کنترل ولتاژ محورها؛ قسمت دوم

جیمز اس. بوثول

15 می 2007

رضاکیانی موحد

باتری هایی که به حساب نمی آیند

آیا توربین ژنراتور شما مانند باتری عمل می کند؟ احتمالا نه، اما یک "باتری متناوب" یا به عبارت دیگر یک پتانسیل متناوب بر روی محور بین ژنراتور و اکسایترهای بدون زغال توربینهای کوچک یا تمامی محور اکسایتر های بدون زغال توربینهای بزرگ وجود دارد.

یک مورد تاریخی دیگر را درنظر بگیرید. ولتاژ متناوب بر روی پایه بیرینگ یک ژنراتور 800مگاواتی توسط یک اهم متر دستی 40 ولت اندازه گیری شده است. در زمان نصب، یک ذغال متحرک به انتهای محور بسته شد و یک آمپرمتر جریان پایه بیرینگ به زمین را اندازه گیری کرد. زمانی که ذغال به پایه بیرینگ می چسبید 150 آمپر جریان نشان داده می شد. این جریان می تواند هر فیوزی را ذوب کند.

به عنوان یک موضوع عملی، از اندازی گیری جریان اکسایترهای بدون زغال پرهیز کیند. همچنین، سعی نکنید که محور را در فاصله بین ژنراتور و اکسایتر یا محور اکسایتر را زمین کنید. عایق سازی بین بیرینگ ها و بدنه دستگاه و عایقسازی کوپلینگ ها تنها را حل مشکل "باتری های متناوب" هستند.

وی.اف.دی ها؛ یک مورد ویژه

پایین بیرینگها و چرخدنده های بعضی تجهیزات دوار می توانند خراب و بدشکل شوند حتی اگر آنها قسمتی از قطعات متحرک نباشند. در واحدهای جدید وی.اف.دی (variable-frequency-drive) ،که از کنترلهای حالت جامد برای کاهش نویز در زمان کلید زنی و گرفتن بر روی محور استفاده می کنند، سیگنالهای سوزنی می توانند مسیرشان را به سمت زمین از طریق بیرینگهای محور ببندند. تولید کنندگان موتور اولین کسانی بودند که این پدیده را کشف کردند و با عایق کردن هر دو بیرینگ به این مشکل پاسخ گفتند. تولید کننده های گیربوکس در مرحله بعد متوجه مشکل شدند اما زمان بیشتری طول کشید تا آن را اصلاح کنند.

در یک مورد، لرزش بر روی توربینی که کمتر از شش ماه کار کرده زیاد شده است. این مجموعه شامل یک توربین بخار، یک کوپلینگ عایق شده، یک گیربوکس، یک کوپلینگ عایق شده دیگر، یک کمپرسور چند مرحله ای و یک ژنراتور با اکسایتر بدون زغال بود. زمانی که لرزش محور زیاد شد مجموعه برای بررسی وتعمیر متوقف شد. گزارش شد که بیرینگهای توربین دچار خوردگی شده و ناچار شدند که آن را عوض کنند. زمانی که واحد دوباره راه اندازی شد گزارش شد که وضع دستگاه اتصال به زمین محور به سرعت خراب شده و نمی تواند ولتاژ محور را نزدیک صفر نگه دارد. نصب یک زمین ساز تسمه ای الکتریسیته ساکن روی محور را تا 0.01 ولت پایین آورد.

ظاهرا تولیدکنندگان گیربوکس یا کوپلینگهای عایق شده را در هر دو محور ورودی و خروجی گیربوکسها نصب کرده اند یا بر نصب آن در زمان تعمیرات اصرار می ورزند. در این صورت، الکتریسیته ساکن توربین بخار ناشی از زمین شدن ناقص مسیرش را به بدنه توربین از طریق بیرینگهای توربین می بندند و از میان بیرینگها یا چرخدنده های گیربوکس عبور نمی کند.

کوپلینگ عایق شد باید بین محور چرخنده توسط واحد وی.اف.دی و اجزای پایین تر ، به علاوه بین واحد تولید کننده الکتریسیته ساکن و اجزای پایین تر نصب شود. این امر به ویژه برای گیربوکسهای مخصوص یا تجهیزاتی که از رول بیرینگ یا بال بیرینگ استفاده می کنند لازم است.

