DE19737578A1 - Elektrische Erdungsvorrichtung und Verfahren zur Erdung des Rotors eines Turbogenerators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Erdungsvorrichtung zur Erdung eines drehbaren elektrischen Leiters sowie ein Verfahren zur Erdung des Rotors eines Turbogenerators.

In der EP 0 271 678 A1 ist beschrieben, daß insbesondere in dem Rotor eines Turbogenerators auftretende Wellenspannungen eine potentielle Gefahr für zahlreiche Komponenten des Gene­ rators darstellen. Die Bildung unkontrollierter Stromkreise kann zur Schädigung von in diesen Stromkreis eingeschlossenen Bauteilen durch Stromeinwirkung und Funkenerosion führen. Dem wird dadurch entgegengewirkt, daß einerseits Isolierstrecken eingeführt werden und andererseits der Rotor geerdet wird. Bei Generatoren mit einem statischen Erregungssystem kommt es durch Spannungsspitzen in diesem Erregungssystem zu einer ka­ pazitiven Einkopplung von Wellenströmen und Spannungen. Es wird darauf abgezielt, solche kapazitiv eingekoppelten Wel­ lenspannungen und Ströme auf einen ungefährlichen Wert zu re­ duzieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Erdungsvorrichtung zur Er­ dung eines drehbaren elektrischen Leiters anzugeben. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Er­ dung des Rotors eines Turbogenerators.

Erfindungsgemäß wird die auf die Angabe einer Erdungsvorrich­ tung gerichtete Aufgabe gelöst durch eine elektrische Er­ dungsvorrichtung zur Erdung eines ersten, drehbaren elektri­ schen Leiters, an dem über einen Schleifkontakt ein zweiter, geerdeter elektrischer Leiter anliegt, wobei eine Stromquelle sowohl mit dem ersten elektrischen Leiter als auch mit dem zweiten elektrischen Leiter so verbunden ist, daß über die Stromquelle ein elektrischer Strom durch den Schleifkontakt speisbar ist. Die Verbindung zwischen dem zweiten elektri­ schen Leiter und der Stromquelle muß nicht notwendigerweise ein Kabel oder ein separater elektrischer Leiter sein, sie kann auch durch eine gemeinsame Erdung des zweiten elektri­ schen Leiters und der Stromquelle gegeben sein.

Durch eine solche Erdungsvorrichtung wird erreicht, daß ein kontinuierlicher Strom durch den Schleifkontakt aufrechter­ halten werden kann. Ein solcher kontinuierlicher Strom ver­ bessert erheblich eine dauerhafte und sichere Kontaktierung zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter. Dies hat wiederum eine verbesserte und dauerhaft absicherbare Er­ dung des ersten elektrischen Leiters zur Folge.

Bevorzugt stellt die Stromquelle einen Gleichstrom bereit.

Bevorzugtermaßen ist der erste elektrische Leiter mit einer konstanten Drehfrequenz drehbar, wobei die Stromquelle einen Wechselstrom mit einer von der Drehfrequenz verschiedenen Frequenz bereitstellt, insbesondere mit einer Frequenz, die nicht ein Vielfaches der Drehfrequenz ist. Mit der Bereit­ stellung einer solchen Erdungsvorrichtung ist gewährleistet, daß der über den Schleifkontakt fließende Strom in keinem ganzzahligen Verhältnis zur Drehfrequenz steht. Dies führt vorteilhafterweise insbesondere dazu, daß es nicht zu einem periodischen Abheben des zweiten elektrischen Leiters vom er­ sten elektrischen Leiter durch Unregelmäßigkeiten auf den Um­ fang des ersten elektrischen Leiters kommt. Ein solches Abhe­ ben könnte dann Auftreten, wenn durch den Strom, welcher durch den Schleifkontakt fließt, hervorgerufene Kräfte in ei­ ner geeigneten, festen Phasenbeziehung zu solchen Unregelmä­ ßigkeiten stehen würden. Eine solche feste Phasenbeziehung tritt dadurch nicht auf, daß die Frequenz und die Drehfre­ quenz in keinem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen. Durch die Vermeidung eines solchen Abhebens wird insbesondere einer Beschädigung der Oberfläche des ersten elektrischen Leiters z. B. durch Funkenerosion entgegengewirkt.

