ولتاژ القایی روتور و جریان یاتاقان در ژنراتورها و موتورهای فشارقوی نیروگاه حرارتی

ولتاژ القایی روتور و جریان‌های عبورکننده از بیرینگ­ها در ماشین‌ها به‌عنوان یکی از منابع تخریب بیرینگ­هـا در ماشین‌های دوار دسته‌بندی شده است.

در مقاله پیش رو ضمن معرفی ولتاژ القایی روتور،

به علل و عوامـل ایجادکنندۀ ولتاژ القایی روتور در ماشین‌های دوار پرداخته‌ایم،

روش‌های کنترل، مانیتورینگ و پایش آن در ماشین‌ها نیز عنوان شده است.

در ادامه شرایط و پیکره‌بندی ارتینگ روتور و عایق‌بندی یاتاقان‌ها در نیروگاه مورد بررسی قرار گرفته

و در انتهـا یـک سیسـتم مانیتورینـگ، پـایش وضعیت ولتاژ القایی روتور، جریان روتور ماشین و قابلیت‌های آن معرفی شده است.

ماهیت ولتاژ القایی روتور

در کلیۀ ماشین‌های الکتریکی هرگونه عدم تعادل در مدار مغناطیسی ماشین یا ولتاژ تغذیه‌کنندۀ ماشـین،

باعـث به وجود آمدن فلوی نشتی در فاصلۀ هوایی می‌شود

که با چرخش رتور این شار نشتی دربرگیرندۀ رتور باعث ایجاد اختلاف‌ پتانسیل در دو انتهای روتور ماشین خواهد شد.

این اثر تحت­عنوان ولتاژ القایی روتور در ماشین‌های الکتریکـی در سـال ۱۹۲۷ کشـف شد.

وجود ولتاژ القایی روتور و جاری شدن آن به‌صورت جریان در روتور و یاتاقان‌ها باعث به وجود آمدن مشکلات عدیده‌ای در ماشین‌های الکتریکی خواهد شد.

همان‌طور که در شکل ۱ دیده می‌شود، ولتاژ القایی روتور به‌عنوان یکی از منابع بروز عیب در بیرینگ­هـا مطـابق دسته‌بندی ۲۰۰۷ Hoppler ذکر شده است.

شکل ۱

 ماهیت جریان گردشی در روتور

 زمانی که اختلاف ولتاژ دو انتهای روتور به حدی بزرگ باشد که باعث بروز اختلاف پتانسیل قابل‌ملاحظه‌ای بین روتور و بیرینـگ موتور شود،

اگر مقدار این ولتاژ از استقامت عایقی لایۀ فیلم روغن بین روتور و یاتاقان بیشتر شـود،

خاصـیت عـایقی فیلم روغن از بین می­رود

و جریان گردشی بین روتور از مسیر بیرینگ­ها و بدنۀ ماشین سیرکوله خواهد شد.

از طرفی ضخامت لایۀ فیلم روغن در فاصـلۀ بـین روتور و یاتاقـان حـدود μm0.2 تـا μm 2 است،

اگر استقامت عایقی لایۀ فیلم روغن روانکاری یاتاقانμm/V  15 باشد،

ولتاژ روتور بین V3 تاV 30 به‌اندازۀ کـافی برای تخلیه در بیرینگ کافی خواهد بود.

شکل ۲

 انواع جریان روتور در ماشین‌های الکتریکی

1. جریان روتور الکترومغناطیسی
2. جریان روتور الکترواستاتیکی
3. جریان‌های القاء­شده از منابع تغذیه سوئیچینگ (درایوها و سافت استارترها)

شکل ۳

علل ایجاد ولتاژ القایی روتور در ماشین‌های الکتریکی

1. مقاومت مغناطیسی (رلوکتانس مغناطیسی) نامتعادل در مسیر شارهای حلقه­شده در رتور
2. بارهای الکترواستاتیکی تولیدشده ناشی از برخورد ذرات باردار در توربین‌ها و کمپرسورها
3. عدم ­تقارن فاصلۀ هوایی در GAP AIR
4. منابع تغذیۀ نامتعادل
5. جابجایی محوری ماشین و عدم هم‌مرکز بودن مغناطیسی ماشین
6. تیک‌های ولتاژی تولیدشده توسط سیستم‌های تحریک در ژنراتورها

 اثرات مخرب ولتاژ القایی روتور و جریان بیرینگ در ماشین‌های الکتریکی

1. تخلیه و ایجاد جرقه در سطح بیرینگ­ها که درنهایت موجب افزایش ضریب اصطکاک سطح بیرینگ­ها می­شود

و می‌تواند باعث تخریب و ایجاد حفره (Pitting)، Frosting وTracks Spark  در سطح بیرینگ­ها و سیل‌ها ­گردد.

