Nguyên nhân, mối nguy hiểm và giải pháp điện áp trục máy phát điện

Với công suất ngày càng tăng của các tổ máy phát điện đơn lẻ, điện áp trục đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng đối với các máy phát điện lớn áp dụng hệ thống tự kích thích tĩnh. Dạng sóng của điện áp trục chứa các thành phần xung hài phức tạp, đặc biệt gây bất lợi cho cách điện màng dầu. Khi điện áp trục không vượt quá điện áp đánh thủng của màng dầu thì dòng điện trên trục rất nhỏ. Nếu điện áp trục vượt quá điện áp đánh thủng lớp dầu ổ trục, một dòng điện trục lớn sẽ được tạo ra trong ổ trục, gọi là dòng điện EDM, sẽ đốt cháy các bộ phận của ổ trục và gây hư hỏng đáng kể. Sự bất đối xứng của mạch từ, hiệu ứng đơn cực, dòng điện dung, hiệu ứng tĩnh điện, hệ thống kích thích tĩnh, từ hóa vĩnh viễn của vỏ, trục, v.v., đều có thể gây ra điện áp trục.

Điện áp trục là điện áp được tạo ra giữa hai đầu ổ trục của động cơ hoặc giữa trục động cơ và ổ trục trong quá trình vận hành động cơ. Trong trường hợp bình thường, khi điện áp trục thấp, màng dầu bôi trơn giữa trục máy phát và ổ trục sẽ cách nhiệt tốt. Tuy nhiên, nếu vì lý do nào đó mà điện áp trục tăng lên đến một giá trị nhất định, nó sẽ phá vỡ màng dầu và phóng điện, tạo thành mạch tạo ra dòng điện trục. Dòng điện trục không chỉ phá vỡ sự ổn định của màng dầu, khiến dầu bôi trơn dần dần bị hư hỏng mà còn do dòng điện trục đi qua điểm tiếp xúc kim loại giữa ổ trục và trục—một điểm tiếp xúc rất nhỏ với mật độ dòng điện cao—nó tạo ra nhiệt độ cực cao ngay lập tức, gây ra sự nóng chảy cục bộ của ổ trục. Hợp kim ổ trục nóng chảy, dưới áp lực lăn, bắn tung tóe và đốt cháy các vết rỗ nhỏ trên bề mặt bên trong ổ trục. Cuối cùng, ổ trục sẽ bị gãy do mài mòn cơ học tăng tốc, và trong trường hợp nghiêm trọng, vỏ ổ trục sẽ bị cháy, gây ra tai nạn và buộc phải tắt máy.

Điện áp trục máy phát luôn có nhưng nhìn chung không cao, thường dao động từ vài volt đến chục volt. Tuy nhiên, khi các miếng cách điện bị hỏng do vết dầu, hư hỏng hoặc lão hóa, điện áp trục đủ để phá vỡ màng dầu giữa trục và ổ trục, gây ra hiện tượng phóng điện. Theo thời gian, điều này sẽ dần dần làm giảm chất lượng của dầu bôi trơn và làm mát, trong trường hợp nghiêm trọng sẽ làm cháy trục và vòng bi, dẫn đến tai nạn tắt máy.

1. Nguyên nhân gây ra điện áp trục máy phát điện

(1) Điện áp trục gây ra bởi sự bất đối xứng từ tính
Đó là điện áp xoay chiều tồn tại ở cả hai đầu của trục máy phát tua bin. Do việc sử dụng các lớp được dập hình khu vực trong lõi stato, độ lệch tâm khác nhau của rôto, độ thấm khác nhau của các lớp mỏng hình khu vực và các rãnh dẫn hướng trục được sử dụng để làm mát và kẹp, v.v., sự bất đối xứng từ tính là do quá trình sản xuất và vận hành máy phát điện gây ra, dẫn đến một vòng từ thông xen kẽ bao gồm trục, vòng bi và tấm móng. Điều này tạo ra sự chênh lệch điện áp ở cả hai đầu trục máy phát điện. Mỗi loại từ trường bất đối xứng sẽ gây ra một thành phần điện áp trục có biên độ và tần số tương ứng. Các thành phần điện áp trục khác nhau được xếp chồng lên nhau, làm cho thành phần tần số của điện áp trục này rất phức tạp. Thành phần cơ bản có biên độ lớn nhất, sóng hài bậc 3 và bậc 5 có biên độ nhỏ hơn một chút và thành phần hài bậc cao hơn có biên độ rất nhỏ. Điện áp trục AC này thường là 1 ~ 10V và nó có một lượng năng lượng lớn. Nếu không có biện pháp hữu hiệu, điện áp trục này sẽ tạo thành một mạch vòng qua tấm đế ổ trục, v.v., tạo ra dòng điện lớn trên trục. Hồ quang điện do dòng điện trên trục tác động vào giữa ổ trục và bề mặt trục. Hậu quả chính của nó là sự mài mòn cacbua vonfram trong ổ trục và trên bề mặt trục, đồng thời làm dầu bôi trơn bị hư hỏng nhanh chóng. Điều này làm tăng tốc độ mài mòn cơ học của ổ trục và trong trường hợp nghiêm trọng có thể khiến vỏ ổ trục bị cháy.

