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PATENTANSPRÜCH E
1. Anordnung zum Ableiten von Wellenspannungen mit Spannungsspitzen und/oder hochfrequenter Spannungskomponenten von Wellen dynamoelektrischer Maschinen, dadurch gekennzeichnet, dass am nichtantriebsseitigen Wellenende (NS) der dynamoelektrischen Maschine ein Strompfad, umfassend eine Kontaktvorrichtung (8) mit mindestens einem Gleitkontakt (22,23; 29) und einer dazu in Serie geschalteten Kapazität (9) zwischen der Welle (11) und dem Maschinengehäuse bzw. Erde (5) vorgesehen ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kapazität (9) eine Induktivität (32) in Serie geschaltet ist, derart, dass der so gebildete Saugkreis auf eine maschinenspezifische Frequenz abgestimmt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Strompfad ein Sicherungselement (10), vorzugsweise eine träge Schmelzsicherung mit kleinem Ansprechstrom, eingeschaltet ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktvorrichtung aus einer oder mehreren metallisierten Carbonfiber-Bürsten (8), die mit einem Wellenzapfen (29) am nichtantriebsseitigen Wellenende der Welle (11) zusammenarbeiten, besteht.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktvorrichtung einen im nichtantriebsseitigen Wellenende (11) angeordneten rotierenden Kontaktteil (22) und einen unter Einwirkung einer Feder (26) axial an den rotierenden Kontaktteil anpressbaren stationären Gegen kontakt (23) aufweist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierende Kontaktteil (22) an der Kontaktfläche mit einer Edelmetallplatierung versehen ist oder aus einer Kupfer/Silber-Legierung besteht.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche des rotierenden Kontaktteils (22; 29) strukturiert ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelflächen durch Einschneiden eines ein- oder mehrgängigen Flachgewindes oder durch Kreuzrandrierung gebildet sid.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Kontaktvorrichtung als an die Maschine anbringbare Baueinheit ausgebildet ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktvorrichtung durch eine Kapselung (28) gegenüber Umwelteinflüssen abgeschirmt ist.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Ableiten von Wellenspannungen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die an elektrischen Maschinen, insbesondere Turbogruppen, auftretenden Wellenspannungen sind eine potentielle Gefahr für zahlreiche Komponenten des Wellenstranges. Wenn sich unkontrollierte Stromkreise ausbilden, können die in diesen Pfaden liegenden Teile durch Stromeinwirkung und Funkenerosion geschädigt werden. Durch zwei allgemein bekannte Massnahmen konnten die Schadenfolgen der Wellenspannungen einwandfrei ausgeschaltet werden: - Durch Einfügen von Isolierstrecken wurden Barrieren geschaffen, so dass die Wellen-Längsspannungen keine Schadströme über die gefährdeten Teile treiben können. In der Regel werden diese Isolierstrecken, insbesondere bei Turbogruppen, nur auf NS der elektrischen Maschine (Generator) ausgeführt.
Eine konsequente Isolation aller potentiell gefährdeten Teile einer Dampfturbine, bzw. jener von Arbeitsmaschinen bei Antrieb durch Motoren, wäre kaum durchführbar.
- Die Wellen-Querspannungen werden auf der nichtisolierten Wellenstrangseite durch Erdungsbürsten abgeleitet.
Eine neue Situation ergab sich mit dem Aufkommen und der immer weiteren Verbreitung von statischen Erregungssystemen bei Generatoren und statischen Kaskadenschaltungen bei Schleifringläufer-Motoren. Beim Kommutieren der Halbleiterventile treten sehr grosse dU/dt-Werte auf.
Diese führen über verschiedene Koppelmechanismen zu kurzen, steilen Spannungsspitzen auf den Wellensträngen.
Trotz der oben angeführten Massnahmen traten mit der Einführung dieser neuen Schaltungstechnologien vermehrt Schäden auf. Die Ursachen dafür sind: - Die kurzen Stromimpulse, die von den Spannungsspitzen ausgelöst werden, beeinträchtigen in gravierender Weise den Kontakt der Erdungsbürsten. Ihre Funktion kommt in relativ kurzer Zeit zum Erliegen.
- Die steilen Spannungsspitzen führen schon bei niedrigen Spannungspegeln zu einem Durchbruch der Schmierund Ölfilme.
- Die von den Spannungsspitzen ausgelösten Stormimpulse sind ein sehr effizienter Funkenerosions-Mechanismus.
- Die steilen Spannungsspitzen führen auch an den durch Isolierstrecken geschützten Komponenten zu kapazitiven Verschiebungsströmen die gross genug sind, um diese Teile durch Funkenerosion zu schädigen.
Umfangreiche Untersuchungen in Anlagen sowie Laborversuche zeigten, dass mit konventionellen Erdungsbürsten kurze, steile Stromimpulse nur bei ganz bestimmten Rahmenbedingungen betriebssicher abgeleitet werden können.