1. تغییر خواص مواد روانکار روغن و گریس یاتاقان و کوپلینگ­ها که تغییر خواص شیمیایی از آن جمله است.
2. بروز سروصدای غیرعادی و نویز مانند در اتصالات گیربکس.
3. ارتعاشات غیرعادی

روش‌های مختلف کنترل ولتاژ القایی روتور

1. استفاده از بیرینگ­های عایق (ابتدایی‌ترین روش از سال ۱۹۲۷)، در الکتروموتورهای که تنهـا یـک کوپلینـگ دارنـد عایق‌کاری یک یاتاقان کافی است

و اگر دو کوپلینگ استفاده شده باشد، باید یاتاقان هر دو سمت عایق شود.

شکل ۴ و شکل ۵

2. استفاده از کوپلینگ و پیچ‌های عایق در اتصالات موتور و لوله‌های آب خنک­کاری و روغن روانکاری

3. مغناطیس­زدایی کردن قطعات ماشین:

این شامل بیرینگ­ها، فلنچ­ها و روتور الکتروموتورها است.
حد مجاز میدان مغناطیسی این تجهیـزات حـداکثر 5 گـوس است.

شکل 6

4. استفاده از زغال مخصوص ارتینگ روتور، مشتمل بر مخلوطی از گرافیت و درصدی براده‌های مس و همچنین استفاده از تسمه‌های مسی مخصوص

روش‌های اندازه‌گیری ولتاژ القایی روتور در ماشین‌های الکتریکی

1. با استفاده از اسیلوسکوپ امپدانس بالا به‌گونه‌ای که یک پراب آن به زمین و ارت موتور و پـراب دیگـر به زغال روتور ماشین وصل می‌شود.
   در این حالت پیک ولتاژ القایی روتور قابل‌اندازه‌گیری است.
2. با استفاده از ولتمتر امپدانس بالا:
   در این روش ولتاژ AC و DC روتور نسبت به زمین را اندازه‌گیری می‌کنیم
   و جهت محاسبه پیک ولتاژ القایی روتور  Vdcرا بـه 1.4 برابر (rms) Vacاضافه می‌کنیم.
3. اندازه‌گیری ولتاژ دو انتهای روتور توسط ولتمتر امپدانس بالا

روش‌های استاندارد اندازه‌گیری مقاومت عایقی بیرینگ (IEEE112-113-115)

روش اول:

 در این روش کوپلینگ موتور (درصورتی‌که عایق نباشد) باز می­شود،

سپس با یک منبع ولتـاژ VAC125~110، یـک لامـپ رشته‌ای، یک ولتمتر با درجه‌بندی حداکثر V150

و یک مقاومت در رنج Ω300~100 به‌صورت سری با منبع ولتاژ قرار می‌دهیم.

دو سر سیم را یکی روی بیرینگ و دیگری را به بدنۀ موتور متصل می‌کنیم،

درصورتی‌که لامپ روشن نشد یا قرائـت ولتمتر بیش از V60  نبود،

این عایق‌بندی مناسب است.

روش دوم:

استفاده از یک دستگاه مگرV 500 که این روش از روش بالا دقیق‌تر است.

مقادیر و محدوده‌های ولتاژ القایی در روتور

 در کتاب­ها و منابع استاندارد هیچ‌گونه مقدار مشخصی برای ولتاژ القایی روتور اشاره نشده است،

به‌گونه‌ای که اگر ایـن مقـادیر بـالاتر رود باعث آسیب دیدن بیرینگ خواهد شد.

ولتاژ القایی روتور و جریان یاتاقان در ژنراتورها

 وجود ولتاژ پیک تو پیکی حدود V10 تا V 50 در دو انتهای روتور یک ژنراتور سنکرون طبیعی می‌باشد.

ایـن مقـدار حتـی در توربوژنراتورهای بزرگ به‌صورت پیک تو پیک به V150 هم می‌رسد.

وجود این مقدار ولتـاژ القـایی در روتور یـک ژنراتـور در صورت جاری شدن

به‌صورت یک جریان قدرت تخریبی زیادی را روی تجهیزات جانبی ژنراتور همچون

یاتاقان‌ها، سیل رینگ‌ها و سایر سـطوح با تلورانس‌های نزدیک به هم ایجاد خواهد کرد

که در مطالب بعدی به معرفی انواع تخریب‌های ایجادشده در سـطوح یادشده و مشخصات شناسایی آن‌ها اشاره خواهد شد.

