発電機シャフト電圧の原因、危険性、および解決策

発電機単体の容量が増加するにつれ、静的自励方式を採用した大型発電機では軸電圧が深刻な問題となっています。軸電圧の波形には複雑な高調波パルス成分が含まれており、特に油膜絶縁に悪影響を及ぼします。軸電圧が油膜破壊電圧を超えない場合、軸電流は非常に小さくなります。軸電圧が軸受油層破壊電圧を超えると、軸受内に大きな軸電流、いわゆるEDM電流が発生し、軸受部品が焼損し、重大な損傷を引き起こす可能性があります。磁気回路の非対称性、単極効果、容量性電流、静電効果、静的励起システム、ケーシングやシャフトの永久磁化などはすべて、潜在的にシャフト電圧を引き起こす可能性があります。

シャフト電圧とは、モーターの動作中にモーターの 2 つのベアリング端間、またはモーターシャフトとベアリングの間に発生する電圧を指します。通常の状況では、シャフト電圧が低い場合、発電機シャフトとベアリング間の潤滑油膜が良好な絶縁を提供します。しかし、何らかの原因で軸電圧が一定値以上に上昇すると、油膜が切れて放電し、軸電流発生回路が形成されます。軸電流は油膜の安定性を崩し、潤滑油を徐々に劣化させるだけでなく、軸電流は軸受と軸の金属接点という極微小な接点を高い電流密度で通過するため、瞬間的に非常に高温となり、局部的に軸受の溶融を引き起こします。溶けた軸受合金は転がりの圧力を受けて飛び散り、軸受の内面に小さな穴ができます。最終的には、機械的磨耗の加速によりベアリングが破損し、ひどい場合にはベアリングシェルが焼損して事故を引き起こし、強制的に停止させられます。

発電機のシャフト電圧は常に存在しますが、一般に高くはなく、通常は数ボルトから十数ボルトの範囲です。しかし、油汚れや損傷、経年劣化などにより絶縁パッドが劣化すると、シャフト電圧がシャフトとベアリング間の油膜を破壊するのに十分な電圧となり、放電が発生します。これにより、時間の経過とともに徐々に潤滑油や冷却油の品質が低下し、ひどい場合にはシャフトやベアリングが焼損して停止事故につながることもあります。

1. 発電機軸電圧の原因

(1) 磁気の非対称性による軸電圧
タービン発電機の軸の両端に存在する交流電圧です。ステータコアでの扇形の打ち抜かれた積層板の使用、ローターの異なる偏心、扇形の積層板の異なる透磁率、冷却やクランプに使用されるシャフトガイド溝などにより、発電機の製造と動作によって磁気の非対称性が引き起こされ、シャフト、ベアリング、基礎プレートを含む交流磁束ループが発生します。これにより、発電機シャフトの両端に電圧差が発生します。それぞれのタイプの磁気非対称性により、対応する振幅と周波数を持つシャフト電圧成分が発生します。さまざまな軸電圧成分が重なり合うため、この軸電圧の周波数構成は非常に複雑になります。基本波成分の振幅が最も大きく、3 次および 5 次高調波の振幅はわずかに小さく、高調波成分の振幅は非常に小さくなります。このAC軸電圧は一般的に1～10Vであり、大きなエネルギーを持っています。何も対策を講じないと、この軸電圧が軸受け基礎板などをループして大きな軸電流が発生します。シャフト電流によって発生する電気アークがベアリングとシャフト表面の間に印加されます。その主な結果は、ベアリングおよびシャフト表面の炭化タングステンの摩耗と潤滑油の急速な劣化です。これによりベアリングの機械的摩耗が促進され、ひどい場合にはベアリング シェルが焼損する可能性があります。

(2) 静電気による軸電圧
シャフトと接地板の間に現れるこの DC 電圧は、特定の条件下で高速に流れる湿り蒸気とタービン低圧シリンダーブレードの間の摩擦によって生成される静電荷によって生成されます。この静電気効果は、特定の蒸気条件下で時々のみ発生し、頻繁に発生するものではありません。動作条件によっては、この種のシャフト電圧は非常に高く、数百ボルトに達する場合があり、触れるとチクチクする感覚を引き起こします。励磁機側には伝わりにくいですが、この静電気を地面に伝導する対策を講じないと、発電機のタービン側の軸受油膜に蓄積し、最終的には油膜上で放電して軸受の損傷につながります。

