Xem thêm:
Dòng điện trục là dòng điện sản sinh trong các máy điện do sự dẫn điện và cảm ứng của trục máy.
Trong
các thiết bị điện quay cỡ nhỏ như máy phát điện hay động cơ điện, người
ta không quan tâm đến sự dẫn điện của một thanh dẫn rất lớn nằm trong
từ trường quay của máy, thanh dẫn đó chính là trục máy. Tuy nhiên trong
các máy điện lớn, vấn đề dẫn điện và cảm ứng của trục máy lại trở nên
đáng quan tâm.
Nguyên nhân phát sinh Dòng điện trục
Một thanh dẫn đặt
trong một từ trường xoay chiều sẽ sinh ra một sức điện động cảm ứng.
Sức điện động cảm ứng đó nếu được kín mạch sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng.
Trong
một máy điện quay, các thanh dẫn lắp gần bề mặt Rô to là nơi gần với
khe hở không khí nhất, vì thế là nơi có từ trường mạnh nhất. Sức điện
động cảm ứng nếu sinh ra sẽ lớn nhất, và dòng điện cũng lớn nhất. Đối
với các máy điện đồng bộ, thì do Rotor quay đồng bộ với từ trường quay
nên sức điện động đó không đáng kể, nhưng với máy điện không đồng bộ thì
lại khác. Chính sức điện động cảm ứng và dòng cảm ứng đó sẽ gây ra
moment quay, làm quay Rotor.
Càng vào tâm ro to, từ
trường càng yếu dần đi. Và vào đến tâm hình học cỏ Rotor, theo lý thuyết
thì từ trường bằng 0, do tính đối xứng của từ trường nhiều thành phần
xung quanh Rotor.
Chính vì vậy, ở tâm rotor có một
thanh dẫn rất lớn, có khả năng cảm ứng điện từ, có khả năng dẫn điện,
lại nằm trong lòng một từ trường quay cực mạnh, nhưng không có dòng điện
cảm ứng. Đó chính là trục máy. Tuy nhiên, trong thực tế có một số điều
kiện khác biệt.
- Từ trường quay của máy do từ trường 3 pha của 3 cuộn dây gây ra. Dòng này có được do điện áp 3 pha trên đầu cực (nếu là động cơ) hay do tải nối vào đầu cực (nếu là máy phát). Dòng điện 3 pha đó có thể không đối xứng với nhau. Vì thế, từ trường quay ở tâm rô to có thể khác 0, do chúng không được bù trừ tuyệt đối.
- Ngay cả khi các dòng điện này hoàn toàn đối xứng, như do chất liệu lõi thép, hình dạng của lõi thép, sai số do gia ông lắp ghép... từ trường cũng có thể bị sai lệch đi.
- Những sai số khi lắp đặt rotor vào lòng máy, như sai số về khe hở không khí, sai số về độ thẳng hàng giữ trục Rotor và trục từ trường... nên trục Rotor có thể nằm lệch ra khỏi vị trí lý tưởng của nó là trục 0 của từ trường quay.
Vì các lý do trên, nên 2 đầu của trục máy điện vận có thể có sức điện động cảm ứng.
Hai
đầu của trục, đương nhiên phải được lắp vào các ổ đỡ, có thể là ổ trượt
hay ổ lăn. Các ổ này bằng kim loại, nên có thể dẫn điện được. Mặt ngoài
các ổ này lại được nối vào sườn máy, hay vỏ máy, cũng bằng kim loại,
cũng dẫn điện được. Như vậy sức điện động cảm ứng của trục đã được nối
ngắn mạch, và sẽ có dòng điện đi qua.
Dòng điện này gọi là dòng điện trục (shaft current).
Tác hại của dòng điện trục
Đối
với các máy điện quay ở tốc độ thấp (từ 1000 vòng/phút trở xuống), tác
hại của dòng điện trục không đáng kể. Nhưng với những máy có tốc độ cao
hơn, hoặc những máy có công suất rất lớn, thì vấn đề cần phải được đặt
ra.
Máy công suất lớn, tốc
độ cao thường có điện áp cảm ứng trên 2 đầu trục khá lớn. Có thể lên
đến vài volt. Với điện áp đó, và điện trở của trục, của hệ thống vỏ máy
bên ngoài, dòng điện có thể lên đến vài amp.
Đối
với các máy điện tốc độ cao, công suất lớn, thường người ta không dùng ổ
lăn, mà dùng ổ trượt. Ổ trượt thường được lót một lớp kim loại rất mềm,
gọi là ba bit. Lớp kim loại này được gia công khá chính xác, và đạt một
độ bóng khá cao, ôm vòng cổ trục.
Trong
hệ thống ổ trượt sẽ có một cơ cấu để đưa dầu bôi trơn vào khe hở giữa
lớp babit và cổ trục. Khi trục quay, với tốc độ tương đối giữa 2 bề mặt
tiếp xúc, sẽ kéo một lớp rất mỏng dầu để nâng trục lên một ít (vài
micron). Điều này làm cho trục được quay trơn tru, giảm ma sát.
