Causes, dangers et solutions pour la tension de l'arbre du générateur

Avec la capacité croissante des groupes électrogènes uniques, la tension de l'arbre est devenue un problème sérieux pour les grands générateurs adoptant des systèmes d'auto-excitation statique. La forme d’onde de la tension de l’arbre contient des composantes d’impulsions harmoniques complexes, particulièrement préjudiciables à l’isolation du film d’huile. Lorsque la tension de l'arbre ne dépasse pas la tension de claquage du film d'huile, le courant de l'arbre est très faible. Si la tension de l'arbre dépasse la tension de claquage de la couche d'huile du roulement, un courant d'arbre important sera généré dans le roulement, appelé courant EDM, qui brûlera les composants du roulement et causera des dommages importants. L'asymétrie du circuit magnétique, l'effet unipolaire, le courant capacitif, l'effet électrostatique, le système d'excitation statique, la magnétisation permanente du boîtier, de l'arbre, etc., peuvent tous potentiellement provoquer une tension sur l'arbre.

La tension de l'arbre fait référence à la tension générée entre les deux extrémités du roulement d'un moteur ou entre l'arbre du moteur et le roulement pendant le fonctionnement du moteur. Dans des circonstances normales, lorsque la tension de l'arbre est faible, le film d'huile lubrifiante entre l'arbre du générateur et le roulement offre une bonne isolation. Cependant, si la tension de l'arbre atteint une certaine valeur pour une raison quelconque, elle brisera le film d'huile et se déchargera, formant ainsi un circuit pour la génération de courant dans l'arbre. Le courant de l'arbre perturbe non seulement la stabilité du film d'huile, provoquant une détérioration progressive de l'huile lubrifiante, mais également, étant donné que le courant de l'arbre passe par le point de contact métallique entre le roulement et l'arbre (un très petit point de contact avec une densité de courant élevée), il génère instantanément des températures extrêmement élevées, provoquant une fusion localisée du roulement. L'alliage du roulement fondu, sous la pression du roulement, éclabousse et brûle de petites piqûres sur la surface intérieure du roulement. En fin de compte, le roulement se brisera en raison d'une usure mécanique accélérée et, dans les cas graves, la coque du roulement grillera, provoquant un accident et forçant un arrêt.

La tension de l'arbre du générateur est toujours présente, mais elle n'est généralement pas élevée, allant généralement de quelques volts à une douzaine de volts. Cependant, lorsque les coussinets isolants tombent en panne en raison de taches d'huile, de dommages ou du vieillissement, la tension de l'arbre est suffisante pour briser le film d'huile entre l'arbre et le roulement, provoquant une décharge. Au fil du temps, cela détériorera progressivement la qualité de l'huile de lubrification et de refroidissement et, dans les cas graves, brûlera l'arbre et les roulements, entraînant un accident d'arrêt.

1. Causes de la tension de l'arbre du générateur

(1) Tension de l'arbre causée par l'asymétrie magnétique
Il s’agit d’une tension alternative existant aux deux extrémités de l’arbre du turbogénérateur. En raison de l'utilisation de tôles embouties en forme de secteur dans le noyau du stator, des différentes excentricités du rotor, de la perméabilité différente des tôles en forme de secteur et des rainures de guidage de l'arbre utilisées pour le refroidissement et le serrage, etc., l'asymétrie magnétique est provoquée par la fabrication et le fonctionnement du générateur, ce qui entraîne une boucle de flux magnétique alterné incluant l'arbre, les roulements et la plaque de fondation. Cela génère une différence de tension aux deux extrémités de l’arbre du générateur. Chaque type d'asymétrie magnétique provoquera une composante de tension d'arbre avec une amplitude et une fréquence correspondantes. Les différentes composantes de la tension d'arbre sont superposées, ce qui rend la composition fréquentielle de cette tension d'arbre très complexe. La composante fondamentale a la plus grande amplitude, les 3e et 5e harmoniques ont des amplitudes légèrement inférieures et les composantes harmoniques supérieures ont de très petites amplitudes. Cette tension d'arbre CA est généralement de 1 à 10 V et contient une grande quantité d'énergie. Si aucune mesure efficace n'est prise, cette tension d'arbre formera une boucle à travers la plaque de fondation portant l'arbre, etc., générant un courant d'arbre important. L'arc électrique provoqué par le courant de l'arbre est appliqué entre le roulement et la surface de l'arbre. Sa principale conséquence est l'usure du carbure de tungstène dans le roulement et à la surface de l'arbre, ainsi que la détérioration rapide de l'huile lubrifiante. Cela accélère l'usure mécanique du roulement et, dans les cas graves, peut provoquer la combustion du coussinet.