(2) Điện áp trục do tích tĩnh điện
Điện áp DC này, xuất hiện giữa trục và tấm nối đất, được tạo ra bởi điện tích tĩnh điện được tạo ra bởi ma sát giữa hơi nước ướt chảy tốc độ cao và các cánh xi lanh áp suất thấp của tuabin trong những điều kiện nhất định. Hiệu ứng tĩnh điện này chỉ thỉnh thoảng xảy ra trong một số điều kiện hơi nước nhất định và không thường xuyên. Tùy thuộc vào điều kiện vận hành, loại điện áp trục này đôi khi có thể rất cao, lên tới hàng trăm volt, gây cảm giác ngứa ran khi chạm vào. Nó không dễ dàng được dẫn đến phía máy kích thích, nhưng nếu không có biện pháp nào để dẫn điện tích này xuống đất, nó sẽ tích tụ trên màng dầu ổ trục ở phía tuabin của máy phát điện và cuối cùng phóng điện lên màng dầu, dẫn đến hư hỏng ổ trục.

(3) Điện áp trục do hệ thống kích thích tĩnh điện gây ra
Hiện nay, các tổ máy phát điện tua bin hơi nước lớn thường sử dụng hệ thống kích thích tĩnh. Do ảnh hưởng của sự đảo chiều hồ quang thyristor, một nguồn điện áp trục mới được đưa vào hệ thống kích thích tĩnh. Hệ thống kích thích tĩnh cung cấp điện áp DC cho cuộn dây kích thích máy phát thông qua bộ chỉnh lưu thyristor tĩnh và điện áp DC này là điện áp dao động. Đối với hệ thống kích thích tĩnh sử dụng cầu ba pha được điều khiển hoàn toàn, dạng sóng của điện áp đầu ra kích thích của nó có 6 xung trong một chu kỳ. Điện áp xung thay đổi nhanh chóng này tạo ra điện áp xoay chiều giữa trục và mặt đất thông qua khớp nối điện dung giữa cuộn dây kích thích máy phát và thân rôto. Điện áp trục này có dạng dao động và có dạng nhọn, có tần số 300Hz (khi tần số điện áp xoay chiều của hệ thống kích thích là 50Hz). Nó được đặt chồng lên điện áp trục gây ra bởi sự bất đối xứng từ tính, do đó làm cho màng dầu chịu được điện áp tăng đột biến cao hơn. Khi tăng đến một mức nhất định, nó sẽ phá vỡ màng dầu, tạo thành dòng điện gây cháy và hư hỏng các bộ phận cơ khí.

(4) Điện áp trục gây ra bởi từ trường dư
Khi máy phát điện bị đoản mạch nghiêm trọng hoặc trong các điều kiện vận hành bất thường khác, trục chính, vòng bi, vỏ và các bộ phận khác thường bị từ hóa và giữ lại một lượng từ tính dư nhất định. Các đường sức từ tạo ra các nhánh dọc ở vòng bi và khi trục chính của bộ phận quay sẽ tạo ra một suất điện động, gọi là suất điện động đơn cực. Trong trường hợp bình thường, điện thế đơn cực được tạo ra bởi từ tính dư yếu chỉ nằm trong phạm vi milivolt. Tuy nhiên, khi xảy ra đoản mạch giữa các vòng dây quấn rôto hoặc nối đất hai điểm thì điện thế đơn cực sẽ đạt vài volt đến hàng chục volt, tạo ra dòng điện lớn trên trục. Dòng điện này chạy dọc trục qua trục, ổ trục và tấm móng, không chỉ đốt cháy trục chính và ống lót ổ trục mà còn làm từ hóa nghiêm trọng các bộ phận này, khiến việc bảo trì thiết bị trở nên khó khăn.