Như
thế, giữa trục và ổ trượt là một lớp màng cách điện, vì dầu là chất
không dẫn điện. Lớp dầu này có phần nào ngăn ngừa sự phát sinh dòng điện
trục.
Tuy nhiên, bề mặt
của cổ trục và lớp babit có thể không được nhẵn bóng tuyệt đối. Một số
lớp gồ ghề li ti sẽ cao bằng hoặc hơn chiều dầy của lớp dầu bôi trơn, và
gây ra ma sát. Nếu có một mẩu li ti nào đó bị kéo văng ra khỏi bề mặt
babit, thì với lực ma sát, nó sẽ nóng chảy ra, và lại được "hàn ép " trở
lại bề mặt lớp babit. Nhờ vậy, mà một lớp kim loại rất mềm có thể ma
sát với cổ trục rất cứng, mà không có hiện tượng mòn.
Nhưng nếu có điện áp trục, những chỗ tiếp xúc đó sẽ là những điểm tạo ra khả năng dẫn điện. Vì thế sẽ có dòng điện đi qua.
Dòng
điện này tuy nhỏ, nhưng vì đi qua diện tích tiếp xúc khá nhỏ, nên tạo
ra phát nhiệt cục bộ tại những điểm tiếp xúc đó. Những lớp li ti chất
babit sẽ bị oxi hóa, và không kết hợp trở lại với bề mặt đó được. Kết
quả là tại vị trí tiếp xúc, nó sẽ mòn dần. Quá trình mòn sẽ gây tiếp xúc
xấu, tăng ma sát, nên sẽ sinh nhiệt lớn, và cuối cùng là phá hủy toàn
bộ ổ lăn. Lớp babit sẽ bị nóng chảy hẳn ra, và không tự định hình lại
được.
Biện pháp ngăn ngừa dòng điện trục
Một số động cơ công
suất lớn (Vài trăm HP trở lên) tốc độ cao, sử dụng ổ trục trượt, hoặc
các máy phát điện, luôn có các biện pháp ngăn ngừa dòng điện trục.
Cách đơn giản nhất để ngăn ngừa dòng điện trục là làm hở mạch sức điện động cảm ứng của trục.
Để làm hở mạch sức điện động của trục, có 2 cách phổ biến để làm hở mạch dòng điện trục:
Đối với các máy điện có ổ trục trên nắp máy
Bộ
ổ trượt được đúc làm 3 lớp: 2 lớp kim loại và 1 lớp cách điện ở giữa.
Ngoài ra, bệ đỡ cho ổ trượt cũng có một lớp cách điện. Như vậy từ vỏ máy
vào đến bên trong trục sẽ là:
1. Kim loại (vỏ máy),
2. Kim loại (Vỏ ổ trục),
3. Cách điện (Vỏ ổ trục)
4. Kim loại (vỏ ổ trục),
5. Kim loại (ổ trục),
6. Cách điện (ổ trục)
7. Kim loại (ổ trục), và
8. Kim loại (trục).
Như
vậy, giữa vỏ máy và trục máy có 3 lớp dẫn điện xen kẽ với 2 lớp cách
điện. Nghĩa là có 1 lớp kim loại luôn cách ly với đất, người ta có thể
đo điện trở cách điện của ổ trục khi trục đang ngừng.
Hai
lớp kim loại của ổ trục, thường được nối ra 2 sợi dây, và đưa ra một vị
trí trên nắp máy phát, để người ta có thể đo điện áp của từng điểm so
với đất.
Các lớp cách điện này thường phải chịu một lực
ép hướng tâm rất lớn. thí dụ như với một máy phát trung bình, khoảng
vài chục Mega watt, rotor của nó có thể lên đến 25 tấn. Thêm vào đó, do
có moment do lực ma sát giữa trục và ổ trục, nó còn phải chịu thêm một
lực chu vi. Vì thế vật liệu để làm lớp cách điện này phải là vật liệu
đặc biệt.
Đối với các máy điện có ổ trục rời, bên ngoài nắp máy điện
Toàn
bộ hệ thống ổ trục, gồm giá đỡ, vỏ ổ trục, và ổ trục sẽ không đặt trực
tiếp lên sàn, mà đặt trêm một tấm đế cách điện. Tấm này có kích thước
lớn, nên chịu lực ép (áp suất nén) thấp hơn, và không có lực kéo ngang.
Các bộ phận kim loại khác trong hệ thống ổ trục sẽ chế tạo như bình
thường.
Những điều cần lưu ý trên các ổ trục cách điện
Bên
cạnh ổ trục, cũng có nhiều thiết bị khác cũng có khả năng làm ngắn mạch
giữa trục máy với vỏ. Mặc dù ổ trục đó đã cách điện, nhưng dòng qua các
thiết bị khác có thể làm hỏng ổ trục ở đầu còn lại. Các thiết bị đó là:
1.