(3) 静励磁方式による軸電圧
現在、大型の蒸気タービン発電機は静励磁方式が一般的です。サイリスタ アーク整流の影響により、新しいシャフト電圧源が静的励起システムに導入されます。静的励磁システムは、静的サイリスタ整流器を介して発電機の励磁巻線に DC 電圧を供給します。この DC 電圧は脈動電圧です。三相完全制御ブリッジを使用した静的励磁システムの場合、その励磁出力電圧の波形は 1 サイクル内に 6 つのパルスを持ちます。この急速に変化する脈動電圧は、発電機の励磁巻線とローター本体の間の容量結合を通じて、シャフトとアースの間に交流電圧を生成します。このシャフト電圧は、周波数 300Hz (励磁システムの AC 電圧周波数が 50Hz の場合) の脈動スパイク状です。磁気の非対称性によって生じるシャフト電圧にこの電圧が重畳されるため、油膜はより高いスパイク電圧に耐えることになります。ある程度増加すると油膜を破壊し電流が発生し、機械部品の焼損や損傷を引き起こします。

(4) 残留磁気による軸電圧
発電機が重大な短絡またはその他の異常な動作条件にある場合、主軸、軸受、ケーシング、およびその他の部品が磁化され、一定量の残留磁気が保持されることがよくあります。軸受部で磁力線が縦方向に枝分かれし、ユニットの主軸が回転するとユニポーラ起電力と呼ばれる起電力が発生します。通常の状況では、弱い残留磁気によって生成される単極電位はミリボルトの範囲にすぎません。しかし、回転子巻線のターン間で短絡や二点接地が発生すると、単極電位が数ボルトから数十ボルトに達し、大きな軸電流が発生します。この電流はシャフト、ベアリング、基礎プレートを通って軸方向に流れ、メインシャフトとベアリングブッシュを焼損するだけでなく、これらのコンポーネントを極度に磁化し、ユニットのメンテナンスを困難にします。

2. 発電機のシャフト電圧によって引き起こされる危険 シャフト電圧の大きさは、特定のユニットによって異なります。一般に、ユニットの容量が大きくなるほど、そのエアギャップ流束と構造の非対称性が大きくなります。磁界の高調波成分が多いほどコアの飽和が大きくなり、ステータの凹凸が大きいほどピーク軸電圧が高くなります。軸電圧波形には複雑な高調波成分が含まれています。静電制御可能な整流器励起を使用するユニットは、シャフト電圧波形に高いパルス成分を持ち、これは油膜絶縁に特に有害です。軸電圧が一定値に達した場合、適切な処置を行わないと油膜が切れて軸電流が発生します。

蒸気タービン発電機セットの軸電流が非常に高い場合、軸電流が流れるジャーナル、ベアリング、およびその他の関連コンポーネントが焼損します。タービンのメインオイルポンプのドライブウォームとウォームホイールが破損します。シャフト電流によって発生する電気アークは、ベアリングのコンポーネントを侵食し、ベアリングの潤滑油を老化させ、ベアリングの機械的摩耗を加速させます。シャフト電流は、タービン部品、発電機エンドカバー、ベアリング、およびシャフト周囲のその他の部品を強力に磁化し、ジャーナルとインペラに単極電位を生成します。

シャフト電圧が高くなってシャフトとベアリングの間の油膜が破壊されると、放電が発生します。放電回路は、発電機シャフト - ジャーナル - ベアリング - ベアリング ブラケット - 発電機ベースです。シャフト電圧は高くありませんが (300MW 発電機の場合約 6V)、回路抵抗は非常に小さいです。したがって、発生するシャフト電流は非常に大きくなり、場合によっては数百アンペアに達することがあります。軸電流により潤滑油や冷却油の品質が徐々に劣化し、ひどい場合には軸受が焼損して強制停止し、事故を引き起こす可能性があります。したがって、設置および運転中に、発電機セットのシャフトとベアリング間の電圧を測定して確認する必要があります。

3. 発電機軸電圧の防止・解消対策

通常、次の予防策が採用されます。

(1) 設計および設置の際、通常、発電機励磁端の軸受ブラケットとベースの間に絶縁パッドが取り付けられます。同時に、すべてのオイルパイプ、ネジ、ボルトなどを絶縁します。