Diese Rahmenbedingungen sind bei den, in üblicher Weise zwischen Generator und Turbine angeordneten, Erdungsbürsten nicht gegeben und auch nicht realisierbar, weil die Konfiguration und die vorliegenden Gegebenheiten von anderen Anforderungen diktiert werden. Diese für Bürsten recht ungünstigen Verhältnisse führen bei der erzwungenen Ableitung der Stromimpulse zu einer relativ rasch fortschreitenden Degradation des Gleitkontaktes, zu Störungen und zu einem Anstieg der Wellenspannung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, nicht die für die ohmsche Erdung nach wie vor notwendigen Erdungsbürsten zu eliminieren, sondern die durch die statischen Erregungssystem eingekoppelten Spannungsspitzen soweit abzubauen, dass diese weder den Komponenten des Wellenstranges gefährlich werden können, noch die konventionellen Erdungsbürsten mit Stromimpulsen belasten, die zu einer Degradation ihres Kontaktverhaltens führen. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch I gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die Erfindung sowie deren physikalisch/technischer Hintergrund werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Rotors einer elektrischen Maschine (a) mit zugehörigem Längsspannungs-Diagramm (b),
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Rotors einer elektrischen Maschine (a) mit zugehörigem Querspannungs Diagramm (b),
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Turbogruppe mit einer Anordnung zur Ableitung steilflankiger Spannungsspitzen und/oder hochfrequenter Wellenspannungen,
Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer axial wir kenden Kontaktvorrichtung am nichtantriebsseitigen Wellenende,
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kontaktvorrichtung am nichtantriebsseitigen Wellenende mit einer strukturierten Lauffläche,
Fig.
6 eine Weiterbildung der erfindungsgemässen Anordnung mit einem abgestimmten Saugkreis zwischen Welle und Erde.
An den Rotorkörpern und Wellen elektrischer Maschinen können, auch wenn diese nicht Bestandteil der aktiven elektrischen Kreise (Wicklung) sind, Spannungen auftreten.
Diese Spannungen sind unter dem Namen Wellenspannungen bekannt. Es gibt eine ganze Reihe Effekte und Mechanismen, die diese Wellenspannungen generieren und verursachen. Dementsprechend komplex ist auch ihr Erscheinungsbild. Von Gleichspannungen über Wechselspannungen mit Netz- und Drehzahlfrequenz sowie deren Oberwellen bis zu kurzen steilen Spannungsimpulsen reicht ihr Spektrum, ihr Pegel von wenigen mV bis zu einigen hundert, ja sogar 1000 V. Diese Spannungen lassen sich in zwei Gruppen einordnen: in die Längs- und Querspannungen.
Bei den Längsspannungen UL liegt eine Spannungsquelle in der Welle vor (Fig. 1). Die Spannung UL baut sich längs der Welle auf und kann zwischen zwei auseinanderliegenden Wellenpunkten A-B gemessen werden. Diese Längsspannungen haben in der Regel eine niedrige Quellimpedanz ZL und sind gegenüber Erdpotential Uo im allgemeinen nicht definiert - sie floaten . Schliesst sich der äussere Stromkreis über niederohmige Widerstände, dann können die durch die Längsspannungen ausgelösten Wellenströme sehr hohe Werte erreichen.
Bei den Querspannungen (Fig. 2) liegt die Spannungsquelle zwischen Welle und Erde, wobei diese Quellen meist eine hohe Quellenimpedanz ZQ und relativ hohe Spannungspegel UQ gegenüber Erdpotential Vo besitzen. Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, dass hier die Spannung nicht zwischen zwei Punkten A-B der Welle, sondern zwischen Welle und Erde bzw. zwischen Welle und Masse, d.h. der äusseren, ruhenden Maschinenstruktur, auftritt.
Wellenspannungen stellen immer ein beträchtliches Gefahrenpotential für die Maschine oder den Wellenstrang dar, an dem sie auftreten. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich geschlossene Stromkreis ausbilden, ist immer gegeben.
Bevorzugte Stellen für den Stromübergang sind Lager, Dichtund Abstreifringe, Zahnräder und andere mit der Welle in Kontakt stehende Komponenten. Dabei zeigt sich, dass Ölund Fettfilme nur eine sehr eingeschränkte Isolierwirkung besitzen. Spannungen um und unter 10 V genügen bereits, um diese zu unterlaufen (Tunnel-Effekt) oder zu überbrücken und einen Strom auszulösen. Wellenströme, die sich über Lager, Zahnräder oder andere Wellenstrangkomponenten schliessen, führen praktisch immer zu einem erhöhten Verschleiss und zu gravierenden Schäden an diesen Teilen. Handelt es sich um grosse Motoren, Generatoren oderTurbogruppen, die von solchen Wellenstrom-Effekten betroffen werden, dann können schwerwiegende Betriebsunterbrüche die Folge sein und hohe Schadenkosten auflaufen.
Bei grossen Einheiten ist ausserdem die Schadenwahrscheinlichkeit grösser als bei kleinen Einheiten, da mit der Einheitsgrösse die Pegel der Wellenspannungen und die allenfalls durch sie ausgelösten Ströme ansteigen.
Damit die Wellenspannungen keine Schäden anrichten, sind geeignete Gegenmassnahmen unerlässlich. Eine Möglichkeit wäre ein Eingriff am Entstehungsort dieser Spannungen, nämlich bei den Generierungsmechanismen. Die Praxis zeigt jedoch, dass dies bei einer so grossen Zahl unterschiedlicher Entstehungsmechanismen nur schwer möglich ist, dass man einige dieser Mechanismen überhaupt nicht beeinflussen kann oder bei anderen der Aufwand sehr gross wäre. Bei der heute üblichen Praxis versucht man daher nicht die Primärursachen, sondern das Auftreten von Wellenströmen an den potentiell gefährdeten Teilen und Komponenten durch gezielte Isoliermassnahmen zu unterbinden bzw. die Wellenströme über vorgegebene Pfade abzuleiten.
