А. ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПАРАЗИТНЫХ ТОКОВ
Паразитные токи в подшипниках электрических машин могут быть вызваны различными причинами. С этим явлением приходится встречаться главным образом в крупных синхронных машинах, реже — в асинхронных двигателях и машинах постоянного тока.
Токи в подшипниках опасны тем, что образующиеся в масляном слое между шейками вала и вкладышами маленькие электрические дуги разъедают поверхности шеек и вкладышей, перенося баббит на шейки вала, что вызывает чрезмерный нагрев подшипников и даже расплавление заливки вкладышей. Кроме этого, электрическое действие тока портит масло, вызывая его почернение. Это также увеличивает нагревание подшипников.
Такие же повреждения шеек валов и вкладышей могут быть и от других причин, неэлектрического характера; к ним следует отнести недоброкачественность баббитовой заливки, наличие воды в масле, кислотность масла, ненормальные условия работы вкладышей и т. д. Поэтому для установления действительной причины повреждений приходится чатсто применять метод последовательного исключения отдельных причин.
Ниже приводятся основные причины появления паразитных токов в валу и подшипниках.
1. Несимметрия магнитного поля машин. Из-за несимметрии магнитного поля может иметь место при вращении ротора пульсирующий поток в замкнутом контуре, образованном валом ротора / (рис. 1), подшипниками 2, фундаментной плитой 3 и масляными зазорами подшипников. Так как сопротивление этой цепи незначительно, то возникающая даже небольшая ЭДС вызывает в ней циркуляцию значительных токов. Индуктированная ЭДС может достичь нескольких десятых долей вольта, а иногда нескольких вольт. Если электрическая машина соединена с другой машиной, то вызванный указанной ЭДС ток может повредить подшипники или другие части второй машины.
Рис. 1. Путь прохождения токов в подшипниках
Рис. 2. Магнитные линии при наличии стыков в стали статора
Рис. 3. Стыки в сегментах статорной стали
Рис. 4. Путь магнитных линий при неравномерном зазоре между ротором и статором
Асимметрия магнитного потока имеет место из-за чисто конструктивных недостатков или по причинам эксплуатационного характера. К конструктивным причинам относятся, например, наличие стыков в активной стали при разъемном статоре или наличие в последнем осевых вентиляционных каналов. При наличии стыков (рис. 2) число магнитных линий, замыкающихся через стыки (линии 2 и 4), может оказаться меньшим, чем число магнитных линий, замыкающихся через другие части системы (линии I и 3). Наличие стыков в сегментах статорной стали (рис. 3) может также служить причиной появления токов в подшипниках.
Причинами эксплуатационного характера являются, например, неравномерный зазор между ротором и статором или короткие замыкания в катушках полюсов, создающие магнитную асимметрию. При неравномерном зазоре (рис. 4) магнитные линии стремятся замкнуться по пути наименьшего сопротивления, охватывая вал ротора. При вращении ротора контур «вал — подшипники — плита» пронизывается переменным магнитным потоком и в нем индуктируется ЭДС.
2. Униполярная индукция. Токи в подшипниках могут возникнуть от продольного намагничивания вала синхронной машины при коротком замыкании части витков в одном из полюсов, вследствие чего часть магнитного потока замыкается через шейки вала, подшипники и фундаментную плиту. При вращении вала машины в результате униполярной индукции возникает местный постоянный ток, замыкающийся через шейку вала в подшипниках (рис. 5). Продольное намагничивание вала может произойти и от намагничивающего действия токоотводов, находящихся вблизи вала.
Мера, принимаемая обычно против подшипниковых токов,— изоляция подшипниковых стояков от фундаментной плиты — не препятствует протеканию местных токов от униполярной индукции.
Рис. 5. Местный ток в шейке вала и подшипнике от униполярной индукции
Рис. 6. Короткое замыкание в обмотке ротора турбогенератора вследствие одновременного замыкания обмотки на корпус и заземления цепи возбуждения 1 — возбудитель; 2 и 3 — подшипники турбогенератора; 4 — изоляция подшипника
Для устранения или уменьшения токов от униполярной индукции следует размагнитить вал либо изменить расположение токоотводов.
3. Короткое замыкание в обмотке ротора (якоря) через подшипники. Это имеет место в случае замыкания обмотки ротора (якоря) на вал при одновременном заземлении во внешней цепи ротора. На рис. 6 показан такой случай для ротора турбогенератора. В результате замыкания обмотки ротора на его бочку в точке а и заземления цепи возбудителя / в точке б ток протекает через неизолированный подшипник 2 (путь тока показан стрелками).
В подобных случаях повреждение шеек вала и подшипниковых вкладышей может быть весьма значительным, что потребует немедленного ремонта.
4. Электрический заряд роторов турбогенераторов от действия пара на ротор турбины. При зарядке ротора турбины паром на валу роторов агрегата появляется высокое напряжение. Значение его зависит от состояния масляной пленки, через которую заряд стекает в землю. Между валом и подшипниками иногда наблюдается проскакивание искры. Измерение сопротивления изоляции подшипника показывает полную ее исправность. Напряжение же между валом и корпусом машины, если измерить его магнитоэлектрическим вольтметром с большим внутренним сопротивлением (200 кОм и больше), оказывается больше напряжения между кольцами ротора. Пики напряжения по осциллограммам достигают 400 В и более. Результаты измерения сильно зависят от внутреннего сопротивления вольтметра, которым производится измерение. При измерении вольтметром с меньшим сопротивлением напряжение понижается, а при включении лампы накаливания между валом и корпусом генератора показания вольтметра падают до нуля; лампа при этом не загорается. Несмотря на значительные напряжения от электростатических зарядов, вызываемый ими ток обычно не представляет опасности вследствие незначительной мощности источника.
Чтобы обслуживающий персонал не испытывал неприятного ощущения при соприкосновении с валом агрегата, рекомендуется установить на валу со стороны турбины щеточку, заземляемую через сопротивление порядка 100 Ом.
Из всех рассмотренных паразитных токов наибольшую опасность представляют токи вследствие несимметрии магнитного поля машины.