شکل 7

عوامل ایجادکننده ولتاژ القایی روتور در یک ژنراتور

1.  پتانسیل ولتاژ اعمال‌شده به روتور به‌صورت ناگهانی (زمین شدن سیستم تحریک یا نوسانات لحظه‌ای جریان تحریک)
2. اثر الکترواستاتیکی تماس و برخورد ذرات باردار در توربین‌های گازی و بخار یا مواد روانکار باردار­شده
3. اثرات ناهمگونی و غیریکنواختی به­خاطر تغییر رلوکتانس مغناطیسی مسیر شار به‌عنوان یک تابع از موقعیت زاویه‌ای رتـور
   و در کل عدم تقارن مغناطیسی که جمعاً می‌تواند ناشی از خطا در جزئیات طراحی و ساخت مواد هسته یا وجـود اتصـالی در هستۀ ماشین باشد.
4. اثرات فلوی هم قطب به ­دلیل جاری شدن شارهای محوری ناشی از مغناطیس شدن اجـزاء تـوربین، ژنراتـور یـا روتور ماشین
5. جابجایی مرکز مغناطیسی ماشین که ناشی از جابجایی محوری رتور و خارج شدن از مرکز مغناطیسـی ماشـین است.
   ایـن مـورد غالباً در هیدروژنراتورها که دارای تعداد قطب بیشتری هستند بیشتر بارز است.

انواع مختلف خرابی‌های ناشی از Current Shaft

• Frosting:

Frosting یکی از متداول‌ترین نوع خرابی‌های جریان محوری روتور است.
قسمت‌هایی که از این پدیده متأثر می­شوند مشتمل بر بیرینگ­ها، سیل‌ها، نگه‌دارنده‌های تراست، ژورنال‌ها و چرخ‌دنده‌هاست.

شکل 8

این پدیده مانند سطح ماسه­خورده (blast Sand) است

کـه مشخصـۀ آن روی هـم قـرار گـرفتن، جوش‌خورده شدن و براق بودن حفره است.

اگر یک سطح به‌طور کامل درگیر پدیدۀ «Frosting» گردد،

ممکـن اسـت بخـش آسیب‌دیده با چشم غیرمسلح دیده نشود،

زیرا سطح خراب‌شده مانند یک لایۀ پرده­مانند دیده می‌شود.

بـا چشـم مسـلح (میکروسکوپ) سطح Frosting مانند حفره‌ای کوچک به نظر می‌رسد

که ته حفره به‌صورت گرد و براق است و حـاکی از ذوب‌شدگی در آن می‌باشد.

پدیدۀ Frosting طی تخلیۀ الکتریکی که به آن تخلیۀ الکتریکی ماشین (EDM) یـا پدیدۀ الکترونی نامیده می‌شود روی می‌دهد.

زمانی که EDM روی می‌دهد، بخشی از ماده کنده می‌شود.

به‌هرحال مشخصـۀ ایـن پدیده، کوچک بودن، کم‌عمق بودن و کند بودن آن است.

شکل 9

• Tracks Spark:

اولین مشخصۀ این پدیده چنین است که ترک‌های به شکل خراش سطحی در بابیت

به­صورت اثرات ناشی از ذرات موجود در روغن روغن‌کاری یا روغن سیل مشاهده می‌شود.

این عیب معمولاً با منابع مکانیکی به‌اشتباه تشخیص داده می‌شوند.

شکل 10

با مشاهده نزدیک‌تر و دقیق‌تر آشکار می‌شود که این پدیده

به‌صورت ترک‌های باریک و پیچ‌وخم­دار در طول بابیت به اندازه‌های  in8/1 تا in 7 دیده می‌شود

و عمدتاً به‌صورت اریپ در راستای گردش محور رتور به وجود می‌آیند.

بـا بزرگ‌نمایی سطح مزبور ترک‌ها به شکل براق و ذوب‌شده که پهنای آن حدود mm2 تا in  61/1 است خود را نشان می‌دهند.

Tracks Spark ­ها معمولاً از یک منبع الکترومغناطیسی به وجود می‌آیند

که این منبع نیز جهت تداوم ولتاژ تخلیه نیازمنـد توان بالایی است.

• Pitting:

این شکل از خرابی‌ها ازنظر شکل ابعادی، حدود in32/1 تا in 4/1 و ازنظر قدرت منبع عیب قوی‌تر از حالت Frosting  است.