So ist es üblich, Lager, Lagersegmente, Lagerböcke, Dicht ölringe an H2-gekühlten Turbogeneratoren, Zahnrädern und Ritzel für den Antrieb von Ölpumpen, Hilfseinrichtungen an Turbogruppen usw. durch eingefügte Isolierstrecken so zu isolieren, dass ein Stromfluss über diese nicht auftreten kann.
In der Regel werden bei grossen Motoren, bei Generatoren und bei Turbogruppen die Lager und übrigen Komponenten nur auf der Nichtantriebs-Seite (NS) isoliert. Eine Isolation aller potentiell gefährdeten Komponenten an den Antriebsmaschinen (Turbinen), oder Arbeitsmaschinen bei Motoren, die auf der Antriebs-Seite (AS) der vorliegenden elektrischen Maschine liegen, wäre vielfach mit einem sehr hohen Auf wand verbunden, nur schwer oder überhaupt nicht durch- führbar, oder aber der Hersteller der elektrischen Maschine hat gar keinen Einfluss auf die Ausführung der von einem anderen Hersteller ausgeführten Arbeitsmaschine.
Mit der Isolation aller gefährdeten Teile auf der Nichtantriebsseite, z.B. eines Turbogenerators einer Turbogruppe, verhindert man das Auftreten von Wellen-Längsströmen, da zu deren Zustandekommen, wie Fig. 1 zeigt, mindestens 2 Stromübergangspunkte Welle-Masse erforderlich sind. Eine Isolation der gefährdeten Komponente auf einer Maschinenseite (NS) ist jedoch keine Präventivmassnahme für allfällige Wellen Erdströme, die auf der Antriebsseite durch die Wellen-Querspannungen Uo ausgelöst werden können. Um diesen entgegenzuwirken, ordnet man auf den antriebsseitigen Wellenpartien eine oder auch mehrere Erdungsbürsten an, die auf der Welle schleifen und mit Masse (Erde) verbunden sind.
Der durch die Querspannungen ausgelöste Strom IQ (Wellen Erdstrom) fliesst so auf einem vorgegebenen Pfad gegen Erde, auf dem er keinen Schaden anrichten kann. Durch die in der Regel hohe Quellimpedanz ZQ ist der Strom in seiner Grösse begrenzt. Er erreicht bei weitem nicht jene Grössenordnung, die die Wellen-Längsströme annehmen können, wenn sie einen entsprechend niederohmigen Strompfad vorfinden.
Wenn man annimmt, dass der Bürstengleitkontakt einwandfrei funktioniert, dann liegt das Potential des Wellenstranges nur 0,5-1,5 V über Erd- bzw. Masse-Potential. Langjährige Erfahrungen haben gezeigt, dass solche Spannungspegel keine Gefahr für den Wellenstrang und seine Komponenten darstellen. Mit dieser Vorgehensweise ist man bis etwa in die 70er Jahre gut gefahren und ohne grosse Probleme durchgekommen. Etwa ab diesem Zeitpunkt begannen sich Schäden und Ausfälle an Maschinen zu mehren, die eindeutig Wellenströmen zuzuschreiben waren.
Es zeigte sich, dass diese einerseits an Turbogruppen auftraten, bei denen der Generator über statische Erregungssysteme und nicht mehr über rotierende Erregerdynamos erregt wurde, andererseits an grossen drehzahlregelbaren Schleifringläufer-Asynchronmotoren deren schlupffrequenter Läuferstrom ebenfalls in statischen Wechselrichterkaskaden weiterverarbeitet wurde. Bei diesen Maschinen finden sich in der Wellenspannung in regelmässiger Folge sehr steile und hohe Spannungsimpulse, die durch die Kommutierung der Halbleiterventile (Thyristoren, Dioden) in den vorliegenden Brükkenschaltungen ausgelöst werden. Spannungs-Spitzenwerte etwa zwischen 40 und 200 V sind die Regel, und in einem Fall wurden sogar 1000 V von Welle gegen Erde gemessen.
Die bei der Kommutierung der Halbleiterventile auftretenden hohen dU/dt-Werte können über die Erd- und Wicklungska pazitäten auf den Wellenstrang, in Form steiler Spannungsimpulse, übertragen werden. Die Problematik dieser kommutierungsbedingten Wellenspannungsspitzen (voltage spikes) liegt in ihrem sehr charakteristischen Wirkungsspektrum: - sie sind ein sehr wirksamer Triggermechanismus für den Durchschlag der Ölfilme, - sie sind hinsichtlich funkenerosivem Materialabtrag sehr effizient, d.h., sie haben ein grosses Schädigungspotential, - sie beeinträchtigen das Kontaktverhalten der Erdungsbürsten in gravierender Weise.
Besonders gravierend wird der Kontakt der Erdungsbürsten bei Turbogruppen beeinträchtigt, bei denen die Spannungsspitzen drehzahlsynchron anfallen und bei denen schon an und für sich für die zwischen Generator und Turbine angeordneten Erdungsbürsten ungünstige Betriebsbedingungen vorliegen.
