발전기 샤프트 전압의 원인, 위험 및 해결 방법

단일 발전기 장치의 용량이 증가함에 따라 축 전압은 정적 자기 여자 시스템을 채택하는 대형 발전기에 심각한 문제가 되었습니다. 샤프트 전압의 파형에는 특히 유막 절연에 해로운 복잡한 고조파 펄스 구성 요소가 포함되어 있습니다. 샤프트 전압이 유막의 항복 전압을 초과하지 않을 때 샤프트 전류는 매우 작습니다. 샤프트 전압이 베어링 오일층 항복 전압을 초과하면 베어링에 큰 샤프트 전류(소위 EDM 전류)가 생성되어 베어링 부품이 연소되어 심각한 손상을 초래할 수 있습니다. 자기 회로 비대칭, 단극 효과, 용량성 전류, 정전기 효과, 정적 여기 시스템, 케이싱, 샤프트의 영구 자화 등은 모두 잠재적으로 샤프트 전압을 유발할 수 있습니다.

샤프트 전압은 모터 작동 중에 모터의 두 베어링 끝 사이 또는 모터 샤프트와 베어링 사이에서 생성되는 전압을 나타냅니다. 정상적인 상황에서는 샤프트 전압이 낮을 때 발전기 샤프트와 베어링 사이의 윤활유 막이 우수한 절연을 제공합니다. 그러나 어떤 이유로 샤프트 전압이 특정 값으로 상승하면 유막이 파괴되어 방전되어 샤프트 전류 생성을 위한 회로가 형성됩니다. 축전류는 유막의 안정성을 무너뜨려 윤활유의 상태를 점차 악화시킬 뿐만 아니라, 축전류가 베어링과 축 사이의 금속 접촉점(전류밀도가 매우 작고 매우 작은 접촉점)을 통과하기 때문에 순간적으로 매우 높은 온도가 발생하여 베어링이 국부적으로 녹는 현상이 발생합니다. 롤링 압력 하에서 용융된 베어링 합금이 튀어 베어링 내부 표면의 작은 구멍을 태웁니다. 결국 기계적 마모가 가속화되어 베어링이 파손되고, 심한 경우 베어링 쉘이 소손되어 사고가 발생하고 강제로 가동을 중단하게 됩니다.

발전기 샤프트 전압은 항상 존재하지만 일반적으로 높지 않으며 일반적으로 몇 볼트에서 수십 볼트에 이릅니다. 그러나 절연 패드가 오일 얼룩, 손상 또는 노화로 인해 파손되면 샤프트 전압이 샤프트와 베어링 사이의 유막을 파괴하기에 충분하여 방전이 발생합니다. 시간이 지남에 따라 윤활유 및 냉각유의 품질이 점차 저하되고 심한 경우 샤프트와 베어링이 소손되어 정지 사고가 발생합니다.

1. 발전기 축 전압의 원인

(1) 자기 비대칭으로 인한 축 전압
터빈발전기 축의 양단에 존재하는 교류전압이다. 고정자 코어에 부채꼴 모양의 스탬프 라미네이션 사용, 회전자의 다양한 편심, 부채꼴 모양 라미네이션의 다양한 투자율, 냉각 및 클램핑 등에 사용되는 샤프트 가이드 홈으로 인해 발전기 제조 및 작동으로 인해 자기 비대칭이 발생하여 샤프트, 베어링 및 기초 플레이트를 포함하는 교번 자속 루프가 발생합니다. 이는 발전기 축의 양쪽 끝단에 전압차를 발생시킵니다. 각 유형의 자기 비대칭은 해당 진폭과 주파수를 갖는 샤프트 전압 성분을 유발합니다. 다양한 샤프트 전압 구성 요소가 중첩되어 이 샤프트 전압의 주파수 구성이 매우 복잡해집니다. 기본 성분의 진폭이 가장 크고, 3차 및 5차 고조파의 진폭이 약간 더 작고, 더 높은 고조파 성분의 진폭이 매우 작습니다. 이 AC 샤프트 전압은 일반적으로 1~10V이며 많은 양의 에너지를 가지고 있습니다. 효과적인 조치를 취하지 않으면 이 샤프트 전압이 샤프트 베어링 기초 플레이트 등을 통해 루프를 형성하여 큰 샤프트 전류를 생성합니다. 샤프트 전류로 인한 전기 아크는 베어링과 샤프트 표면 사이에 적용됩니다. 그 주요 결과는 베어링과 샤프트 표면의 텅스텐 카바이드가 마모되고 윤활유가 급속히 악화되는 것입니다. 이는 베어링의 기계적 마모를 가속화하고 심한 경우 베어링 쉘이 소손될 수 있습니다.