Weiter bevorzugt ist der erste elektrische Leiter ein Rotor eines Generators, insbesondere eines Turbogenerators mit ei­ ner Leistung größer als 10 MVA. Gerade in einem Turbogenera­ tor großer Leistung ist die Erdung des Rotors des Generators, bzw. bei einem in einem Turbosatz angeordneten, also mit ei­ ner Turbine verbundenen Generator die Erdung der Welle des Turbosatzes, eine wichtige Eigenschaft, um möglichen Schäden durch auftretende Wellenspannungen und Ströme entgegenzuwir­ ken. Z. B. müssen elektrostatische Aufladungen oder kapazitiv eingekoppelte elektrische Ströme und Spannungen sicher über eine ausreichende Erdung abfließen können. Ein unkontrollier­ tes Abfließen solcher Wellenströme kann zu Schäden z. B. an Lagern oder Pumpen führen. Die hohen Drehzahlen des Rotors und hohe auftretende Wellenströme bzw. Wellenspannungen stel­ len einen hohen Anspruch an eine gute Erdung dar. Die Einfüh­ rung einer Kontaktierungsverbesserung des Schleifkontaktes durch einen konstant über die Erdungskontakte fließenden elektrischen Strom ergibt somit eine erhebliche Verbesserung der Betriebssicherheit des Turbogenerators.

Weiter bevorzugt weist der zweite elektrische Leiter eine Kohlebürste auf, wobei der von der Stromquelle lieferbare Strom zu einer Stromdichte zwischen 5 A/cm² und 12 A/cm² an der Kohlebürste führt. Kohlebürsten bieten geeignete Schleif­ kontakte für die Erdung des ersten elektrischen Leiters. In­ dem ein konstanter elektrischer Strom geeigneter Stärke durch die Kohlebürsten geführt wird, steigt deren Temperatur. Dies hat wiederum einen verringerten Übergangswiderstand für den Schleifkontakt und damit eine verbesserte Erdung zur Folge.

Bevorzugtermaßen liegen am ersten elektrischen Leiter minde­ stens zwei der zweiten elektrischen Leiter an, die jeweils mit einer Stromquelle verbunden sind. Dabei können die minde­ stens zwei zweiten elektrischen Leiter jeweils mit einer ei­ genen Stromquelle oder an einer gemeinsamen Stromquelle ange­ schlossen sein. Mit dieser Ausführungsform wird erreicht, daß der Erdungskontakt für den ersten elektrischen Leiter gleich­ mäßig über den Umfang des ersten elektrischen Leiters auf mehrere Schleifkontakte verteilt wird. Dies hat wiederum ei­ nen verbesserten Erdungskontakt zur Folge. Zudem bietet eine Ausführungsform mit mehr als einem solchen Stromkreis eine erhöhte Betriebssicherheit.

Die auf Angabe eines Verfahrens gerichtete Aufgabe wird er­ findungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Erdung des Ro­ tors eines Turbogenerators, insbesondere eines Turbogenera­ tors mit einer Leistung größer als 10 MVA, wobei sich der Ro­ tor mit einer konstanten Drehfrequenz dreht und wobei am Ro­ tor ein geerdeter, elektrischer Leiter an einem Schleifkon­ takt schleift, während von einer Stromquelle ein elektrischer Strom über den Schleifkontakt fließt.

Die Vorteile eines solchen Verfahrens ergeben sich entspre­ chend den obigen Ausführungen zu den Vorteilen der Erdungs­ vorrichtung.

Bevorzugtermaßen liefert die Stromquelle einen Gleichstrom.

Bevorzugt liefert die Stromquelle einen Wechselstrom mit ei­ ner von der Drehfrequenz verschiedenen Frequenz, insbesondere mit einer Frequenz die kein Vielfaches der Drehfrequenz ist.

Weiter bevorzugt wird die Größe des von der Stromquelle ge­ speisten Stromes gemessen, um die Güte des Schleifkontaktes und damit die Güte der Erdung zu überwachen. Ein solches Ver­ fahren bietet den Vorteil, mit Hilfe des den Schleifkontakt verbessernden, konstant fließenden elektrischen Stromes die Güte der Erdung in einfacher Weise zu überwachen. Sollte die Güte des Schleifkontaktes, z. B. durch eine Abnutzung einer Kohlebürste, mit der Zeit schlechter werden, so erhöht sich der Übergangswiderstand für den durch den Schleifkontakt fließenden elektrischen Strom. Indem die Amplitude des elek­ trischen Stromes überwacht wird, kann auf einen solchen er­ höhten Übergangswiderstand und damit auf einen verschlechter­ ten Schleifkontakt geschlossen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeich­ nung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Turbogenerator und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Erdungsvorrichtung.