Diese ungünstigen Rahmenbedingungen sind vorgegeben und nicht in Richtung einer durchgreifenden Verbesserung modifizierbar. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei steilen, kurzen Spannungsimpulsen unter diesen Rahmenbedingungen eine befriedigende Wellenstrangerdung über längere Zeiten nicht realisierbar ist.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die üblichen, auf AS angeordneten, Erdungsbürsten von den hohen Spannungsspitzen zu entlasten und ganz generell diese Spitzen auf ein so niedriges Niveau abzusenken, dass sie, auch bei beeinträchtigter Funktion der AS-Erdungsbürsten, weder als Triggermechanismus für einen Durchschlag der Olfilme, noch als effiziente Funkenerosionsquelle am Wellenstrang wirksam werden können.
Die Analyse eines Wellenstrang-Netzwerkmodelles, in dem die diskreten und verteilten Kapazitäten und Induktivitäten nachgebildet wurden, zeigte, dass dies mit einer zusätzlichen kapazitiven Erdung auf der isolierten Nichtantriebsseite der Maschinen möglich ist. Eine kapazitive Erdung benötigt jedoch ebenfalls einen Gleitkontakt, um den kapazitiven Strom von der Welle abzugreifen. Das Kontaktproblem wird daher nur von AS nach NS verlagert. In konstruktiver Hinsicht hat man jedoch auf NS in der Regel in weit höherem Masse die Möglichkeit, optimale Rahmenbedingungen für den Gleitkontakt zu realisieren.
In den meisten Fällen kann an das freie, und nicht für die Übertragung des Maschinendrehmomentes ausgelegte, Wellenende ein Wellenstummel angeflanscht werden, der in folgenden Punkten für die Übertragung der Strom impulse günstig ausgelegt werden kann: - Wahl einer möglichst niedrigen Gleitgeschwindigkeit, - Wahl eines günstigen Werkstoffes für den rotierenden Kontaktpartner, - Wahl einer günstigen Bürstenqualität, die nicht von den hohen Umfangsgeschwindigkeiten diktiert wird, - günstigere Ausführung der Oberflächentopographie (Gewinderillen usw.), - Möglichkeit der Abschirmung des Gleitkontaktes gegen Öl- und Staubeinwirkung.
Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass bei günstiger Auslegung dieser Punkte die Wellenstromimpulse einwandfrei und betriebssicher abgeleitet werden können.
In Fig. 3 ist eine Turbogruppe mit einer Turbine 1 und einem Generator 2 dargestellt. Anstelle des Generators 2 ist jedoch auch eine andere elektrische Maschine, z.B. ein Schleifringläufer-Asynchronmotor, und anstelle der Turbine 1 eine beliebige angetriebene Arbeitsmaschine denkbar. Mit 3 sind die AS gelegenen und gegenüber Erde 5 (Masse) nicht isolierten Lager des Wellenstranges bezeichnet. 4 ist das auf NS gelegene und über eine Lagerisolation 6 gegen Erde 5 isolierte Lager. Auf AS wird der Wellenstrang über eine Erdungsbürste 7 ohmisch geerdet. Die Rotorwicklung 14 wird über Schleifringe 15 und Stromabnahmebürsten 13 aus dem statischen, d.h. mit Halbleiterventilen 17 (nur symbolisch dargestellt) ausgerüstetem Speisesystem 16, über Zuleitungen 12 angespeist.
Bei der Kommutierung der Halbleiterventile 17 entstehen im Speisesystem 16 steile dU/dt Flanken, die entweder durch kapazitive Koppelung, über Erdkapazitäten 20 des Speisesystems und verteilten Wicklungskapazitäten 18 der Rotorwicklung, die Wellenspannungsspitzen verursachen, oder aber rasche di/dt-Änderungen auslösen, die über induktive Koppelmechanismen ebenfalls zu diesen Wellenspannungen führen.
Erfindungsgemäss ist auf NS, bzw. jener Maschinenseite 11, auf der die Lager (Dichtringe usw.) über die Isolierstrecken 6 gegen Erde 5 isoliert sind, eine zusätzliche Erdung angeordnet, die aus einem Gleitkontakt, mit einem rotierenden Kontaktteil 29 und einem feststehenden Kontakt, z.B. Bürsten 8, einem geeignet dimensionierten Kondensator 9 und einer Schutzeinrichtung, z.B. Schmelzsicherung 10, besteht. Die Sicherung 10 hat die Aufgabe, bei einem Isolationsdefekt des Kondensators den Fluss von Strömen zu verhindern, die in diesem Fall von den Längsspannungen ausgelöst würden. Hier werden vorzugsweise träge Sicherungen für möglichst kleine Abschaltströme eingesetzt, die jedoch auf die sehr kurzzeitigen kapazitiven Ableitströme nicht ansprechen.
Für die Auslegung der Kapazität 9 gelten folgende Kriterien:
Einerseits soll der kapazitive Pfad eine möglichst niedrige Impedanz zur Ableitung der steilen Spannungsspitzen haben, andererseits soll der durch niederfrequente Wellenspannungskomponenten (Drehfrequenz und Oberwellen) verursachte Strom klein sein.
Für den Gleitkontakt im kapazitiven Ableitkreis müssen folgende Bedingungen gewährleistet sein: - eine kleine Gleitgeschwindigkeit, - eine für die Ableitung kurzer Stromimpulse günstig strukturierte Oberfläche des rotierenden Kontaktteiles, - eine Kombination günstiger Kontaktwerkstoffe für den rotierenden und feststehenden Kontaktteil.