(2) Tension de l'arbre causée par une charge électrostatique
Cette tension continue, apparaissant entre l'arbre et la plaque de mise à la terre, est générée par la charge électrostatique produite par le frottement entre la vapeur humide circulant à grande vitesse et les aubes du cylindre basse pression de la turbine dans certaines conditions. Cet effet électrostatique ne se produit qu'occasionnellement dans certaines conditions de vapeur et n'est pas fréquent. Selon les conditions d'utilisation, ce type de tension d'arbre peut parfois être très élevée, atteignant des centaines de volts, provoquant une sensation de picotement au toucher. Elle n'est pas facilement conduite vers le côté excitateur, mais si aucune mesure n'est prise pour conduire cette charge électrostatique vers le sol, elle s'accumulera sur le film d'huile de roulement du côté turbine du générateur et finira par se décharger sur le film d'huile, entraînant des dommages aux roulements.

(3) Tension de l'arbre causée par le système d'excitation statique
Actuellement, les grands groupes électrogènes à turbine à vapeur utilisent généralement un système d'excitation statique. En raison de l'influence de la commutation de l'arc des thyristors, une nouvelle source de tension d'arbre est introduite dans le système d'excitation statique. Le système d'excitation statique fournit une tension continue à l'enroulement d'excitation du générateur via un redresseur à thyristor statique, et cette tension continue est une tension pulsée. Pour un système d'excitation statique utilisant un pont triphasé entièrement contrôlé, la forme d'onde de sa tension de sortie d'excitation comporte 6 impulsions dans un cycle. Cette tension pulsée changeant rapidement génère une tension alternative entre l'arbre et la masse grâce à un couplage capacitif entre l'enroulement d'excitation du générateur et le corps du rotor. Cette tension d'arbre est pulsée et en forme de pointe, avec une fréquence de 300 Hz (lorsque la fréquence de la tension alternative du système d'excitation est de 50 Hz). Elle se superpose à la tension de l'arbre provoquée par l'asymétrie magnétique, obligeant ainsi le film d'huile à résister à une tension de pointe plus élevée. Lorsqu'elle augmente dans une certaine mesure, elle décompose le film d'huile, formant un courant qui provoque des brûlures et des dommages aux pièces mécaniques.

(4) Tension de l'arbre causée par le magnétisme résiduel
Lorsque le générateur est gravement court-circuité ou dans d'autres conditions de fonctionnement anormales, l'arbre principal, les roulements, le boîtier et d'autres composants sont souvent magnétisés et conservent une certaine quantité de magnétisme résiduel. Les lignes magnétiques génèrent des branches longitudinales au niveau des roulements et lorsque l'arbre principal de l'unité tourne, une force électromotrice est générée, appelée force électromotrice unipolaire. Dans des circonstances normales, le potentiel unipolaire généré par un faible magnétisme résiduel n’est que de l’ordre du millivolt. Cependant, lorsqu'il y a un court-circuit entre les spires de l'enroulement du rotor ou une mise à la terre en deux points, le potentiel unipolaire atteindra plusieurs volts à plusieurs dizaines de volts, générant un courant d'arbre important. Ce courant circule axialement à travers l'arbre, les roulements et la plaque de fondation, non seulement brûlant l'arbre principal et les coussinets, mais aussi magnétisant sévèrement ces composants, ce qui rend la maintenance de l'unité difficile.