(2) 정전기에 의한 축 전압
샤프트와 접지 플레이트 사이에 나타나는 이 DC 전압은 특정 조건에서 고속으로 흐르는 습증기와 터빈 저압 실린더 블레이드 사이의 마찰로 인해 생성된 정전기에 의해 생성됩니다. 이러한 정전기 효과는 특정 증기 조건에서만 가끔 발생하며 자주 발생하지 않습니다. 작동 조건에 따라 이러한 유형의 샤프트 전압은 때때로 매우 높아서 수백 볼트에 달할 수 있으며 만지면 따끔거리는 느낌을 유발할 수 있습니다. 여자측으로 쉽게 전도되지 않지만, 이 정전기 전하를 지면으로 전도하기 위한 조치를 취하지 않으면 발전기 터빈측 베어링 오일막에 축적되어 결국 오일막에서 방전되어 베어링 손상으로 이어집니다.

(3) 정적 여자 시스템으로 인한 축 전압
현재 대형 증기 터빈 발전기 세트는 일반적으로 정적 여자 시스템을 사용합니다. 사이리스터 아크 정류의 영향으로 인해 새로운 샤프트 전압 소스가 정적 여자 시스템에 도입됩니다. 정지여자시스템은 정지사이리스터 정류기를 거쳐 발전기 여자권선에 직류전압을 공급하는데, 이 직류전압이 맥동전압이다. 3상 완전히 제어되는 브리지를 사용하는 정적 여자 시스템의 경우 여자 출력 전압의 파형은 한 사이클 내에 6개의 펄스를 갖습니다. 이렇게 빠르게 변화하는 맥동 전압은 발전기 여자 권선과 회전자 본체 사이의 용량성 결합을 통해 축과 접지 사이에 AC 전압을 생성합니다. 이 샤프트 전압은 주파수 300Hz(여자 시스템의 AC 전압 주파수가 50Hz인 경우)의 맥동형 스파이크 모양입니다. 이는 자기 비대칭으로 인한 샤프트 전압에 중첩되어 유막이 더 높은 스파이크 전압을 견딜 수 있게 합니다. 어느 정도 증가하면 유막을 분해하여 전류를 형성하여 기계 부품에 소손 및 손상을 유발합니다.

(4) 잔류자기에 의한 축전압
발전기가 심하게 단락되거나 기타 비정상적인 작동 조건에서 발생하는 경우 주축, 베어링, 케이싱 및 기타 구성 요소가 자화되어 일정량의 잔류 자성을 유지하는 경우가 많습니다. 자력선은 베어링에 세로 가지를 생성하고, 장치의 주축이 회전하면 단극 기전력이라고 불리는 기전력이 발생합니다. 정상적인 상황에서 약한 잔류 자기로 인해 생성된 단극 전위는 밀리볼트 범위에 불과합니다. 그러나 회전자 권선 회전이나 2점 접지 사이에 단락이 발생하면 단극 전위가 수 볼트에서 수십 볼트에 도달하여 큰 축 전류가 생성됩니다. 이 전류는 샤프트, 베어링 및 기초 플레이트를 통해 축 방향으로 흐르며, 메인 샤프트 및 베어링 부시가 소손될 뿐만 아니라 이러한 구성 요소를 심하게 자화시켜 장치 유지 관리를 어렵게 만듭니다.