Prinzipiell eignen sich Bürsten mit metallisierten Carbonfibern, die auf einem Wellenzapfen, dessen Durchmesser kleiner ist als der der Welle, am NS-Wellenende leiten (vgl.
Fig.6).
In den Fig. 4 und 5 sind zwei bevorzugte Ausführungsformen von Kontaktanordnungen veranschaulicht. Das nichtantriebsseitige Wellenende 11 weist eine zentrale axiale Gewindebohrung 1 la auf, in welche ein (mitrotierender) Kontaktteil 22 mit balliger Stirnfläche eingeschraubt ist. Er besteht z.B. aus einer Silber/Kupferlegierung, wie sie auch für Kommutatoren verwendet wird aus Monel, Hartsilber oder aus einem Metall, das mit einem Edelmetall, z.B. Gold, Hartgold, Rhodium, platiert ist. Als Gegenkontakt dient ein topfförmiger Kontaktkörper 23 aus Bürstenmaterial (Bürstenkohle), der in einem Bürstenhalter 24 befestigt ist. Das dem Kontaktkörper 23 abgewandte Ende des Bürstenhalters ist als axiale Gleitführung ausgebildet, welche in einem am Maschinengehäuse oder Fundament befestigten Halteorgan 25 gegen die Kraft einer Feder 26 axial verschieblich angeordnet ist.
Am Bürstenhalter 24 ist ein flexibles Kabel 27 angeschlossen, welches an den einen Anschluss des Kondensators 9 (Fig. 3) führt.
Die gesamte Kontaktvorrichtung erfüllt alle vorstehend genannten Anforderungen und lässt sich bei Verschleiss von Kontaktteil 22 und/oder Gegenkontakt 23 leicht auswechseln. Darüber hinaus bietet sich die Möglichkeit, die Kontaktvorrichtung gegenüber Umwelteinflüssen, wie Öldampfen oder Staub, durch ein Gehäuse 28 (in Fig. 4 lediglich durch strichlierte Linien angedeutet) abzukapseln und das Gehäuseinnere durch Zufuhr gefilterter Pressluft unter Überdruck zu versetzen.
Eine weitere Ausbildung einer Kontaktanordnung zeigt Fig. 5. Das NS-Wellenende 11 weist einen zylindrischen Zapfen 29 kleineren Durchmessers auf, der entweder einstückig mit diesen verbunden oder in eine entsprechende Axialbohrung im Wellenende eingesetzt ist. In die Mantelfläche des Zapfens ist entweder ein ein- oder mehrgängiges
Flächengewinde eingeschnitten (nicht dargestellt), oder es sind zwei gegenläufige, sich gegenseitig durchdringende Gewindegänge eingebracht (Kreuzrandrierung), wobei die Spitzen 30 leicht überschliffen sind (Fig. 5a), so dass sich als eigentliche Kontaktfläche eine Vielzahl voneinander beabstandeter Rauten 31 ergeben. Als feststehender Gegenkontakt ist eine konventionelle Bürste 8 vorgesehen, die in einem Bürstenhalter 33 geführt ist, welcher seinerseits am Maschinengehäuse oder Fundament befestigt ist.
Auch diese Kontaktanordnung erfüllt die oben aufgeführte Anforderungen hinsichtlich kleiner Gleitgeschwindigkeit, günstig strukturierter Oberfläche und Materialpaarung von rotierendem und feststehendem Kontaktteil und Auswechselbarkeit der Verschleissteile. Auch hier lässt sich die gesamte Kontakteinrichtung ohne grossen Aufwand gegen Umwelteinflüsse abkapseln. Auch lassen sich bei dieser Ausführungsform im Bedarfsfall mehrere Bürsten parallelschalten.
Die an einer gegebenen Maschine auftretenden Spannungsimpulse weisen eine eindeutig definierte Frequenz auf.
In der Regel ist jeder Impuls ein gedämpfter Ausschwingvorgang. Für eine effiziente Ableitung kann anstelle der reinen Kapazität ein auf diese Frequenz abgestimmter Saugkreis bestehend aus dem Kondensator 9 und einer Drossel 32 ausgeführt werden (Fig. 6).
Die ohmsche Erdung 7 auf AS stellt einen, wenn auch für kurze Stromimpulse wesentlich hochohmigeren Parallelpfad zur kapazitiven Erdung auf NS dar. Um die Spannungsimpulse kanalisiert über die kapazitive Erdung zu führen, kann in den ohmschen Erdpfad zwischen Erdungsbürste 7 und Masse 5 eine kleine Induktivität 21 eingefügt werden, was in Fig. 3 beispielsweise verdeutlicht ist.
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PATENT CLAIM E
1. An arrangement for deriving shaft voltages with voltage peaks and / or high-frequency voltage components from waves of dynamoelectric machines, characterized in that a current path comprising a contact device (8) with at least one sliding contact (22, 23; 29) and a capacitance (9) connected in series between the shaft (11) and the machine housing or earth (5).
2. Arrangement according to claim 1, characterized in that an inductance (32) is connected in series with the capacitance (9) in such a way that the suction circuit thus formed is tuned to a machine-specific frequency.
3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that a fuse element (10), preferably a slow fuse with a small response current, is switched on in the current path.