2. Nguy hiểm do điện áp trục máy phát điện gây ra Độ lớn điện áp trục thay đổi tùy theo đơn vị cụ thể. Nói chung, công suất đơn vị càng lớn thì sự bất đối xứng trong thông lượng và cấu trúc khe hở không khí của nó càng lớn. Các thành phần hài trong từ trường càng lớn thì độ bão hòa lõi càng cao và độ không đồng đều của stato càng lớn thì điện áp trục cực đại càng cao. Dạng sóng điện áp trục có các thành phần hài phức tạp. Các thiết bị sử dụng kích thích chỉnh lưu có thể điều khiển tĩnh có thành phần xung cao trong dạng sóng điện áp trục của chúng, điều này đặc biệt có hại cho cách điện màng dầu. Khi điện áp trục đạt tới một giá trị nhất định, nếu không thực hiện các biện pháp thích hợp, màng dầu sẽ bị vỡ, tạo ra dòng điện trên trục.

Nếu dòng điện trên trục của tổ máy phát điện tua bin hơi nước rất cao thì các cổ trục, ổ trục và các bộ phận liên quan khác mà dòng điện trên trục đi qua sẽ bị cháy. Giun truyền động và bánh vít của bơm dầu chính của tuabin sẽ bị hỏng. Hồ quang điện do dòng điện trên trục gây ra sẽ ăn mòn các bộ phận của ổ trục và làm lão hóa dầu bôi trơn ổ trục, do đó làm tăng tốc độ mài mòn cơ học của ổ trục. Dòng điện trên trục sẽ từ hóa mạnh các bộ phận của tuabin, nắp đầu máy phát, ổ trục và các bộ phận khác xung quanh trục, tạo ra điện thế đơn cực tại các cổ trục và cánh quạt.

Khi điện áp trục đủ cao để phá vỡ màng dầu giữa trục và ổ trục, hiện tượng phóng điện sẽ xảy ra. Mạch phóng điện là: trục máy phát điện-tạp chí-ổ trục-giá đỡ ổ trục-đế máy phát điện. Mặc dù điện áp trục không cao (khoảng 6V đối với máy phát 300MW) nhưng điện trở mạch rất nhỏ. Vì vậy, dòng điện sinh ra trên trục có thể rất lớn, có khi lên tới hàng trăm ampe. Dòng điện trên trục sẽ dần dần làm giảm chất lượng của dầu bôi trơn và làm mát, trong trường hợp nghiêm trọng sẽ làm cháy ổ trục, buộc phải tắt máy và gây ra tai nạn. Vì vậy, trong quá trình lắp đặt và vận hành phải đo, kiểm tra điện áp giữa trục máy phát điện và các ổ trục.

3. Các biện pháp phòng ngừa và loại bỏ điện áp trục máy phát điện

Các biện pháp phòng ngừa sau đây thường được áp dụng:

(1) Trong quá trình thiết kế và lắp đặt, một tấm cách điện thường được lắp giữa giá đỡ ổ trục ở đầu kích thích máy phát điện và đế. Đồng thời, tất cả các ống dẫn dầu, ốc vít, bu lông, v.v. đều được cách nhiệt.

(2) Bàn chải nối đất được thiết kế ở phía tuabin của trục máy phát điện để giải phóng tĩnh điện ở phần áp suất thấp của tuabin, đảm bảo điện thế trục và điện thế đất bằng nhau.

Ngoài việc loại bỏ điện áp trục, chổi nối đất trục còn có chức năng sau để bảo vệ động cơ: a. Đo điện áp dương và âm của rôto xuống đất. b. Phục vụ như bảo vệ chống lại việc nối đất một điểm của rôto.

(3) Để giảm điện áp trục do sự bất đối xứng của mạch từ trong tổ máy phát điện tua bin, các biện pháp loại bỏ hoặc giảm các thành phần hài thứ ba hoặc thứ năm trong điện áp trục được xem xét trong quá trình thiết kế máy phát điện. Một cấu trúc máy phát điện hoàn toàn mới được áp dụng và việc lắp đặt tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu về thiết kế và quy trình của nhà sản xuất để ngăn ngừa hiện tượng lệch tâm của rôto.