بعضی استفاده کنندگان از وسیله زمین کننده بر روی محور که توسط واحد وی.اف.دی به حرکت درمی آید استفاده می کنند تا از آسیب دیدن بیرینگهای پس از آن جلوگیری کنند. در هر صورت، این وسیله از آسیب دیدن بیرینگ های قبل از آن جلوگیری نمی کند. می دانیم که خواه تجهیزات زمین کردن خواه تجهیزات اندازه گیری ولتاژ محور درست عمل نکنند عملکرد نهایی مورد تأیید نخواهد بود.

روشهای دیگری برای تولید یک ولتاژ در محور یا جریان محور به زمین شناخته شده اند. این راه ها عبارتند از: مدارهای نامتعادل در موتورهای یا ژنراتورها (که توسط جریانهای گردابی در استاتور ایجاد می شوند)، میدان های مغناطیسی نامتعادل در روتور ژنراتورها (که توسط جریانهای گردابی در روتور ایجاد می شوند) و سوختن دیودهای اکسایترهای بدون زغال یا اکسایترهای ساکن. راه های مقابله با این موارد را باید خود جستجو کنید.

زمین شدن مناسب

اگرچه دو واژه "زغالهای زمین کردن" و "وسایل زمین کردن" به یکی معنی به کار می روند در حقیقت نامهایی بی مسما هستند. هر کدام از آنها به یک منظور استفاده می شوند. رساندن الکتریسیته ساکن از محور توربین به بدنه توربین و نه زمین نیروگاه.

مواردی هست که افراد در یک نیروگاه سیمهای زغالهای زمین کردن توربینهای بخارشان را به زمین نیروگاه وصل کرده اند. دوستی آنها دوستی خاله خرسه بوده است. به این دلیل که زمانی که جرقه یا قوس الکتریکی بین روتور و بیرینگها یا نشدبندها زده می شود جریان باید مستقیما از محور به بدنه توربین برود. وسیله زمین کردن در اتصال با روتور باید اول به بدنه متصل شود. در قدم بعدی این اتصال باید به زمین نیروگاه متصل گردد.

چند وسیله زمین کردن به صورت تجاری در دسترس هستند:

·        زغالهای کربنی (Carbon brushes)

·        زغالهای مسی اشباع شده با کربن(Copper-impregnated carbon brushes)

·        تسمه مسی به هم تابیده شده(Braided copper straps)

·        تسمه مسی به هم تابیده شده فنردار(Braided copper straps with spring assists)

·   تسمه مسی به هم تابیده شده به همراه وزنه در یک انتها(Braided copper straps with weights on one end)

·        زغال مویی(Bristle brushes)

·        کابل جوشکاری بافته شده(Braided welding cables)

·        تسمه مسی زمین(Copper ground straps)

هر کدام از این ابزار نقاط ضعف و قوت خود را داراست و قیمت آنها از چند دلار تا چند هزار دلار متغیر است. تمام تجهیزات زمین کردن ،فارغ از نوع آنها یا کارخانه سازنده شان، نیاز به مراقبت و اندازه گیری ولتاژ محور برای اطمینان از هم پتانسیل بودن روتور و بدنه دارند. کاملا آشکار نیست که یک وسیله زمین کردن بتواند در تمام تجهیزات و یا تمام شرایط بکارگرفته شود. خدمه هر نیروگاهی باید خودشان کارایی آنها را بسنجند و بر اساس کارایی آنها، یکی را انتخاب کنند. به همین دلیل، قیمت بالا دلیل نمی شود که تجهیز در نیروگاه شما خوب جواب دهد.

نیازهای تعمیرات و نگهداری تجهیزات زمین کردن محور و سنسورهای ولتاژ آن شبیه نیازهای نیروگاه و تجهیزات خاص آن هستند. در یک نیروگاه ،جایی که خدمه هر روز 4 زغال مویی نصب شده بر روی توربین را باز کرده و تمیز می کردند، ولتاژ محور ،که توسط ولتمترهای دستی خوانده می شد، زیر 1 ولت باقی می ماند. در نیروگاه دیگری خدمه تسمه های زمین را هر هفته آزمایش می کردند اما دوره آزمایش را به دو هفته یکبار و بعدتر به ماهی یکبار و دست آخر به 6 ماه یکبار افزایش داند. اگرچه آنها بر روی محور تجهیزات اندازه گیری ولتاژ نصب کردند که ولتاژ خوانده شده را در اتاق فرمان نمایش می داد اما خودشان هر از گاهی آن را با ولتمترهای دستی اندازه گیری می کردند.