4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the contact device consists of one or more metallized carbon fiber brushes (8) which cooperate with a shaft journal (29) on the non-drive shaft end of the shaft (11).
5. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the contact device in the non-drive-side shaft end (11) arranged rotating contact part (22) and under the action of a spring (26) axially pressed against the rotating contact part stationary counter contact (23 ) having.
6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the rotating contact part (22) is provided on the contact surface with a noble metal plating or consists of a copper / silver alloy.
7. Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the contact surface of the rotating contact part (22; 29) is structured.
8. Arrangement according to claim 7, characterized in that the individual surfaces are formed by cutting a single or multi-start flat thread or by cross-edging.
9. Arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the entire contact device is designed as a unit which can be attached to the machine.
10. Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the contact device is shielded by an encapsulation (28) against environmental influences.
The invention relates to an arrangement for deriving shaft voltages according to the preamble of patent claim 1.
The shaft voltages that occur on electrical machines, in particular turbo groups, are a potential danger for numerous components of the shaft train. If uncontrolled circuits develop, the parts in these paths can be damaged by the effects of current and spark erosion. The damage consequences of the shaft voltages could be eliminated without any problems by means of two generally known measures: - Barriers were created by inserting insulating sections so that the longitudinal shaft voltages cannot drive any harmful currents over the endangered parts. As a rule, these insulation sections, especially in the case of turbo groups, are only carried out on the LV of the electrical machine (generator).
It would hardly be feasible to consistently isolate all potentially endangered parts of a steam turbine, or those of working machines driven by motors.
- The shaft transverse voltages are derived on the non-insulated shaft string side by earthing brushes.
A new situation arose with the advent and increasing spread of static excitation systems in generators and static cascade connections in slip ring motors. Very large dU / dt values occur when the semiconductor valves are commutated.
These lead to short, steep voltage peaks on the shaft strands via various coupling mechanisms.
Despite the measures listed above, damage has increased with the introduction of these new circuit technologies. The reasons for this are: - The short current pulses, which are triggered by the voltage peaks, seriously affect the contact of the grounding brushes. Their function comes to a standstill in a relatively short time.
- The steep voltage peaks lead to a breakdown of the lubrication and oil films even at low voltage levels.
- The storm impulses triggered by the voltage peaks are a very efficient spark erosion mechanism.
- The steep voltage peaks also lead to capacitive displacement currents on the components protected by insulating sections that are large enough to damage these parts by spark erosion.
Extensive investigations in plants and laboratory tests showed that short, steep current impulses can only be reliably derived with conventional grounding brushes under very specific framework conditions.
These basic conditions do not exist with the grounding brushes, which are usually arranged between the generator and the turbine, and also cannot be implemented because the configuration and the existing conditions are dictated by other requirements. These conditions, which are quite unfavorable for brushes, lead to a relatively rapidly progressive degradation of the sliding contact, to disturbances and to an increase in the shaft voltage when the current impulses are diverted.
The object of the invention is not to eliminate the grounding brushes that are still required for ohmic grounding, but to reduce the voltage peaks coupled in by the static excitation system to such an extent that they can neither become dangerous to the components of the shaft train, nor burden the conventional grounding brushes with current pulses that lead to a degradation of their contact behavior. This object is achieved by the features characterized in patent claim I.
The invention and its physical / technical background are explained in more detail below with reference to the drawing. The drawing shows:
1 is a schematic representation of a rotor of an electrical machine (a) with associated longitudinal voltage diagram (b),
2 shows a schematic representation of a rotor of an electrical machine (a) with associated transverse voltage diagram (b),
3 shows a schematic representation of a turbo group with an arrangement for deriving steep-edged voltage peaks and / or high-frequency shaft voltages,
4 shows a first embodiment of an axially effective contact device on the non-drive shaft end,
5 shows a further exemplary embodiment of a contact device on the non-drive-side shaft end with a structured running surface,
Fig.
6 shows a further development of the arrangement according to the invention with a coordinated suction circuit between shaft and earth.
Tensions can occur on the rotor bodies and shafts of electrical machines, even if they are not part of the active electrical circuits (winding).
These voltages are known as wave voltages. There are a number of effects and mechanisms that generate and cause these shaft voltages. Their appearance is correspondingly complex. Their spectrum ranges from direct voltages to alternating voltages with line and speed frequencies and their harmonics to short, steep voltage pulses, their level from a few mV to a few hundred, even 1000 V. These voltages can be classified into two groups: the longitudinal and Transverse stresses.
At the longitudinal stresses UL there is a voltage source in the shaft (Fig. 1). The voltage UL builds up along the shaft and can be measured between two separated shaft points A-B. These longitudinal voltages generally have a low source impedance ZL and are generally not defined in relation to earth potential Uo - they float. If the outer circuit closes via low-impedance resistors, then the wave currents triggered by the longitudinal voltages can reach very high values.
In the case of the transverse voltages (FIG. 2), the voltage source lies between the shaft and earth, these sources mostly having a high source impedance ZQ and a relatively high voltage level UQ with respect to earth potential Vo. From Fig. 2 it can be seen that here the voltage is not between two points A-B of the shaft, but between shaft and earth or between shaft and mass, i.e. of the outer, stationary machine structure.
Shaft voltages always represent a considerable potential hazard for the machine or the shaft train on which they occur. The probability that a closed circuit is formed is always given.