2. 발전기 축 전압으로 인한 위험 축 전압의 크기는 특정 장치에 따라 다릅니다. 일반적으로 단위 용량이 클수록 공극 흐름 및 구조의 비대칭성이 커집니다. 자기장의 고조파 성분이 클수록 코어 포화도가 높아지고 고정자 불균일이 클수록 피크 샤프트 전압이 높아집니다. 샤프트 전압 파형에는 복잡한 고조파 성분이 있습니다. 정적 제어 정류기 여자를 사용하는 장치는 샤프트 전압 파형에 높은 펄스 성분이 있으며 이는 유막 절연에 특히 유해합니다. 샤프트 전압이 특정 값에 도달하면 적절한 조치를 취하지 않으면 유막이 파괴되어 샤프트 전류가 생성됩니다.

증기 터빈 발전기 세트의 축 전류가 매우 높으면 축 전류가 통과하는 저널, 베어링 및 기타 관련 부품이 소손됩니다. 터빈 메인 오일 펌프의 구동 웜과 웜 휠이 손상됩니다. 샤프트 전류로 인해 발생하는 전기 아크는 베어링 구성 요소를 침식하고 베어링 윤활유를 노화시켜 베어링 기계적 마모를 가속화합니다. 샤프트 전류는 터빈 부품, 발전기 엔드 커버, 베어링 및 샤프트 주변의 기타 부품을 강하게 자화시켜 저널과 임펠러에서 단극 전위를 생성합니다.

샤프트 전압이 샤프트와 베어링 사이의 유막을 파괴할 만큼 충분히 높으면 방전이 발생합니다. 방전 회로는 발전기 샤프트 - 저널 - 베어링 - 베어링 브래킷 - 발전기 베이스입니다. 축전압은 높지 않지만(300MW 발전기의 경우 6V 내외), 회로 저항은 매우 작습니다. 따라서 생성된 축 전류는 매우 클 수 있으며 때로는 수백 암페어에 도달할 수도 있습니다. 샤프트 전류는 윤활유 및 냉각유의 품질을 점차 저하시키고 심한 경우 베어링을 소손시켜 강제 정지 및 사고를 유발할 수 있습니다. 따라서 설치 및 작동 중에 발전기 세트의 샤프트와 베어링 사이의 전압을 측정하고 점검해야 합니다.

3. 발전기 축 전압의 예방 및 제거 조치

일반적으로 다음과 같은 예방 조치가 채택됩니다.

(1) 설계 및 설치 과정에서 일반적으로 발전기 여자 끝 부분의 베어링 브래킷과 베이스 사이에 절연 패드가 설치됩니다. 동시에 모든 오일 파이프, 나사, 볼트 등이 절연됩니다.

(2) 접지 브러시는 발전기 샤프트의 터빈 측에 설계되어 터빈의 저압 섹션에서 정전기 전하를 방출하여 샤프트와 접지 전위가 동일하도록 보장합니다.

샤프트 전압을 제거하는 것 외에도 샤프트 접지 브러시는 모터를 보호하기 위해 다음과 같은 기능도 수행합니다. 접지에 대한 양극 및 음극 회전자 전압을 측정합니다. 비. 로터의 단일 지점 접지에 대한 보호 역할을 합니다.

(3) 터빈 발전기 세트의 자기 회로 비대칭으로 인해 발생하는 축 전압을 줄이기 위해 발전기 설계 시 축 전압의 3차 또는 5차 고조파 성분을 제거하거나 줄이는 조치를 고려합니다. 완전히 새로운 발전기 구조가 채택되었으며, 설치는 로터 편심을 방지하기 위해 제조업체의 공정 및 설계 요구 사항을 엄격하게 따릅니다.