من زمانی که برای آزمایش ولتاژ محور روی قطعات چرخان می روم با خودم تسمه های زمین کردن برمی دارم. در بیشتر موارد می بینم که ولتاژ محور زیاد شده که نشانگر این مطلب است که یا تجهیزات زمین کردن محور درست کار نمی کنند یا بکلی خراب شده اند. اگر به چنین وضعی برخوردکردم تسمه زمین کردن را به محور وصل می کنم. این امر همیشه ولتاژ محور را تا زیر 0.001 ولت کاهش می دهد و فرصت می دهد تا مشکل را پیدا کرده و رفع کنم. درهر صورت، مشتری اجازه می دهد تا تسمه های من بر روی محور باقی بماند تا ولتاژ نزدیک 0.01 ولت باقی بماند.

نصب تجهیزات زمین کردن

تجهیزات زمین کردن بر روی بیشتر توربین ژنراتورها بر روی پوشش آن بیرینگهای توربین که به ژنراتور نزدیک تر هستند نصب می شود. در بعضی موارد تجهیزات زمین کردن بر روی پایه گاورنر نصب می شوند. از آنجا که محور توربین ژنراتور شامل پیچهای ثابت کوپلینگ است، یک، دو یا چند تجهیز زمین کردن می تواند بر روی یک نقطه نصب شود تا پایه گاورنر را به محور (بین توربین و ژنراتور) به هم وصل کند. همین امر می تواند برای توربین کمپرسورها با پیچهای ثابت کوپلینگ هم روی دهد. من توصیه می کنم که تجهیزات زمین کردن را بر روی توربین ژنراتورها نزدیک توربین کم فشار و در توربین کمپرسورها و توربین پمپها نزدیک توربین نصب کنید.

همین وضعیت برای دستگاه های شامل گیربوکس هم پیش می آید. در بعضی موارد، یک توربین باید ژنراتور را از طریق یک گیربوکس بچرخاند که تجهیزات زمین کردن بین گیربوکس و ژنراتور یا به پوسته انتهایی ژنراتور نصب شده اند. الکتریسیته ساکن بر روی محور توربین باید از میان دندانه چرخدنده های گیربوکس عبور کند تا از به تجهیزات زمین کردن و بدنه توربین برسد. این چیدمان ،که قسمتی از طراحی کل واحد است، آشکار است که شامل مسیرهای الکتریکی نیست. نصب تجهیزات زمین کردن بر روی محور توربین اجازه می دهد تا الکتریسیته ساکن از محورتوربین به بدنه توربین منتقل شود بدون اینکه بخواهد از چرخدنده ها عبور کند.

نمونه هایی از تسمه های تابیده شده زمین کردن وجود دارد که آنها را بر روی پایه گاورنر توربین ژنراتور نصب کرده اند تا الکتریسیته ساکن را از روتور خارج کند. الکتریسیته ساکن از دندانه های چرخدنده عبور کرده و خود را به بدنه توربین رسانده است. در نتیجه سوراخ های ایجاد شده چرخدنده ها سوراخ های ایجاد شده چرخدنده ها غیرقابل استفاده شده اند. در وضعیت درست تسمه های باید جابجا شوند تا مستقیما به روتور متصل شوند.

 منبع:

http://www.powermag.com/issues/features/Controlling-shaft-voltages_352_p2.html

کنترل ولتاژ محورها؛ قسمت اول

جیمز اس. بوثول

15 می 2007

مترجم: رضاکیانی موحد

 الکتریسته ی ساکنی که توسط روتور یک توربین تولید می شود می تواند همان اثری را داشته باشد که هنگامی که شما در فصل زمستان و رطوبت کم پای خود را بر روی یک فرش می کشانید ایجاد می شود. با لمس کردن یک کلید برق معمولا یک قوس الکترکی بوجود می آید. الکتریسته ساکن بر روی محور توربینها در درجه اول توسط رطوبتی که از آخرین طبقه پره های آن سرازیر می شود ایجاد می شود. با طبیعتی تنبل، الکتریسیته ساکن ساده ترین راه را برای رسیدن به بدنه توربین انتخاب می کند: ایجاد قوس الکتریکی بر روی نزدیکترین قطعه به محور که معمولا تراست بیرینگ ها هستند(تصویر1).

تصویر1- عبور از یک مسیر مستقیم. به این علت است که تراست بیرینگ توربینهای با دور بالا بدون وسیله زمین کردن پس از 6 ماه کارکردن اینچنین می شوند.