Preferred places for the current transfer are bearings, sealing and wiper rings, gear wheels and other components in contact with the shaft. This shows that oil and grease films only have a very limited insulating effect. Voltages around and below 10 V are already sufficient to bypass them (tunnel effect) or bridge them and trigger a current. Shaft currents that close via bearings, gear wheels or other shaft train components practically always lead to increased wear and serious damage to these parts. If it is a matter of large motors, generators or turbo groups that are affected by such wave current effects, this can result in serious business interruptions and high damage costs.
In the case of large units, the probability of damage is also greater than in the case of small units, since the level of the wave voltages and the currents triggered by them increase with the unit size.
Suitable countermeasures are essential so that the shaft voltages do not cause any damage. One possibility would be to intervene at the point of origin of these tensions, namely in the generation mechanisms. Practice shows, however, that with such a large number of different mechanisms of origin, it is difficult to do so, that some of these mechanisms cannot be influenced at all or that the effort would be very great for others. In current practice, attempts are therefore made not to prevent the primary causes, but rather to prevent the occurrence of wave currents at the potentially endangered parts and components by means of targeted insulation measures or to derive the wave currents via predefined paths.
It is customary to insulate bearings, bearing segments, bearing blocks, sealing oil rings on H2-cooled turbogenerators, gear wheels and pinions for driving oil pumps, auxiliary devices on turbo groups, etc. by inserting insulating sections so that current cannot flow through them.
In the case of large engines, generators and turbo groups, the bearings and other components are usually only insulated on the non-drive side (NS). Isolation of all potentially endangered components on the drive machines (turbines), or work machines in motors that are on the drive side (AS) of the present electrical machine, would in many cases be associated with a very high outlay, only with difficulty or not at all. feasible, or the manufacturer of the electrical machine has no influence whatsoever on the execution of the work machine executed by another manufacturer.
With the isolation of all endangered parts on the non-drive side, e.g. of a turbogenerator of a turbo group, the occurrence of longitudinal shaft currents is prevented since, as shown in FIG. 1, at least two current transition points shaft-mass are required to achieve them. However, isolating the endangered component on one machine side (LV) is not a preventive measure for any waves. Earth currents that can be triggered on the drive side by the transverse shaft voltages Uo. To counteract this, one or more grounding brushes are arranged on the drive-side shaft sections, which rub on the shaft and are connected to earth (earth).
The current IQ (earth current waves) triggered by the transverse voltages flows on a predetermined path towards earth, on which it cannot cause any damage. The size of the current is limited by the generally high source impedance ZQ. It does not reach the order of magnitude that the longitudinal wave currents can assume if they find a correspondingly low-impedance current path.
If you assume that the brush sliding contact works properly, the potential of the shaft line is only 0.5-1.5 V above earth or ground potential. Many years of experience have shown that such voltage levels pose no danger to the shaft train and its components. With this approach, you drove well until about the 1970s and got through without any major problems. From around this point on, damage and failures to machines began to increase, which were clearly attributable to wave currents.
It was shown that these occurred on the one hand on turbo groups in which the generator was excited via static excitation systems and no longer on rotating excitation dynamos, and on the other hand on large, variable-speed slip ring rotor asynchronous motors whose slip-frequency rotor current was also processed in static inverter cascades. In these machines, there are regularly very steep and high voltage pulses in the shaft voltage, which are triggered by the commutation of the semiconductor valves (thyristors, diodes) in the existing bridge circuits. Peak voltage values between about 40 and 200 V are the rule, and in one case even 1000 V was measured from wave to earth.
The high dU / dt values that occur during commutation of the semiconductor valves can be transmitted to the shaft string in the form of steep voltage pulses via the earth and winding capacities. The problem with these commutation-related wave spikes lies in their very characteristic spectrum of action: - they are a very effective trigger mechanism for the breakdown of the oil films, - they are very efficient with regard to spark-erosive material removal, i.e., they have a great potential for damage, - they impair this Contact behavior of the earth brushes in a serious way.
The contact of the grounding brushes is particularly severely impaired in turbo groups in which the voltage peaks occur in synchronism with the speed and in which operating conditions are inherently unfavorable for the grounding brushes arranged between the generator and the turbine.
These unfavorable framework conditions are predetermined and cannot be modified in the direction of a radical improvement. Studies have shown that with short, steep voltage pulses under these general conditions, it is not possible to achieve a satisfactory wave-strand grounding over long periods.
The invention is based on the idea of relieving the usual grounding brushes arranged on AS from the high voltage peaks and generally lowering these peaks to such a low level that they do not act as a trigger mechanism for one, even if the AS grounding brushes function impaired Penetration of the oil films, can still act as an efficient spark erosion source on the shaft line.
Analysis of a shaft train network model, in which the discrete and distributed capacities and inductors were simulated, showed that this is possible with additional capacitive grounding on the isolated non-drive side of the machines. Capacitive grounding also requires a sliding contact to tap the capacitive current from the shaft. The contact problem is therefore only shifted from AS to NS. In terms of design, however, NS generally has a much greater possibility of realizing optimal framework conditions for sliding contact.