شکل 11

محل ایجاد این پدیده معمولاً در دندانۀ چرخ‌دنده‌ها، پشت بیرینگ­ها، سیل‌ها و گـاهی اوقـات در فاصـلۀ دو فـریم الکتروموتور (در الکتروموتورهای که فریم‌های آن‌ها دو تیکه است) دیده می‌شود.

همچنین برخلاف حالت Frosting که ممکن است سطح مزبور سالم به نظر برسد،

این حالت به‌گونه‌ای است که به‌راحتی قابل‌دیدن است

و حتی می‌توان تعـداد محل‌های تخلیه‌های الکتریکی را نیز شمرد.

شکل ظاهری حفره­های Pitting مانند حفره‌های منجمدشده از گدازه‌های آتش‌فشان است

که اغلب به شکل گرد و با عمق براق به نظر می‌رسند.

معمولاً Pitting الکتریکی ناشی از یک منبع الکترومغناطیسی باقدرت بالا است که قدرت تخریبی بالایی دارد.

• Welding

خرابی نوع Welding به شکل اثرات جوشکاری روی فریم‌های جداشونده الکتروموتورها، pad bearing و سیل‌ها دیده می‌شود

که ناشی از عبور جریان بالایی حدود صدها آمپر از آن‌هاست.

شکل 12

این نوع خرابی به شکلی است که با چشـم غیرمسلح نیـز قابل‌رؤیت است،

به‌نحوی‌که اثرات باقی‌مانده از نقاط جوشکاری­شده را می‌توان به‌راحتی از سطح فلـز جـدا نمـود.

ایـن نـوع اشکال فقط می‌تواند ناشی از یک منبع الکترومغناطیسی با قدرت بسیار بالا ‌باشد

که موجب ذوب دو بخـش فلـزی در توربـوژنراتورها می­شود.

این خرابی معمولاً باعث خروج واحد به­دلیل اشکال جدی در رتور و جاری شدن مقدار زیادی جریان در محل عیـب می‌گردد.

مثال واقعی: عوارض تخلیه‌های الکتریکی در بیرینگ­ها، سیل رینگ‌ها و کـاور بیرینـگ­هـا در ژنراتورهـای نیروگاه حرارتی

در یک ژنراتورهای نیروگاهی، سیستم عایقی یاتاقان‌ها مشتمل بر یاتاقان عـایق­شـده شـمارۀ ۶ (یاتاقـان ژنراتـور طـرف اکسـایتر)

و استفاده از زغال ارت در طرف یاتاقان شمارۀ ۵ (بین ژنراتور و توربین LP (است.

همچنین برای نمونه‌برداری ولتـاژ روتور رتور در حفاظت “FAULT EARTH ROTOR” زغال نمونه‌ای از ولتاژ روتور رتور ژنراتور برای رله ارسال می‌کند.

شکل 13

با توجه به مطالب گفته‌شده، قطعات زیر در اورهال نیمه­اساسی واحد شمارۀ ۳ بازدید شده که مشاهدات به‌عمل‌آمده به قرار ذیل است:

• بازدید از یاتاقان شماره ۵ ژنراتور واحد ۳:

مشاهدات به‌عمل‌آمده از یاتاقان شمارۀ ۵ ژنراتور واحد ۳ حاکی از بروز پدیدۀ “Pitting” در بخش خارجی یاتاقان با PAD است

و در قسمت داخلی بابیت نیز اثراتی از Tracking Spark دیده می‌شود.

شکل 14

شکل 15

• بازدید از یاتاقان شمارۀ ۶ ژنراتور واحد ۳:

با بررسی‌های به‌عمل‌آمده از یاتاقان مزبور اثرات پدیدۀ Current Bearing به ­دلیل وجود عایق مناسـب در ایـن یاتاقـان دیده نشد.

شکل 16

• بازدید از سیل رینگ‌های ژنراتور واحد ۳:

با بررسی سیل رینگ‌های مذکور همان‌طور که در شکل نیز مشاهده می‌شود، اثرات پدیدۀ Pitting روی سطح آن دیده می‌شود.

شکل 17: آثار پدیدۀ Pitting در اثر عبور جریان تخلیه از سیل رینگ

• اثرات ولتاژ القایی روتور و جریان مخرب بیرینگ در ژنراتور واحد ۴ نیروگاه

در بازدید به‌عمل‌آمده در خلال تعمیرات دوره­ای واحد ۴ این نیروگاه،

پس از باز کردن یاتاقان شـمارۀ ۱ توربین آثار Pitting به‌صورت گسترده در قسمت‌های مختلفی از پشـت یاتاقـان

و همچنـین روی قسمت‌های داخلـی نگه‌دارنده (پد یاتاقان) مشاهده شد.