در حالت ایده آل نزدیک ترین قطعه به محور باید وسیله زمین کردن داشته باشد که بتواند الکتریسته ساکن را از روتور به زمین منتقل کند. در بیشتر موارد -اما نه همیشه- این ولتاژ به یک یا دو ولت محدود می شود که نمی تواند قوس الکتریک ایجاد کند.

الکتریسیته ساکن تولید شد در محور توربین می تواند بین 1 تا 150 ولت متغیر باشد. مشاهده شده است که ولتاژ محور یک توربین با دور 20000 تا 30000 دور/دقیقه تا حدود 600 ولت هم رسیده است. الکتریسیته ساکن منتقل شده از محور به بیرینگها، بر روی سنسورهای مجاورتی تجهیزات سنجش لرزش نویز ایجادمی کنند. بازدیدها نشان می دهند که توربین و کمپرسور دارای کلرنسهای زیادی هستند که توسط روغن پر می شوند که خود دارای خواص عایقی است.

بعضی توربینها به وسیله زمین کردن محور مجهز نشده اند. برای جبران این نقیصه، مهندسین یک تسمه زمین بر روی آن نصب می کنند که ولتاژهای سوزنی ،که توسط تجهیزات لرزش سنج آشکار می شوند، را حذف کند و دامنه ولتاژ الکتریسیته ساکن را تا 0.01 ولت کاهش دهد. بررسی سوابق نشان می دهد که چگونه قبل از این وسایل زمین کردن محور توربین آسیب می بیند.

جریانهای گردابی

دو آسیب اصلی که به بیرینگهای نوع بابیت وارد می شوند عبارتند از "سرمازدگی" و "کرم توربین". کرم توربین یا "شیارهای کرم خوردگی" بر روی دندانه های جوشکاری شده کوپلینگهای چرخدنده ای و گیربوکس ها دیده می شوند. آنها اغلب به دلیل جریانهای گردابی ناشی از میدانهای مغناطیسی در تجهیزات دوار ایجاد می گردند (تصاویر 2 و 3). این جریان، بیشتر از ولتاژ به بیرینگها آسیب می رساند. اما چون اندازه گیری این گونه جریانها بر روی محور غیرعملی است به جایش دامنه ولتاژ را اندازه گیری می کنیم.

تصویر2- یک محور "سرمازده" شده.

تصویر 3- خوردگی های روی بابیت در اثر جریانهای گردابی

در زیر یک میکروسکوپ با بزرگنمایی X30، یک کرم توربین مانند یک رشته جوشکاری شده به نظر می رسد. آسیبهای وارد شده به بال بیرینگ ها و رول بیرینگها مانند موجهای راه راه (شبیه یک جاده شن بد شن پاشی شده) یا بدنه ورقه ورقه شده به نظر می رسد. چرخدنده ها و کوپلینگهای کرم زده می توانند با نشانه های قوس الکتریک یا جوشکاری بر روی دندانه هایشان یا سوراخهای ریز یا سرمازدگی شناخته شوند.

تصویر 5- اینجا یک کرم توربین ،که توسط اثرات الکترومغناطیسی ایجاد شده است، دیده می شود.

تصویر 6- کرمهایی که بر روی تراست بیرینگ یک کمپرسور پر سرعت ایجاد شده اند. توجه کنید که شیارها در یک جهت نیستند. آلودگی ها شیارهایی موازی هم ایجاد می کنند.

تولید یک ولتاژ متناوب به سه عنصر نیاز دارد: یک میدان مغناطیسی، یک سیم پیچ و حرکت نسبی این دو. جریان متناوب هنگامی ایجاد می شود که ولتاژ متناوب یک مسیر بسته را دور بزند. در مورد کمپرسور یا توربین، چرخش محور حرکت نسبی را ایجاد می کند و پره های توربین یک مسیر بسته را در خود هر پره می سازند.

عنصر سوم ،میدان مغناطیسی، اغلب توسط تعمیرکارانی که آزمایشهای مغناطیسی را بر روی پره های توربین انجام می دهند ایجاد می شود. این تعمیرکاران چند دور سیم را دور یک دسته از پره های می بندند و سپس سیم را به یک منبع جریان مستقیم با دامنه بالا وصل می کنند. زمانی که جریان مستقیم یک میدان مغناطیسی در سیم ایجاد می کند تعمیرکار اسپری زیگلو (یا مواد مشابه) را بر روی قطعه می پاشد و زیر "نور سیاه" آن را آزمایش می کند تا نشانه ای از خوردگی یا شکستگی را بر روی سطح قطعه ببینند. هر خوردگی در جایی که قطبهای شمال و جنوب مغناطیسی در طرفین آن ایجاد می شوند درخشان می شود.