In most cases, a shaft stub can be flanged to the free shaft end, which is not designed for the transmission of the machine torque, which can be favorably designed for the transmission of the current impulses in the following points: - selection of the lowest possible sliding speed, - selection of a favorable one Material for the rotating contact partner, - Choosing an inexpensive brush quality that is not dictated by the high peripheral speeds, - More favorable design of the surface topography (thread grooves, etc.), - Possibility of shielding the sliding contact against the effects of oil and dust.
Extensive investigations have shown that with a favorable design of these points, the wave current impulses can be derived properly and reliably.
3 shows a turbo group with a turbine 1 and a generator 2. Instead of the generator 2, however, another electrical machine, e.g. a slip ring asynchronous motor, and any driven machine is conceivable instead of the turbine 1. With 3 the AS located and not isolated from earth 5 (ground) bearings of the shaft train are designated. 4 is the bearing located on NS and isolated from earth 5 via a bearing insulation 6. On AS, the shaft train is grounded ohmically via a grounding brush 7. The rotor winding 14 is removed from the static, i.e. feed system 16 equipped with semiconductor valves 17 (only shown symbolically), fed via feed lines 12.
During commutation of the semiconductor valves 17, steep dU / dt flanks are created in the feed system 16, which either cause capacitive coupling, via earth capacitances 20 of the feed system and distributed winding capacitances 18 of the rotor winding, which cause wave voltage peaks, or else trigger rapid di / dt changes which over inductive coupling mechanisms also lead to these shaft voltages.
According to the invention, an additional grounding, which consists of a sliding contact, with a rotating contact part 29 and a fixed contact, is arranged on the NS, or on that machine side 11, on which the bearings (sealing rings, etc.) are insulated from the ground 5 via the insulating sections 6, e.g. Brushes 8, a suitably dimensioned capacitor 9 and a protective device, e.g. Fuse 10. The fuse 10 has the task of preventing the flow of currents in the event of an insulation defect in the capacitor, which currents in this case would be triggered by the longitudinal voltages. Here, slow-acting fuses are preferably used for the smallest possible shutdown currents, which, however, do not respond to the very short-term capacitive leakage currents.
The following criteria apply to the design of capacity 9:
On the one hand, the capacitive path should have the lowest possible impedance for the derivation of the steep voltage peaks, on the other hand, the current caused by low-frequency wave voltage components (rotational frequency and harmonics) should be small.
The following conditions must be guaranteed for the sliding contact in the capacitive leakage circuit: - a low sliding speed, - a surface of the rotating contact part that is structured in a favorable manner for the discharge of short current pulses, - a combination of favorable contact materials for the rotating and stationary contact part.
In principle, brushes with metallized carbon fibers are suitable, which conduct on a shaft journal whose diameter is smaller than that of the shaft at the NS shaft end (cf.
Fig. 6).
4 and 5 two preferred embodiments of contact arrangements are illustrated. The non-drive-side shaft end 11 has a central axial threaded hole 1 la, into which a (co-rotating) contact part 22 with a spherical end face is screwed. It consists e.g. from a silver / copper alloy, as is also used for commutators, from Monel, hard silver or from a metal which is coated with a noble metal, e.g. Gold, hard gold, rhodium, is plated. A pot-shaped contact body 23 made of brush material (brush carbon), which is fastened in a brush holder 24, serves as counter contact. The end of the brush holder facing away from the contact body 23 is designed as an axial sliding guide which is arranged axially displaceably against the force of a spring 26 in a holding member 25 fastened to the machine housing or foundation.
A flexible cable 27 is connected to the brush holder 24 and leads to one connection of the capacitor 9 (FIG. 3).
The entire contact device fulfills all the above-mentioned requirements and can be easily replaced when the contact part 22 and / or counter-contact 23 is worn. In addition, there is the possibility of encapsulating the contact device against environmental influences, such as oil vapors or dust, by means of a housing 28 (only indicated by dashed lines in FIG. 4) and of placing the compressed air under pressure under pressure.
A further embodiment of a contact arrangement is shown in FIG. 5. The NS shaft end 11 has a cylindrical pin 29 of smaller diameter, which is either connected to it in one piece or inserted into a corresponding axial bore in the shaft end. There is either a single or multi-course in the lateral surface of the pin
Flat thread incised (not shown), or two opposing, mutually penetrating threads are introduced (cross-edging), the tips 30 being slightly ground (FIG. 5a), so that a plurality of spaced-apart diamonds 31 result as the actual contact surface. A conventional brush 8 is provided as a fixed counter contact, which is guided in a brush holder 33, which in turn is attached to the machine housing or foundation.
This contact arrangement also fulfills the above-mentioned requirements with regard to low sliding speed, favorably structured surface and material pairing of the rotating and fixed contact part and interchangeability of the wearing parts. Here, too, the entire contact device can be encapsulated against environmental influences with little effort. In this embodiment, several brushes can also be connected in parallel if necessary.
The voltage pulses occurring on a given machine have a clearly defined frequency.
As a rule, each impulse is a dampened decay process. For efficient derivation, instead of the pure capacitance, a suction circuit consisting of the capacitor 9 and a choke 32 can be designed for this frequency (FIG. 6).
The ohmic grounding 7 on AS represents a parallel path to the capacitive grounding on NS, albeit a much higher impedance for short current pulses. In order to channel the voltage pulses through the capacitive grounding, a small inductance 21 can be placed in the ohmic ground path between grounding brush 7 and ground 5 can be inserted, which is illustrated in FIG. 3, for example.