Gleiche Bezugszeichen haben in den beiden Figuren die gleiche Bedeutung.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Turbogenerator 4. Dieser ist auf einer Turbinenseite TS mit einer Turbine 6 und auf einer Erregerseite ES mit einer statischen Erregereinrichtung 5 verbunden. Der Turbogenerator 4 weist einen Stator 4A mit ei­ ner elektrischen Statorwicklung 4B auf. Im Stator 4A ist ein Rotor 2 angeordnet. Der Rotor 2 trägt eine elektrische Wick­ lung 2A. Der Rotor 2 ist auf der Turbinenseite TS über eine Kupplung 23 mit einer Turbinenwelle 6A der Turbine 6 verbun­ den. Auf der Erregerseite ES sind auf dem Rotor 2 Schleif­ ringe 5B angeordnet, die mit der elektrischen Wicklung 2A verbunden sind. An den Schleifringen 5B ist jeweils eine Koh­ lebürste 22 angeordnet, von welcher jeweils eine elektrische Leitung 22A zur Erregereinrichtung 5 führt. Der Rotor 2 ist auf der Erregerseite ES in einem Lager 9ES gelagert, welches durch eine Isolierstrecke 8 gegen den Boden isoliert ist. Die Turbinenwelle 6A ist auf ihrer dem Generator zugewandten Seite in einem Lager 9TS und auf der anderen Seite der Tur­ bine 6 in einem Lager 9T gelagert. Der Rotor 2 ist durch eine Erdungsvorrichtung 1 geerdet, wobei eine Kohlebürste 21 an dem Rotor 2 schleift. Von der Kohlebürste 21 führt eine Lei­ tung 21A zum Turbinenfundament 15.

Die Turbine 6 versetzt den Rotor 2 in eine Rotation mit einer Drehfrequenz DF. In der elektrischen Wicklung 2A wird über die Erregereinrichtung 5 ein elektrischer Strom geführt. Die­ ser elektrische Strom ruft ein Magnetfeld hervor, welches durch die Rotationsbewegung des Rotors 2 in der Statorwick­ lung 4B des Stators 4A eine Spannung induziert. Die so indu­ zierte Spannung kann in ein Stromnetz eingespeist werden.

Der Rotor 2 ist durch eine Erdungsvorrichtung 1 auf der Tur­ binenseite TS des Generators 4 geerdet, was im folgenden an­ hand von Fig. 2 näher beschrieben ist.

Fig. 2 zeigt eine an einem Rotor 2 eines nicht dargestellten Turbogenerators 4 angeordnete elektrische Erdungsvorrichtung 1. Diese besteht aus zwei zweiten elektrischen Leitern 31, die über Kohlebürsten 21 in einem Schleifkontakt 30 am ersten elektrischen Leiter 2, dem Rotor 2, anliegen. Die zwei zwei­ ten elektrischen Leiter 31 sind einander gegenüberliegend am Umfang des Rotors 2 angeordnet. Entlang des Umfanges des Ro­ tors 2, zwischen den zwei zweiten Leitern 31, sind zwei ein­ ander gegenüberliegende, dritte elektrische Leiter 34 ange­ ordnet. Diese dritten elektrischen Leiter 34 bilden ebenfalls einen Schleifkontakt 30 über Kohlebürsten 21 mit dem Rotor 2. Die zwei zweiten elektrischen Leiter 31 sind am Turbinenfun­ dament 15 über einen Erdungsleiter 36 geerdet. Eine Strom­ quelle 32, die eine Wechselstrom- oder Gleichstromquelle sein kann, ist mit den zwei zweiten elektrischen Leitern 31 sowie mit den dritten elektrischen Leitern 34 so verbunden, daß je­ weils über einen zweiten elektrischen Leiter 31 und einen dritten elektrischen Leiter 34 mit der Stromquelle 32 ein ge­ schlossener Stromkreis gebildet ist. An dem Erdungsleiter 36 ist eine Strommeßvorrichtung 33A angeordnet, welche mit ei­ ner Überwachungsvorrichtung 33 verbunden ist.

