Analiza zjawiska powstawania „duchów” na pierścieniach ślizgowych turbogeneratorów

Zjawisko powstawania „duchów” na pierścieniach ślizgowych turbogeneratorów zasilających systemy elektroenergetyczne ma negatywny wpływ na poprawność pracy wspomnianych maszyn. Przyczynia się do degradacji zestyków ślizgowych układu wzbudzenia, co w konsekwencji w krótkim czasie powoduje intensywne iskrzenie w pobliżu generatora i wymusza nieplanowane przestoje zespołu wytwórczego. Problem wydaje się być o tyle istotny, gdyż niesie ryzyko pożaru generatora, a jednocześnie jest niedostatecznie opisany w literaturze. Zespół badawczy Elektrometal Energetyka S.A., lidera polskich producentów Elektroenergetycznej Automatyki Zabezpieczeniowej, we współpracy z jednostkami naukowymi jako pierwszy dostrzegł problem i podjął się analizy tego zagadnienia, by w przyszłości pomóc zidentyfikować i oszacować zagrożenie występującym zjawiskiem, opracowując odpowiedni algorytm  zaimplementowany w sterowniku polowym e²TANGO.

I. Wprowadzenie

Praca klasycznych turbogeneratorów w systemie elektroenergetycznym, czyli generatorów synchronicznych wiąże się z potrzebą ich wzbudzenia. Realizowane jest to przez ślizgowy układ stykowy, który pozwala na doprowadzenia napięcia stałego z układu wzbudzenia do uzwojenia wzbudzenia zlokalizowanego w wirującym z dużą prędkością wirniku- przeważnie 3000 lub 1500 obrotów na minutę. Styk ślizgowy składa się ze szczotek w szczotkotrzymaczach, umieszczonych na trawersie wokół wału wirnika i pierścieni ślizgowych osadzonych na wirniku, do których podłączone są końce uzwojenia wzbudzenia. [1] Terminem „duchów” na pierścieniach turbogeneratorów określa się ślady szczotek odciśnięte na powierzchni pierścieni, wraz ze smugą ciągnącą się za tym odciskiem w kierunku obrotu wirnika. Zjawisko to ma negatywny wpływ na poprawność pracy turbogeneratorów, a dokładniej na jakość pracy zestyków ślizgowych. Producent ślizgowych układów stykowych, firma Morgan, podaje dwie przyczyny powstawania tego zjawiska [2]:

1. Wywołane stanami awaryjnymi (zwarcie, asynchronizm, itp.) ekstremalnie wysokich pików prądu wzbudzenia (duże di/dt), których właściwe przeniesienie przez punkty styczności zestyku szczotka-pierścień nie jest możliwe, skutkuje gwałtownym przepływem prądu z silną jonizacją i wyładowaniami łukowymi, a w konsekwencji — wypaleniem śladu szczotki na pierścieniu.

2.Utlenianie pierścienia ślizgowego pod szczotką na zasadzie elektrolizy przy zatrzymanym nieruchomo turbozespole na okres kilku tygodni bez usunięcia bądź uniesienia szczotek nad powierzchnię pierścienia.

Pojawienie się tego zjawiska oraz dalsza eksploatacja maszyny przyczynia się do dalszego rozwoju tego zjawiska powodując poważniejsze uszkodzenia pierścieni ślizgowych w postaci nierówności na skutek iskrzenia. Pierścień z powstałą skazą nie ulegnie samoczynnej regeneracji. Istnieją jednak metody pozwalające na poprawę stanu pierścienia ślizgowego w postaci wykorzystania szczotek czyszczących. Jednak by wyeliminować efekty tego zjawiska konieczne jest przeszlifowanie, a nawet czasem ponowne przetoczenie pierścienia ślizgowego. Na rysunku 1 przedstawiono rozwijanie się zjawiska duchów  na pierścieniu ślizgowym.  Jest ono podkreślone widoczną wypukłością. Rysunek 2 przedstawia ślad szczotki po powierzchni pierścienia ślizgowego. Iskrzenie na zdegradowanym zestyku ślizgowym pokazano na rysunku 3.