(4) 회전자 권선의 단일점 접지 단락에 의해 발생하는 축 전압을 방지하기 위해 여자 회로의 2점 접지 보호 장치가 작동 중에 활성화됩니다. (5) 축 전류를 차단하려면 발전기 베어링, 수소냉각식 발전기의 오일 씰, 수냉식 발전기 회전자의 입구 및 출구 물 지지대 및 입구/출구 파이프 플랜지, 테일 베어링 및 모터 프레임의 베이스 플레이트 사이를 포함하여 여자 단부에 절연 패드를 설치하십시오. 베어링 하우징의 패스너와 베어링 하우징에 연결된 오일 파이프도 베어링으로부터 절연되어야 합니다. 이중 절연 조치를 사용할 수 있습니다.

(6) 모터 설계 시 자기 회로 비대칭을 피하십시오.

(7) 모터 설계, 제작, 운전 시 축방향 자속을 피하십시오.

(8) 베어링 하우징을 접지에 절연합니다.

(9) 샤프트에 접지 브러시를 설치하십시오.

(10) 비자성 베어링 하우징이나 추가 코일을 사용하십시오.

(11) DC 모터의 전기자 출력 단자 접지에 바이패스 커패시터를 추가합니다.

4. 축 전압 측정 회전자 접지 브러시와 베어링의 절연은 축 전압으로부터 발전기를 보호하고 안전한 작동을 보장하는 데 중요합니다. 실제 운전 시에는 설치 및 운전환경 악화, 마모 등의 요인으로 인해 회전자 접지 불량이나 베어링 절연 저하 등이 발생하여 축 전압 및 축 전류가 상승하여 궁극적으로 발전기가 손상될 수 있습니다. 따라서 발전기 운전을 개선하려면 축전압을 정기적으로 측정하는 것이 필수적입니다. 아래에서는 상대적으로 간단한 측정 방법을 권장합니다. 위 다이어그램에 표시된 대로, 여기서:

U1: 발전기 회전자 샤프트의 두 끝 사이의 전압 차이. 정상적인 상황에서 이는 주로 회전자 자기 비대칭으로 인해 발생합니다. 제조업체는 일반적으로 경험적 데이터를 제공합니다. 각각의 사소한 점검 후에 이를 측정하고 과거 데이터와 비교하는 것이 좋습니다.

U2: 발전기 후면 샤프트의 접지 전압.

U3: 발전기 후면 베어링의 절연층 사이의 금속판과 접지 사이의 전압.

A: 발전기 전면 접지 카본 브러시의 접지 리드에서 측정된 전류입니다.

U2, U3, A는 작동 중에 주기적으로 측정되어야 합니다. 이러한 데이터의 변경 사항은 발전기의 상태를 나타낼 수 있습니다.

① U1은 제조사가 제공하는 범위 내에 있어야 하며 과거 데이터와 비교하여 크게 변하지 않아야 합니다. 그렇지 않은 경우에는 발전기의 고정자와 회전자의 상태를 점검하여 원인을 파악해야 합니다.

② U2 ≒ U3(정상값). U2가 U3(정상값)보다 큰 경우 샤프트 접지 카본 브러시의 접지 상태를 점검해야 합니다. 작동 중에 단기 외부 접지선을 전면 샤프트에 연결하여 접지한 다음 U2를 측정하고 비교할 수 있습니다.

③ U3는 U2와 가까워야 합니다. U2와 U3의 차이는 베어링 오일막에 인가되는 전압을 나타내므로 과도한 전압은 오일막 파손을 일으킬 수 있습니다. 이 차이는 4V를 초과하지 않거나 U3가 U2의 70% 이상이어야 합니다. 그렇지 않은 경우에는 표면 오염이나 절연 노화 등 베어링의 접지 절연 상태를 확인해야 합니다.

④ 일반적으로 샤프트 접지용 카본 브러시에 흐르는 전류 A는 수 밀리암페어에서 수백 밀리암페어까지입니다. 이 값이 크게 증가하면 샤프트 전압 측정과 함께 베어링 절연을 점검해야 합니다.