پس از قطع شدن منبع تغذیه مستقیم، قطعات توربین یا کمپرسور خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می کنند که این خاصیت به میزان جریان مستقیم، تعداد دور سیم پیچ و جنـس قطعه بستگی دارد. پسماند مغناطیسی که در قطعات باقی می ماند به دلیل تغییر جهت دو قطبی های مغناطیسی درون ماده است. برای از بین رفتن این خاصیت مغناطیسی لازم است که دوقطبیها دوباره به صورت تصادفی ،همان گونه که قبل از شروع آزمایش بودند، آرایش بیابند.

بعضی از تعمیرکاران باور دارند که می توانند این ذرات مغناطیسی را با جریان مستقیمی درجهت معکوس و در همان زمان آزمایش قبلی به وضعیت قبل از آزمایش بگردانند. ممکن است که این روش مفید باشد اما شرط می بندم که آنها راه بهتری برای این کار در دسترس دارند.

جریانهای گردابی در روتور و اجزای ثابت یک توربین در هنگام چرخیدن آن بوجود می آیند. این جریانها می توانند در اثر اجزای مغناطیس شده یک توربین، کمپرسور یا پمپ ایجاد شوند. عموما، این گونه جریانها ولتاژ پایین و دامنه ی بالایی دارند. اگر فاصله هوایی بین اجزای گردان و ثابت یا غیرهادی بیرینگها زیاد باشد قوس الکتریکی ایجاد نمی شود اما در عوض ولتاژهای متناوبی بر روی اجزا ایجاد می شوند که منتظر شانسی برای بسته شدن مسیرشان می مانند.

توربین، کمپرسور یا پمپ همچنین می توانند به صورتهای زیر مغناطیسی شوند:

·        قرار دادن پایه مغناطیسی دستگاه ها بر روی قطعات.

·        نگه داشتن یک قطعه در مکانی که حوزه مغناطیسی (مانند دریلهای برقی و ...) وجود دارد.

·        نزدیک بودن قطعه به سیم یک دستگاه جوشکاری با جریان مستقیم درحالیکه دستگاه دارد جوشکاری می کند.

تمام اجزای توربینها، کمپرسورها یا پمپها باید پس از آزمایشهای مغناطیسی یا شرایطی که آنها مغناطیس می شوند پسماند مغناطیسی خود را از دست بدهند. این میزان باید به کمتر از 2 گوس کاهش یابد.

پیشنهاد می شود که پس از انجام این فعالیتها بر روی قطعات یا دستگاه های خریداری شد تمام اجزای دستگاه غیرمغناطیسی شوند:

·        تستهای مغناطیسی.

·        آزمایشهای غیرمخرب.

·        بازبینی یا تعمیراتی که شامل جوشکاری یا استفاده از دستگاه هایی با خاصیت مغناطیسی بالا باشد.

به نظر می رسد که هر زمان که یک پمپ برای تعمیرات اساسی می رود مشکلات زیادی پیش رو داریم اما تجربیات چیز دیگری می گویند. به عنوان مثال:

یک پمپ با قدرت 5 اسب آسیب دیده و نیاز به تعمیر ایمپلر و بدنه دارد. پمپ به تعمیرگاه فرستاده می شود و پس از تعمیر سرجای خود نصب می شود. این پمپ قبل از اینکه به دلیل خرابی بیرینگ از کار بیافتد 9 ماه کار کرد. برای بار دوم پمپ به تعمیرگاه فرستاده شد و بیرینگهای آن تعویض گردید و مجددا سرجای خود نصب شد. در حدود 6 ماه بعد بیرینگها دوباره آسیب دیدند. این بار، بیرینگها را زیر یک میکروسکوپ X30 قرار دادند که شیارهای کرم زدگی ناشی از میدان مغناطیسی را آشکار کردند. پمپ را به تعمیرگاه فرستادند تا پس از تعمیر، پسماند مغناطیسی قطعات آن گرفته شود و دوباره سرجایش نصب شود. این پمپ 5 سال بدون اشکال کار کرد.

منبع

http://www.powermag.com/issues/features/Controlling-shaft-voltages_352.html