II. Styk ślizgowy układu wzbudzenia generatora

Zrozumienie powstawania tego zjawiska ułatwi przedstawienie zasady pracy zestyku ślizgowego.  Jego cechą jest występowanie na powierzchni pierścienia ślizgowego cienkiej warstwy powierzchniowej zwanej najczęściej „filmem”, „politurą” lub „patyną”. Tworzy się ona na skutek zjawisk fizyko-chemicznych takich jak tarcie, utlenianie, korozja, adhezja, adsorpcja, erozja elektryczna, elektroliza, itp. W przypadku prawidłowo pracujących zestyków ślizgowych generatorów warstwa powierzchniowa jest bardzo cienka, rzędu kilku, kilkunastu nanometrów i składa się z tlenków materiału (lub materiałów w przypadku stopów) pierścienia ślizgowego, wody (wilgoci) i grafitu (węgla). Jest ona bardzo pożądana, a wręcz niezbędna dla zapewnienia prawidłowej pracy zestyku, szczególnie szczotek, gdyż zmniejszając siłę tarcia szczotek o pierścienie zmniejsza się ich zużycie. [1] Odnosząc się do przepływu prądu pomiędzy szczotką a pierścieniem, odbywa się on przez niewielką liczbę ciągle zmieniających się punktów styczności, występujących w warstwie politury zwanych tunelami. Wskazana metodyka została przedstawiona na rysunkach 4 i 5.

Istotnym aspektem wpływającym na poprawność pracy zestyku jest również wyróżnienie jego 3 możliwych stanów pracy, które zostały przedstawione na rysunku 6.

I stan pracy zestyku – oznacza praktycznie bezpośrednie (galwaniczne) połączenie powierzchni stykowych charakteryzujące się korzystnym, małym spadkiem napięcia zestyku lecz jednocześnie znacznym zużyciem mechanicznym szczotek i pierścieni poprzez tarcie. Stan ten występuje w początkowym etapie pracy nowych lub przeszlifowanych pierścieni ślizgowych.

II stan pracy zestyku – charakteryzuje się idealnymi warunkami pracy dla zestyku ślizgowego. Warstwa grafitowa stanowi dominującą część całkowitej grubości politury, co poprawia jej przewodność elektryczną i zmniejsza tarcie. Przewodzenie prądu odbywa się beziskrowo poprzez metalowe mostki tworzone w następstwie zjawiska frittingu. Zużycie powierzchni czynnych pierścieni ślizgowych oraz zużycie szczotek są w II stanie pracy zestyku najmniejsze. Jest to normalny stan pracy i utrzymywany jest tak długo, jak długo układ stykowy pracuje prawidłowo.

III stan pracy zestyku – występuje przy zbyt grubej warstwie politury, która uniemożliwia występowanie zjawiska frettingu, przez co przewodzenie prądu odbywać się może jedynie przez plazmę tworzoną podczas wyładowań iskrowych i łukowych. Wyładowania te niszczą powierzchnie zestyku ślizgowego, sukcesywnie zwiększając ich chropowatość i współczynnik tarcia. Rośnie zużycie szczotek, a wyładowania iskrowe z czasem przeistaczają się w łuk elektryczny. Stan ten jest wynikiem zużycia układu stykowego, często wskutek niewłaściwej pracy lub wskutek pojawienia się „duchów”.

Polaryzacja szczotki, a tym samym pierścienia w omawianym zestyku ślizgowym również posiada znaczny wpływ na jego charakter pracy. W pierwszej kolejności tego aspektu konieczne jest uporządkowanie nomenklatury szczotki „dodatniej” oraz szczotki „ujemnej”, która w literaturze jest rożnie określania. Uwarunkowane jest to kierunkiem przypływu prądu na drodze szczotka-pierścień. W niniejszym artykule zostało przyjęte nazewnictwo spotykane w literaturze firmy Morgan. Według niej, gdy prąd płynie przez zestyk ze szczotki do pierścienia nazywamy „szczotką dodatnia” (anodową), natomiast w przypadku odwrotnym, gdy przepływ prądu występuje w kierunku z pierścienia do szczotki, wówczas nazywamy „szczotką ujemna” (katodową). Pierścień ślizgowy pod szczotką dodatnią jest pierścieniem dodatnim, mimo, że jest spolaryzowany w stosunku do niej katodowo (czyli „-”). W przypadku tego „dodatniego” zestyku ślizgowego mamy do czynienia z tworzeniem się naturalnej politury składającej się z cienkiej warstwy tlenkowej na zewnętrznej powierzchni pierścienia i przylegającej do niej warstwy cząstek węgla. Ze względu na kierunek pola elektrycznego w warstwie zestykowej przepływ prądu nie wywołuje dodatkowego utleniania. W normalnych warunkach pracy generatora warstwa politury zachowuje praktycznie te same właściwości.

