для их устранения рекомендуется размагнитить вал или скорректировать расположение токоотводов.

Причины намагничивания вала

1. Круговой ток вокруг вала, формируемый токосъёмным устройством обмотки возбуждения.

2. Витковые замыкания в обмотке ротора.

3. Нескомпенсированный полувиток на противоположной стороне ротора относительно контактных колец.

4. Несимметрия токов в лобовых частях обмотки статора.

5. Уравнительные токи между параллельными ветвями одной из фаз.

6. Короткое замыкание фазы на нейтраль с образованием замкнутого контура перемычками и шинами.

7. КЗ одного из полюсов явнополюсной машины.

8. Круговой ток в междуполюсных соединениях явнополюсных машин.

Наибольший вклад в формирование ЭДС на валу всего турбоагрегата или гидроагрегата дают процессы, происходящие именно в генераторе. Индуцированное напряжение на валу имеет гармонический состав — основная гармоника и гармоники более высоких порядков. Постоянная составляющая напряжения мала и наблюдается лишь при намагниченном состоянии узлов генератора или в переходных режимах.

Контуры паразитных подшипниковых токов

Паразитные токи в системе «турбина – генератор» могут проходить не только через подшипники, но и через уплотнения роторов, водородные уплотнения генератора, маслопроводы и даже датчики вибрации.

Диагностические исследования ЮВТЭК более чем на 30 турбоагрегатах показали, что напряжение вдоль вала относительно земли распределено неравномерно. Максимальное значение фиксируется в районе заднего подшипника генератора, минимальное — у первого подшипника со стороны турбины. Это указывает на наличие дополнительных контуров тока, замыкающихся через подшипники.

Отсутствие электроэрозионных повреждений изолированных задних подшипников при наличии значительного износа подшипников турбины подтверждает, что переменные токи, замыкающиеся через подшипники, носят активно-ёмкостный характер.

Электрическая модель подшипникового узла

Система «вкладыш – масляная плёнка – вал» работает как конденсатор с ёмкостью порядка 10–30 нF. Для первой гармоники сопротивление такого конденсатора составляет примерно 100–500 кОм (для турбогенераторов мощностью 60–300 МВт). Токи смещения, возникающие от переменной составляющей ЭДС вала, имеют амплитуду в единицы миллиампер и замыкаются через задний подшипник без пробоя масляной плёнки.

Практика эксплуатации показывает, что даже при значительных повреждениях подшипников турбины изолированный задний подшипник генератора остаётся неповреждённым, несмотря на наибольшее напряжение на валу в этом месте.

Роль подстуловой изоляции

Для переменных токов подстуловая изоляция работает как ёмкость, а для постоянных — как сопротивление, стремящиеся к бесконечности. Поэтому исправная изоляция заднего подшипника крайне важна: она прерывает путь постоянных токов и ограничивает величину переменных контурных токов.

Токи переменной составляющей напряжения вала постоянно циркулируют через подшипники в виде токов смещения, но пробой масляной плёнки возможен только при превышении критического напряжения. В нормальных условиях пробивное напряжение составляет 20–25 В, а при ухудшении качества масла или перекосе подшипника снижается до 5–7 В.