К основным факторам, способствующим появлению паразитных напряжений и токов, относятся:

• влияние тиристорной системы возбуждения турбогенератора;

• остаточная намагниченность узлов;

• накопление статического заряда вследствие трения пара о ротор.

  

Первые зафиксированные случаи электроэрозионных повреждений относятся к 30-м годам XX века. С этого периода предпринимались попытки выявить причины явления и разработать методы его предупреждения. Тем не менее, проблема сохраняет актуальность и сегодня. Одной из причин этого является раздельный подход к энергетическому оборудованию — разделение его на тепломеханическую и электромеханическую части без комплексного анализа их взаимного влияния.

Основные направления объяснения причин

В отечественной энергетике сформировались два подхода к объяснению природы электроэрозионных повреждений:

• электромеханическое направление;

• тепломеханическое направление.

Каждое из них имеет собственные особенности, достоинства и ограничения.

Электромеханическое направление

Данный подход наиболее распространен среди инженеров и конструкторов электрических машин, а также специалистов предприятий, выполняющих их ремонт. В его основе лежат преимущественно теоретические объяснения возникновения паразитных напряжений и токов на роторе турбогенератора.

При этом:

• отсутствует полноценный расчетный анализ;

• практически не проводятся экспериментальные исследования;

• не рассматриваются контурные (роторные) токи в системе «генератор–турбина» как в едином комплексе;

• не анализируется совместное влияние электромагнитных и механических факторов.

Такой односторонний подход во многом связан с тем, что наибольшее число электроэрозионных повреждений проявляется именно на турбинных узлах.

Характерные особенности подхода

1. Отсутствие нормативов по паразитному напряжению
Заводы-изготовители не устанавливают допустимые уровни паразитного напряжения на валу генератора и не предоставляют расчетных зависимостей его величины от режимов работы.

2. Ограниченный учет магнитных потоков
При расчете магнитного поля генератора учитывается только радиальный рабочий поток. Осевой поток от лобовых частей обмоток рассматривается исключительно как источник дополнительных потерь и считается локализованным в пределах генератора, без влияния на турбинное оборудование.

3. Традиционные методы защиты
Основные мероприятия по предотвращению повреждений были разработаны еще в 30-е годы XX века:

• размыкание контура роторных токов;

• установка подстуловой изоляции;

• заземление валопровода.

Однако практика показывает, что основные повреждения возникают на сопрягаемых деталях турбины, тогда как подшипники генератора (возбудителя) страдают крайне редко, несмотря на более выраженный продольный магнитный поток.

Это указывает на необходимость анализа электромагнитных процессов во всей турбогенераторной установке, а не только в генераторе.

Анализ отдельных теоретических положений

Электростатический заряд

Считается, что заряд, возникающий при трении пара о ротор, влияет на надежность турбоагрегата. Однако в рамках электромеханического подхода утверждается, что его мощность недостаточна для возникновения электроэрозии, и он вызывает лишь высокие напряжения на валу без существенного разрушения узлов.

Продольное намагничивание роторов

• Предлагаются следующие причины:

• несоосность статора и ротора;

• витковые замыкания в обмотке ротора;

• несимметрия токов лобовых частей обмотки статора.

Однако в ряде утверждений присутствуют противоречия закону электромагнитной индукции. Например, для возникновения кругового тока в массивном проводнике необходим первичный переменный магнитный поток, а не наоборот.

Также не объясняется, каким образом переменное магнитное поле частотой 50 Гц способно вызывать устойчивое намагничивание массивных деталей.

Токи основной частоты

Считается, что ЭДС основной частоты (доли и единицы вольт) может вызывать токи в сотни и тысячи ампер. Однако при реальном существовании таких токов неизбежно происходило бы разрушение подшипниковых узлов (выплавление баббита, разрушение уплотнений и т.д.), что на практике наблюдается крайне редко.

Недостаточно изученные аспекты

• В рамках электромеханического направления практически не рассматриваются:

• явление самопроизвольной намагниченности при механических нагрузках;

• зависимость униполярной ЭДС от уровня остаточной намагниченности;

• влияние переменного осевого магнитного потока, выходящего за пределы генератора.

Тепломеханическое направление

Этот подход распространен среди специалистов турбинных заводов, профильных институтов и эксплуатационного персонала. Он основан на практических исследованиях и анализе реальных повреждений.

Сильной стороной направления является глубокое понимание:

• тепловых расширений;

• вибрационных процессов;

• химводоподготовки;

• маслоподготовки;

• особенностей эксплуатации турбин.

Проведены обширные экспериментальные исследования, накоплена статистика повреждений, изучены процессы электрических разрядов в масле, изменения химического состава баббита и масла.

Инициированы работы по размагничиванию турбоагрегатов различных типов.

Ограничения подхода

Несмотря на значительный практический вклад, электромагнитная природа процессов часто рассматривается поверхностно.

Основные проблемы:

1. Применяются стандартные методики расчета асинхронных машин, которые не полностью отражают процессы в турбине.

2. В качестве основной причины электроэрозии выделяются самовозбуждающиеся контурные токи, тогда как униполярные токи, токи основной частоты и статическое электричество рассматриваются как второстепенные факторы.

3. Причины намагничивания узлов связываются преимущественно с электросваркой, магнитопорошковой дефектоскопией и воздействием магнитных полей оборудования, хотя для устойчивого намагничивания массивных деталей требуются значительно большие токи.

Контроль электрического состояния турбины

Методики контроля включают:

• измерение сопротивления подстуловой изоляции;

• контроль работы заземляющих щеток;

• оценку намагниченности по напряжениям на валу.

Однако:

• не учитывается зависимость переходного сопротивления от величины тока;

• не анализируется влияние режима работы генератора на паразитные напряжения;

• магнитное состояние генератора ошибочно принимается неизменным.

Необходимость комплексного подхода

Существующие методы в большинстве случаев направлены на устранение последствий (вибрация, некачественное масло, перекосы подшипников, снижение сопротивления изоляции), а не на ликвидацию первопричин электромагнитной природы.

Для эффективного решения проблемы требуется объединение:

• теории электромагнитного поля;

• механических и тепловых процессов в турбине;

• анализа режимов работы генератора.

Актуальные задачи исследований

Для формирования системной защиты необходимо:

• проанализировать механизмы намагничивания роторов и узлов;

• определить критический уровень остаточной намагниченности;

• разработать методики диагностики магнитного состояния в эксплуатации;

• создать доступные методы размагничивания энергооборудования;

• исследовать влияние величины и знака электростатического заряда;

• решить проблему отвода статического электричества с вращающихся валов;

• изучить влияние режимов работы генератора на роторные токи;

• разработать электромагнитную модель турбины и генератора как единого комплекса;

• создать алгоритмы диагностики электромагнитного состояния;

• внедрить активные схемы защиты от электроэрозионных повреждений.

Заключение

Анализ существующих концепций показывает наличие противоречий и неполноты в объяснении причин электроэрозионных повреждений.

Ключевые выводы:

• существующие подходы не дают комплексного объяснения явления;

• основное внимание уделяется устранению механических последствий;

• первопричины электромагнитной природы остаются недостаточно изученными;

• необходима разработка активных схем защиты энергооборудования;

• требуется междисциплинарный подход с использованием наработок смежных областей науки и техники.

Только интеграция электромагнитных, механических и тепловых аспектов позволит существенно повысить надежность турбогенераторных установок и снизить уровень электроэрозионных повреждений.