Die Stromquelle 32 liefert einen Wechselstrom I mit der Fre­ quenz F. Dieser Wechselstrom I fließt über einen dritten elektrischen Leiter 34 zu dessen Kohlebürste 21 und über den durch die Kohlebürste hergestellten Schleifkontakt 30 in den Rotor 2. Vom Rotor 2 fließt der elektrische Strom I über die zwei zweiten elektrischen Leiter 31 zur Stromquelle 32 zu­ rück, welche durch den Erdungsleiter 36 am Turbinenfundament 15 geerdet ist. Der so kontinuierlich fließende Strom I ver­ bessert die Erdungskontaktierung dadurch, daß sich entlang des Umfangs des Rotors 2 eine gute Partina bildet und dadurch daß sich über den elektrischen Strom I eine Erwärmung der Kohlebürsten 21 ergibt, welche damit einen geringeren Übergangswiderstand aufweisen. Einer der beiden durch jeweils ei­ nen zweiten und dritten Leiter 31, 34 gebildeten Stromkreise ist im Prinzip redundant und dient insbesondere einer höheren Betriebssicherheit. Mit Hilfe der Überwachungsvorrichtung 33 kann der Strom I überwacht werden, so daß aus einem Absinken der Amplitude des Stromes I auf einen erhöhten Widerstand im Schleifkontakt 30 geschlossen werden kann. Ein solch erhöhter Widerstand kann z. B. durch eine Abnutzung der Kohlebürsten 21 hervorgerufen werden. Er bedeutet eine Verschlechterung der Erdung. Bei Unterschreiten eines Grenzwertes für die Ampli­ tude des Stromes I kann von der Überwachungsvorrichtung ein Warnsignal übermittelt werden. Die Frequenz F des Stromes I ist so gewählt, daß sie kein ganzzahliges Vielfaches der Drehfrequenz DF des Rotors 2 ist. Damit kommt es nicht zu ei­ nem rhythmischen Abheben der Kohlebürsten 21 vom Rotor 2. Dies unterbindet eine Beschädigung der Oberfläche des Rotors 2, z. B. durch Funkenerosion. Weiterhin ist durch die Wahl der Frequenz F als nichtganzzahliges Vielfaches der Drehfre­ quenz DF der Strom I leichter von eventuell auftretenden, in­ duzierten Wellenströmen zu unterscheiden. Dies erleichtert die Überwachung des Stromes I.

Claims (10)

1. Elektrische Erdungsvorrichtung (1) zur Erdung eines er­ sten, drehbaren elektrischen Leiters (2), an den über einen Schleifkontakt (30) ein zweiter, geerdeter elektrischer Lei­ ter (31) anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromquelle (32) sowohl mit dem ersten elektrischen Leiter (2) als auch mit dem zweiten elektrischen Leiter (31) so ver­ bunden ist, daß über die Stromquelle (32) ein elektrischer Strom (I) durch den Schleifkontakt (30) speisbar ist.

2. Erdungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom­ quelle (32) einen Gleichstrom bereitstellt.

3. Erdungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der er­ ste elektrische Leiter (2) mit einer konstanten Drehfrequenz (DF) drehbar ist, wobei die Stromquelle (32) einen Wechsel­ strom (I) mit einer von der Drehfrequenz (DF) verschiedenen Frequenz (F) bereitstellt, insbesondere mit einer Frequenz (F), die nicht ein Vielfaches der Drehfrequenz (DF) ist.

4. Erdungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der er­ ste elektrische Leiter (2) ein Rotor (2) eines Generators (4), insbesondere eines Turbogenerators (4) mit einer Lei­ stung größer als 10 MVA ist.

5. Erdungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite elektrische Leiter (31) eine Kohlebürste (21) aufweist und der von der Stromquelle (32) lieferbare Strom (I) zu einer Stromdichte zwischen 5 A/cm² und 12 A/cm² an der Kohlebürste (21) führt.

6. Erdungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten elektrischen Leiter (2) mindestens zwei zweite elektrische Leiter (31) anliegen, die jeweils mit einer Stromquelle (32) verbunden sind.

7. Verfahren zur Erdung des Rotors eines Turbogenerators (4), insbesondere mit einer Leistung größer als 10 MVA, wobei sich der Rotor mit einer konstanten Drehfrequenz (DF) dreht und wobei am Rotor ein geerdeter, elektrischer Leiter (31) an ei­ nem Schleifkontakt (30) schleift, dadurch gekennzeichnet, daß von ei­ ner Stromquelle (32) ein elektrischer Strom (I) über den Schleifkontakt (30) fließt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleich­ strom (I) über den Schleifkontakt fließt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (32) einen Wechselstrom (I) mit einer von der Drehfrequenz (DF) verschiedenen Frequenz (F) liefert, insbe­ sondere mit einer Frequenz (F), die kein Vielfaches der Dreh­ frequenz (DF) ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des von der Stromquelle (32) gespeisten Stromes (I) ge­ messen wird, um die Güte des Schleifkontaktes (30) und damit die Güte der Erdung (1) zu überwachen.