Zdecydowanie niekorzystniej przebiega przewodzenie w „ujemnym” zestyku ślizgowym. Pod ujemną szczotką węglową na skutek przepływu prądu dodatkowo występuje zjawisko elektrolizy. Z metalu anodowo spolaryzowanego pierścienia (ujemnego) tworzone będą jony i elektrony. W przypadku pierścieni stalowych będą to głównie dodatnie jony żelaza Fe2+ i Fe3+, które w warstwie politury utworzą z wilgocią dodatkowe tlenki FeO i/lub Fe2O3. Nieustanne utlenianie żelaza prowadzi do wzrostu grubości izolacyjnej warstwy tlenkowej. Z kolei zjawiska frettingu i mechanicznego tarcia w zestyku ślizgowym działają przeciwnie, zmniejszają grubość warstwy tlenkowej. W normalnych warunkach pracy generatora grubość politury ustala się na zasadzie równowagi między elektrolitycznym utlenianiem metalu pierścienia z jednej strony, a frettingiem i ścieraniem mechanicznym warstwy tlenkowej z drugiej. Wynika z tego, że mimo idealnych warunków pracy generatora zużycie szczotek i pierścieni ślizgowych dla zestyku „ujemnego” będzie znacząco większe niż dla zestyku „dodatniego”. Wyższa też będzie temperatura pracy pierścienia.

Długotrwała i prawidłowa praca układu styków ślizgowych wymaga zarówno formatowania powierzchni pierścieni ślizgowych poprzez początkowo częstą zmianę polaryzacji styku ślizgowego, następnie regularnej zmiany polaryzacji wzbudzenia, przynajmniej raz w roku,  jak też utrzymania równomiernego rozpływu prądu w poszczególnych szczotkach, przy zapewnieniu optymalnej wartości prądu w każdej szczotce. W zależności od rodzaju stosowanych szczotek węglowych  prądowy optymalny zakres pracy szczotek jest różny. Dla badanych szczotek typu ‘634 prąd ten wynosił 5,5-8 A/cm2 [2]. Dla  zapewnienia bezawaryjnej pracy generatora niezbędna jest systematyczna kontrola jego stanu technicznego, w tym drgań zarówno elementów nieobrotowych jak i podzespołów wirujących oraz stanu zestyków ślizgowych. Największe jednostki generacyjne wyposażone są w systemy  automatycznej  kontroli i diagnostyki poszczególnych podzespołów. W mniejszych  ze względu na rachunek ekonomiczny, ciągłemu  monitoringowi poddawane są jedynie niektóre, najważniejsze wskaźniki stanu generatora. Sprawdzanie  stanu technicznego zestyków  ślizgowych najczęściej ogranicza się do okresowych  oględzin, które tak naprawdę nie ujawniają przyczyn zakłóceń lecz  dopiero jego  skutki, np. iskrzenie szczotek. Przyczyn potencjalnych nieprawidłowości  pracy  zestyków ślizgowych jest bardzo dużo i do tych  najważniejszych należą:

a) zbyt duże drgania szczotek,

b) niewłaściwa odległość gniazda szczotki od pierścienia ślizgowego,

c) nieoptymalna pozycja i kąt nachylenia szczotki

d) nieodpowiedni nacisk szczotek,

e) nierównomierny rozpływ prądu między szczotkami,

f) niewłaściwa gęstość prądu szczotki,

g) deformacja kształtu pierścienia ślizgowego,

h) niecentryczność osadzenia pierścienia ślizgowego.

Są to bezpośrednie przyczyny wystąpienia stanu pracy  awaryjnej prowadzące pośrednio  do niewłaściwego  stanu  powierzchni  stykowej  zestyku  ślizgowego  (grubość  politury,  gładkość powierzchni, itp.) doprowadzając w efekcie do defektu zestyku (iskrzenie, łuk, przegrzewanie szczotek i pierścieni ślizgowych, itp.). [2,4]

III. Badania układów styków ślizgowych

Badania przyczyn powstawania „duchów” na pierścieniach ślizgowych układów styków ślizgowych oparto na pomiarze prądów chwilowych par szczotek, rejestracji zestyku szczotka-pierścień przy wykorzystaniu filmowania szybkiego oraz rejestracji długookresowej prądów i napięć wyprowadzenia mocy z generatora oraz w układzie wzbudzenia. Rejestrację przebiegów czasowych prądów poszczególnych szczotek realizowano podczas normalnej pracy generatora, pod napięciem, przy użyciu przetworników cęgowych, nakładanych na przewody zasilania pojedynczych szczotek oraz rejestratora cyfrowego. Rysunek 8 przedstawia przykładowy przebieg zmienności prądu wzbudzenia w funkcji kąta położenia wału generatora zarejestrowany na przewodach pojedynczej, nieprawidłowo pracującej szczotki.

Przedstawione w Tabeli 1 oraz na rysunku 9 wartości prądów wszystkich szczotek przykładowego badanego układu wzbudzenia wskazują na ogromne rozbieżności pomiędzy badanymi szczotkami. Zwiększona rezystancja połączenia szczotka-pierścień ogranicza prąd na danym połączeniu, widoczne jest to dokładnie na przykładzie szczotek nr. 2 i 3.