2. Dangers causés par la tension de l'arbre du générateur L'ampleur de la tension de l'arbre varie en fonction de l'unité spécifique. Généralement, plus la capacité de l’unité est grande, plus l’asymétrie de son flux et de sa structure d’entrefer est grande. Plus les composantes harmoniques dans le champ magnétique sont élevées, plus la saturation du noyau est élevée et plus les irrégularités du stator sont importantes, plus la tension maximale de l'arbre est élevée. La forme d’onde de la tension de l’arbre comporte des composantes harmoniques complexes. Les unités utilisant une excitation de redresseur à commande statique ont une composante d'impulsion élevée dans leur forme d'onde de tension d'arbre, ce qui est particulièrement nocif pour l'isolation du film d'huile. Lorsque la tension de l'arbre atteint une certaine valeur, si des mesures appropriées ne sont pas prises, le film d'huile se décomposera, générant un courant dans l'arbre.

Si le courant dans l'arbre d'un groupe électrogène à turbine à vapeur est très élevé, les tourillons, roulements et autres composants connexes traversés par le courant dans l'arbre grilleront. La vis sans fin et la roue à vis sans fin de la pompe à huile principale de la turbine seront endommagées. L'arc électrique provoqué par le courant dans l'arbre érodera les composants du roulement et fera vieillir l'huile de lubrification du roulement, accélérant ainsi l'usure mécanique du roulement. Le courant de l'arbre magnétisera fortement les composants de la turbine, les couvercles d'extrémité du générateur, les roulements et autres composants entourant l'arbre, générant un potentiel unipolaire au niveau des tourillons et des roues.

Lorsque la tension de l'arbre est suffisamment élevée pour briser le film d'huile entre l'arbre et les roulements, une décharge se produit. Le circuit de décharge est le suivant : arbre du générateur - tourillon - roulement - support de roulement - base du générateur. Bien que la tension de l'arbre ne soit pas élevée (environ 6 V pour un générateur de 300 MW), la résistance du circuit est très faible. Par conséquent, le courant d’arbre généré peut être très important, atteignant parfois des centaines d’ampères. Le courant dans l'arbre détériorera progressivement la qualité de l'huile de lubrification et de refroidissement et, dans les cas graves, grillera les roulements, forçant un arrêt et provoquant un accident. Par conséquent, pendant l'installation et le fonctionnement, la tension entre l'arbre et les roulements du groupe électrogène doit être mesurée et vérifiée.

3. Mesures de prévention et d'élimination de la tension de l'arbre du générateur

Les mesures préventives suivantes sont généralement adoptées :

(1) Lors de la conception et de l'installation, un coussin isolant est généralement installé entre le support de roulement à l'extrémité d'excitation du générateur et la base. Simultanément, tous les tuyaux d'huile, vis, boulons, etc., sont isolés.

(2) Une brosse de mise à la terre est conçue du côté turbine de l'arbre du générateur pour libérer des charges électrostatiques dans la section basse pression de la turbine, garantissant ainsi que les potentiels de l'arbre et de la terre sont les mêmes.

En plus d'éliminer la tension de l'arbre, le balai de mise à la terre de l'arbre remplit également les fonctions suivantes pour protéger le moteur : a. Mesurer les tensions positives et négatives du rotor à la terre. b. Sert de protection contre la mise à la terre en un seul point du rotor.

(3) Pour réduire la tension de l'arbre provoquée par l'asymétrie du circuit magnétique dans le groupe turbogénérateur, des mesures visant à éliminer ou à réduire les composantes de troisième ou cinquième harmonique de la tension de l'arbre sont prises en compte lors de la conception du générateur. Une toute nouvelle structure de générateur est adoptée et l'installation suit strictement les exigences de processus et de conception du fabricant pour éviter l'excentricité du rotor.