(4) Để ngăn điện áp trục được tạo ra do đoản mạch nối đất một điểm trong cuộn dây rôto, thiết bị bảo vệ nối đất hai điểm cho mạch kích thích được kích hoạt trong quá trình vận hành. (5) Để cắt dòng điện trên trục, lắp các miếng cách điện ở đầu kích thích, bao gồm giữa các ổ trục máy phát điện, vòng đệm dầu của máy phát điện làm mát bằng hydro, giá đỡ nước đầu vào và đầu ra và mặt bích ống đầu vào/đầu ra của rôto máy phát điện làm mát bằng nước, ổ trục đuôi và tấm đế của khung động cơ. Các ốc vít của thân ổ trục và các ống dẫn dầu nối với thân ổ trục cũng phải được cách nhiệt với ổ trục; có thể sử dụng biện pháp cách nhiệt kép.

(6) Tránh sự bất đối xứng của mạch từ trong quá trình thiết kế động cơ.

(7) Tránh từ thông dọc trục trong quá trình thiết kế, chế tạo và vận hành động cơ.

(8) Cách nhiệt vỏ ổ trục với mặt đất.

(9) Lắp chổi tiếp đất vào trục.

(10) Sử dụng vỏ ổ trục không từ tính hoặc cuộn dây bổ sung.

(11) Thêm một tụ điện rẽ nhánh nối đất ở đầu ra phần ứng của động cơ DC.

4. Đo điện áp trục Cách điện của chổi và ổ trục nối đất rôto là rất quan trọng để bảo vệ máy phát điện khỏi điện áp trục và đảm bảo vận hành an toàn. Trong vận hành thực tế, do các yếu tố như lắp đặt, môi trường vận hành xuống cấp và hao mòn, có thể xảy ra việc nối đất rôto kém hoặc cách điện ổ trục giảm, dẫn đến điện áp trục và dòng điện trục tăng, cuối cùng có thể làm hỏng máy phát điện. Vì vậy, việc thường xuyên đo điện áp trục là điều cần thiết để cải thiện hoạt động của máy phát điện. Dưới đây, chúng tôi đề xuất một phương pháp đo tương đối đơn giản: Như được hiển thị trong sơ đồ trên, trong đó:

U1: Chênh lệch điện áp giữa hai đầu trục rôto máy phát điện. Trong trường hợp bình thường, điều này chủ yếu là do sự bất đối xứng từ của rôto. Các nhà sản xuất thường cung cấp dữ liệu thực nghiệm; nên đo lường điều này sau mỗi lần đại tu nhỏ và so sánh nó với dữ liệu lịch sử.

U2: Điện áp từ trục sau máy phát điện xuống đất.

U3: Điện áp của tấm kim loại giữa các lớp cách điện của ổ trục phía sau máy phát điện với đất.

A: Dòng điện được đo trên dây nối đất của chổi than nối đất phía trước của máy phát điện.

U2, U3 và A nên được đo định kỳ trong quá trình vận hành. Những thay đổi trong những dữ liệu này có thể chỉ ra tình trạng của máy phát điện:

① U1 phải nằm trong phạm vi do nhà sản xuất cung cấp và không được thay đổi đáng kể so với dữ liệu lịch sử. Nếu không, cần kiểm tra tình trạng của stato và rôto của máy phát để xác định nguyên nhân.

② U2 ≈ U3 (giá trị bình thường). Nếu U2 lớn hơn U3 (giá trị bình thường), cần phải kiểm tra việc nối đất của chổi than nối đất trục. Trong quá trình vận hành, dây nối đất bên ngoài ngắn hạn có thể được kết nối với trục trước để nối đất, sau đó có thể đo và so sánh U2.

③ U3 phải gần với U2. Vì sự khác biệt giữa U2 và U3 thể hiện điện áp đặt vào màng dầu ổ trục nên điện áp quá mức có thể gây hỏng màng dầu. Khuyến nghị rằng chênh lệch này không vượt quá 4V hoặc U3 không nhỏ hơn 70% U2. Mặt khác, cần kiểm tra tình trạng cách điện của ổ trục với mặt đất, chẳng hạn như nhiễm bẩn bề mặt hoặc lão hóa lớp cách điện.

④ Thông thường, dòng điện A chạy qua chổi than nối đất trục nằm trong khoảng từ vài mA đến vài trăm mA. Nếu giá trị này tăng đáng kể thì nên kiểm tra cách điện ổ trục cùng với phép đo điện áp trục.