IV. Przyczyny powstawania “duchów” wywołane stanami awaryjnymi

Degradacja powierzchni pierścieni ślizgowych wiąże się z pojawieniem się w układzie wzbudzenia szybkozmiennych impulsów prądu (tzw. pików prądu) o wartościach wielokrotnie przekraczających wartość dopuszczalną prądu wzbudzenia. Zakłócenia w układzie wzbudzenia mają swoją genezę w sieci elektroenergetycznej. Na rysunku 10 pokazano zarejestrowane zakłócenia w SEE. Reakcją na występujące zwarcie był wzrost mocy generowanej jednostki wytwórczej i tym samym prądu wzbudzenia pokazany na rysunku 11.

Wzrost prądu wzbudzenia z jednoczesnym pojawieniem się pików prądu o znacznej wielkości powoduje impulsową pracę układu stykowego. Sprawia to, że szczotki stają się swoistymi elektrodami impulsowo wytrawiającymi pierścienie, pozostawiając na nich ślady nazwane tutaj „duchami”. [3] Jednocześnie należy pamiętać, że taki kształt rejestracji jest w znacznym stopniu ograniczony częstotliwością próbkowania rejestratora. Rzeczywiste wartości szczytowe pików prądowych mogą przyjmować znacznie większe wartości.

Prawdopodobną przyczyną powstawania „duchów’ na pierścieniach ślizgowych turbogeneratorów są szybkozmienne stany przejściowe związane z przeładowaniem energii zgromadzonej w polu magnetycznym uzwojenia wzbudzenia, która wskutek przyhamowania wirnika podczas zwarcia w systemie elektroenergetycznym, rozładowuje się w pojemnościach tyrystorowego układu wzbudzenia. [5-7]

V. Wnioski z badań

Przeprowadzone badania przedstawiają kompleksowe sprawdzenie jakości zestyków ślizgowych turbogeneratora wykonywane różnymi metodami.

Rejestracja prądu szczotek na zdegradowanym układzie styków ślizgowych wskazuje na skrajne różnice wartości prądu zarówno w funkcji położenia wału turbogeneratora jak również rozpływ prądu na poszczególne szczotki.

Szybka rejestracja filmowa układu styków szczotkowych pozwala na ocenę stanu pierścieni ślizgowych bez konieczności przerywania pracy turbogeneratora.

Rejestracja i analiza zakłóceń na wyprowadzeniu mocy z generatora, wraz z rejestracją prądu i napięcia wzbudzenia pozwala na identyfikację potencjalnych przyczyn przyspieszonej degradacji styków ślizgowych w układzie wzbudzenia. Dla pełnej identyfikacji narażeń układu styków ślizgowych obwodu wzbudzenia wymagana jest rejestracja szybkozmienna o częstości próbkowania przynajmniej kilka megaherców. Taka rejestracja może być realizowana przez popularny sterownik polowy e2TANGO, wyposażony w moduł rejestracji szybkiej.

Podziękowania

Artykuł jest wynikiem prac badawczych prowadzonych przez firmę Elektrometal Energetyka S.A. w ramach projektu „Budowa zintegrowanych systemów wspomagających i optymalizujących prace oraz bezpieczeństwo rozdzielnicy SN” PROJEKT WSPÓŁFINANSOWANY PRZEZ UNIĘ EUROPEJSKĄ ZE ŚRODKÓW EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONALNEGO W RAMACH Osi Priorytetowej I „Wykorzystanie działalności badawczo – rozwojowej w gospodarce” REGIONALNEGO PROGRAMU OPERACYJNEGO WOJEWÓDZTWA MAZOWIECKIEGO na lata 2014-2020”

Bibliografia

[1] Przybysz J., „Urządzenia szczotkowe generatorów synchronicznych. Zagadnienia eksploatacyjne”, Wydawnictwo Instytutu Energetyki, Warszawa 2016
[2] Morgan Advanced Materials, “Sliprings and carbon brushes on turbo alternators” Windsor 2014
[3] Świercz R. “Modelowanie i optymalizacja obróbki elktroerozyjnej materiałów trudnoobrabialnych”. Oficzyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2019
[4] Morgan Advanced Materials, “Carbon Brush & Holder Technical Handbook” 2013
[5] Chmielak W.,  Piątek Z., “Opinia techniczna nr ER/32/E/18-2” Warszawa 2019
[6] Chmielak W., Karczmarczyk K, Piątek Z., “Raport z badań nr EUR/34/E/19” Warszawa 2019
[7] Chmielak W., Piątek Z., Satławski K., “ Ekspertyza techniczna nr 149/20/CLIE/NBR/WN” Warszawa 2021

Waldemar Chmielak, Michał Kuleta, Karol Satławski
ELEKTROMETAL ENERGETYKA S.A.
ul. Działkowa 67, 02-234 Warszawa
0000-0002-7979-1591