(2) タービンの低圧セクションの静電気を逃がすために、発電機シャフトのタービン側に接地ブラシが設計されており、シャフトと接地電位が同じになるようにします。

シャフトの電圧を除去することに加えて、シャフト接地ブラシはモーターを保護する次の機能も果たします。接地に対する正および負のローター電圧を測定します。 b.ローターの一点接地に対する保護として機能します。

(3) タービン発電機の磁気回路の非対称性に起因する軸電圧を低減するには、発電機の設計時に軸電圧に含まれる 3 次高調波成分や 5 次高調波成分を除去または低減するための対策を検討します。まったく新しい発電機構造が採用されており、設置はローターの偏心を防ぐためにメーカーのプロセスと設計要件に厳密に従っています。

(4) 回転子巻線の一点地絡短絡により発生する軸電圧を防止するため、運転中に励磁回路の二点地絡保護装置が作動します。 (5) 軸電流を遮断するため、発電機軸受間、水素冷却発電機のオイルシール間、水冷発電機ロータの出入口水サポートおよび出入口管フランジ間、テールベアリングとモータフレームのベースプレート間などの励磁端に絶縁パッドを設置してください。ベアリングハウジングの締結具およびベアリングハウジングに接続されているオイルパイプもベアリングから絶縁する必要があります。二重絶縁対策が可能です。

(6) モータ設計時に磁気回路の非対称性を避けてください。

(7) モータの設計、製造、運転時には軸方向の磁束を避けてください。

(8) 軸受箱とアースを絶縁してください。

(9) シャフトにアースブラシを取り付けます。

(10) 非磁性ベアリングハウジングまたは追加のコイルを使用します。

(11) DC モータの電機子出力端子のアースにバイパスコンデンサを追加してください。

4. シャフト電圧の測定 ローター接地ブラシとベアリングの絶縁は、発電機をシャフト電圧から保護し、安全な動作を確保するために重要です。実際の運転では、設置や使用環境の悪化、摩耗などにより、ローターの接地不良や軸受の絶縁低下が起こり、軸電圧や軸電流が上昇し、最終的には発電機を損傷する可能性があります。したがって、発電機の動作を改善するには、軸電圧を定期的に測定することが不可欠です。以下では、比較的簡単な測定方法をお勧めします。上の図に示すように、ここで:

U1: 発電機ローターシャフトの両端間の電圧差。通常の状況では、これは主にローターの磁気の非対称性によって引き起こされます。通常、メーカーは経験的なデータを提供します。マイナーなオーバーホールのたびにこれを測定し、過去のデータと比較することをお勧めします。

U2: 発電機の後部シャフトの対地電圧。

U3: 発電機後部ベアリングの絶縁層間の金属プレートの対地電圧。

A: 発電機のフロントエンド接地カーボン ブラシの接地リードで測定された電流。

U2、U3、および A は、動作中に定期的に測定する必要があります。これらのデータの変化は、ジェネレーターの状態を示す可能性があります。

① U1 はメーカーが提供する範囲内である必要があり、過去のデータと比較して大幅に変化してはなりません。それ以外の場合は、発電機のステーターとローターの状態をチェックして原因を特定する必要があります。

② U2 ≒ U3 (正常値)。 U2がU3（正常値）より大きい場合は、シャフト接地用カーボンブラシの接地を確認する必要があります。動作中に、短期間の外部接地線をフロントシャフトに接続して接地し、U2 を測定して比較することができます。

③ U3 は U2 の近くにある必要があります。 U2とU3の差は軸受油膜にかかる電圧を表しますので、過大な電圧がかかると油膜破壊を引き起こす可能性があります。この差が 4V を超えないこと、または U3 が U2 の 70% 未満にならないことをお勧めします。それ以外の場合は、表面の汚れや絶縁の劣化など、ベアリングの対地絶縁状態をチェックする必要があります。

④ 一般にシャフトアース用カーボンブラシに流れる電流 A は数ミリアンペアから数百ミリアンペアとなります。この値が大幅に増加する場合は、シャフト電圧の測定と併せてベアリングの絶縁をチェックする必要があります。