این مورد در هر دو نیمۀ بالایی و پایینی یاتاقان شمارۀ ۱ مشهود بـود،

ولـی اثـرات آن در نیمۀ بالایی یاتاقان شمارۀ ۱ توربین گسترده‌تر بود.

پس از بررسی‌های عمیق‌تر این موضوع، مشخص شد علت این پدیـده در واحـد۴،

عملکرد نامناسب و ارتباط ناقص زغال ارتینگ شافت ژنراتور بود

که در محل یاتاقان ۵ روتور ژنراتور را زمین می‌نمود.

شکل 18و  شکل 19

• اقدامات صورت گرفته جهت کنترل و پایش وضعیت تخلیه‌های الکتریک در یاتاقان ژنراتور:

1. تعویض زغال‌های ارتینگ شافت و نصب زغال مناسب ارتینگ (متال گرافیت CG665)
2. نصب زغال ارتینگ شافت در محل یاتاقان ۵ ژنراتورها به‌صورت دوتایی
3. تهیۀ دستورالعمل پایش و اندازه‌گیری دوره‌ای ولتاژ شافت و جریان زغال ارتینگ
4. تهیۀ چک‌لیست اندازه‌گیری ماهانه پارامترهای مهم ولتاژ روتور و جریان زغال

• اثرات ولتاژ روتور و جریان مخرب بیرینگ در الکتروموتورهای فیدپمپ نیروگاه

 در هر واحد این نیروگـاه سه دسـتگاه از فید واتر پمپ‌ها با قدرت KW ۵۹۰۰ و ولتاژ تغذیۀKV ۶/۶ مورد استفاده قرار می‌گیرد

که همواره یک دستگاه از آن به‌صورت آماده‌به‌کار است.

از ابتـدا بـه­ دلیـل مشکلات حین ساخت موتورها عموماً دارای ولتاژ روتور مخربی بودند

کـه پیش‌تر باعـث اثراتـی چـون خشـک شـدن گـریس کوپلینگ و خوردگی‌های الکتریک سطح دندانه‌های گیربکس و سطح بابیت یاتاقان‌های موتور شده بود.

بـا تهمیـدات ذیـل بخش اعظم مشکلات موجود در واحدها برطرف شده است.

شکل 20

1. اقدامات صورت­گرفته جهت کنترل و پایش وضعیت تخلیه‌های الکتریک در یاتاقان الکتروموتورهای فید پمپ
2. عایق‌کاری یاتاقان‌های هر دو سمت الکتروموتور
3. عایق‌کاری کوپلینگ­ها و اتصالات هر دو سمت الکتروموتور
4. عایق‌کاری لوله‌های روغن روانکاری یاتاقان‌ها و اتصالات مربوطه
5. تعویض زغال‌های ارتینگ شافت و نصب زغال مناسب ارتینگ (متال گرافیتCG665)
6. تهیۀ چک‌لیست اندازه‌گیری ماهانه پارامترهای مهم ولتاژ روتور و جریان زغال

شکل 21

نتیجه‌گیری

یکی از عوامل بروز عیب و درنهایت خرابی یاتاقان‌ها در ماشین‌های دوار،

ولتاژ القایی روتور و جریان مخرب عبوری از بیرینگ­هاست

که در صورت عدم پایش و کنترل آن، باعث عیوبی چون Pitting،  FrostingوTracks Spark  خواهـد شـد.

عـدم وجود سیستم مانیتورینگ ولتاژ و جریان روتور در اکثر نیروگاه‌ها از‌جمله ژنراتورهای این نیروگاه

و نامناسـب بودن نوع زغال ارتینگ روتور به‌علاوۀ طراحی نامناسب سیستم ارتینگ از عوامل بروز عیوب ایجادشده در یاتاقان‌ها و سـیل رینگ‌ها در این ژنراتورها بوده است.

منبع: پیام همتی، معراج کلهر،” معرفی برنامه کنترل و پایش وضعیت ولتاژ شفت و جریان یاتاقان در ژنراتورها و موتورهای فشار قوی نیروگاه حرارتی شازند”، ششمین کنفرانس تخصصی پایش وضعیت و عیب ­یابی ماشین آلات، تهران، دانشگاه صنعتی شریف اسفند 1390