Hệ thống chèn trục trong các máy có ổ trục lắp trên nắp máy: Các chèn
tiếp xúc trực tiếp với vỏ máy và với trục, cũng phải làm có lớp cách
điện.
2. Các thiết bị đo lường có cắm sâu trong ổ trục:
thiết bị đo nhiệt độ dùng Thermocouple, thiết bị đo độ rung tỳ trực
tiếp lên trục... Các thiết bị này có thể ngắn mạch giữa vỏ máy và trục.
Khi lắp đặt phải quan tâm đến các vật liệu cách điện kèm theo.
3.
Các dây nối từ các bộ cảm biến ra, có bọc giáp nhưng không được nối ra
sườn kim loại của cảm biến, cũng như không nối ra vỏ máy. Thường thì các
dây đó đã được bọc cách điện bên ngoài lớp giáp.
4. Các đường ống đưa dầu bôi trơn vào ổ trục, và dẫn dầu xả đi:
·
Đối với các ống được nối bằng các mặt ráp: Phải có các miếng đệm cách
điện giữa các mặt ráp. Các Bu lông phải xỏ vào ống cách điện trước khi
xỏ vào lỗ của 2 mặt ráp. Các khoen đệm (lông đền) ở 2 bên phải là chất
cách điện.
· Những ống nhỏ, không dùng mặt ráp thì có thể dùng ống cao su nối giữa 2 đoạn ống thép.
Khi
các thành phần trên không còn khả năng cách điện, trục máy có thể lại
bị nối xuống đất, và gây ra dòng điện trục. Dòng điện này sẽ gây tổn hại
cho ổ trục đầu còn lại của máy điện.
Nối đất trục
Đối với đầu tự do của động cơ, máy phát
chúng ta đã thiết lập cách điện giữa trục với vỏ máy. Như vậy mạch dòng
điện trục sẽ bị hở. Về nguyên lý thì sẽ không có dòng điện trục. Trên
thực tế, vẫn có thể có.
Trong hệ thống máy phát điện luôn có mạch điện DC trên rotor.
Mạch
điện này thường không được nối đất trực tiếp. Do đó khi có chạm đất sẽ
vẫn có khả năng tiếp tục vận hành một thời gian. Tuy nhiên, nếu có thêm
một điểm chạm đất thứ 2 sẽ khá nguy hiểm. Vì thế, luôn phải kiểm tra
chất lượng của lớp cách điện của các cuộn dây Rotor.
Các
rơ le kiểm tra cách điện của rotor thường được gọi là Rơ le chạm đất
kích từ (field ground relay, 64FG). Các rơ le này có thể có các kiểu
sau:
1. Dùng luôn điện áp kích thích để phát hiện chạm đất. Mạch bên ngoài được nối đất qua một bộ điện trở và một bộ phát hiện dòng.
2. Dùng một nguồn điện DC ngoài nối giữa đất và 1 trong 2 cực, cũng qua một bộ phát hiện dòng.
3. Dùng một nguồn điện xoay chiều tần số rất thấp, cũng nối như trên.
Dù
rơ le bảo vệ chạm đất kích thích nối như thế nào thì vẫn có khả năng
dòng điện của hệ thống bảo vệ chạm đất sẽ đi qua trục, và ra đất qua gối
trục phía không cách điện.
Vì thế, Trên trục, phía có ổ
trục không cách điện người ta thường gia công một vị trí nhẵn bóng.
Trên đó, đặt một giá than, và cho 1 chổi than tiếp xúc vào vị trí đó.
Dây ra của chổi than sẽ được nối xuống đất. Như vậy khi có dòng điện
trục, thì dòng ấy sẽ đi qua chổi than, mà không đi qua ổ trục.
Kiểm tra dòng điện trục
Để ngăn ngừa tác hại đã nêu,
người ta phải thường xuyên theo dõi sự xuất hiện của dòng điện trục.
Thông thường sẽ có các biện pháp kiểm tra định kỳ. Các hạng mục kiểm tra
như sau:
Đo các điện áp trên đầu dây ra của ổ trục
cách điện so với đất khi máy vận hành. Khi phát hiện điện áp xuống 0 thì
phải tìm chỗ ngắn mạch và xử lý. Thông thường, các điện áp này khoảng
từ 1 Volt đến 3 Volt, và thay đổi không theo quy luật nhất định.
Đo dòng điện đi qua chổi than nối đất trục. Trị số này phải gần bằng 0.
Quốc Thái - Wikipedia
Nhận xét
Đăng nhận xét
Các bạn có câu hỏi gì, cứ mạnh dạn trao đổi nhé, baoduongcokhi sẵn sàng giải đáp trong khả năng của mình.