(4) Pour éviter la tension de l'arbre générée par un court-circuit de mise à la terre en un seul point dans les enroulements du rotor, un dispositif de protection de mise à la terre à deux points pour le circuit d'excitation est activé pendant le fonctionnement. (5) Pour couper le courant dans l'arbre, installez des coussinets isolants à l'extrémité d'excitation, y compris entre les roulements du générateur, les joints d'huile du générateur refroidi à l'hydrogène, les supports d'eau d'entrée et de sortie et les brides des tuyaux d'entrée/sortie du rotor du générateur refroidi à l'eau, ainsi que le roulement de queue et la plaque de base du châssis du moteur. Les fixations des boîtiers de roulements et les conduites d'huile reliées aux boîtiers de roulements doivent également être isolées des roulements ; des mesures de double isolation peuvent être utilisées.

(6) Évitez l'asymétrie du circuit magnétique lors de la conception du moteur.

(7) Évitez le flux magnétique axial pendant la conception, la fabrication et le fonctionnement du moteur.

(8) Isoler les boîtiers de roulements jusqu'à la terre.

(9) Installez des brosses de mise à la terre sur l'arbre.

(10) Utilisez des boîtiers de roulements non magnétiques ou des bobines supplémentaires.

(11) Ajoutez un condensateur de dérivation à la masse à la borne de sortie de l'induit du moteur à courant continu.

4. Mesure de la tension de l'arbre L'isolation des balais de mise à la terre et des roulements du rotor est cruciale pour protéger le générateur de la tension de l'arbre et garantir un fonctionnement sûr. En fonctionnement réel, en raison de facteurs tels que l'installation et la détérioration de l'environnement d'exploitation, ainsi que l'usure, une mauvaise mise à la terre du rotor ou une diminution de l'isolation des roulements peuvent se produire, entraînant une augmentation de la tension et du courant de l'arbre, ce qui peut finalement endommager le générateur. Par conséquent, mesurer régulièrement la tension de l’arbre est essentiel pour améliorer le fonctionnement du générateur. Ci-dessous, nous recommandons une méthode de mesure relativement simple : Comme le montre le diagramme ci-dessus, où :

U1 : Différence de tension entre les deux extrémités de l’arbre du rotor du générateur. Dans des circonstances normales, cela est principalement dû à l’asymétrie magnétique du rotor. Les fabricants fournissent généralement des données empiriques ; il est recommandé de le mesurer après chaque révision mineure et de le comparer avec les données historiques.

U2 : Tension de l'arbre arrière du générateur à la masse.

U3 : Tension de la plaque métallique entre les couches d'isolation du roulement arrière du générateur et la masse.

A : Courant mesuré sur le fil de mise à la terre du balai de charbon de mise à la terre avant du générateur.

U2, U3 et A doivent être mesurés périodiquement pendant le fonctionnement. Les changements dans ces données peuvent indiquer l'état du générateur :

① U1 doit se situer dans la plage fournie par le fabricant et ne doit pas changer de manière significative par rapport aux données historiques. Sinon, l'état du stator et du rotor du générateur doit être vérifié pour en déterminer la cause.

② U2 ≈ U3 (valeur normale). Si U2 est supérieur à U3 (valeur normale), la mise à la terre du balai de charbon de mise à la terre de l'arbre doit être vérifiée. Pendant le fonctionnement, un fil de terre externe à court terme peut être connecté à l'arbre avant pour la mise à la terre, puis U2 peut être mesuré et comparé.

③ U3 doit être proche de U2. Étant donné que la différence entre U2 et U3 représente la tension appliquée au film d'huile du roulement, une tension excessive peut provoquer la rupture du film d'huile. Il est recommandé que cet écart ne dépasse pas 4V, ou que U3 ne soit pas inférieur à 70% de U2. Sinon, l'état de l'isolation du roulement par rapport à la terre doit être vérifié, comme une contamination de surface ou un vieillissement de l'isolation.

④ Généralement, le courant A circulant à travers le balai de charbon de mise à la terre de l'arbre varie de quelques milliampères à plusieurs centaines de milliampères. Si cette valeur augmente de manière significative, l'isolation des roulements doit être vérifiée en conjonction avec la mesure de la tension de l'arbre.