HÅNDBOK - ROTOR

1 Innledning

Tilstandskontroll av vannkraftverk - Rotor er delt inn i følgende kapitler:

Komponentbeskrivelse

Kapitlet gir en kort beskrivelse av den aktuelle enhetens oppbygging og virkemåte. Beskrivelsen er basert på typiske norske anlegg.

Skadetyper

De skadetypene som er mest aktuelle for rotor er:

• Rotornav - Sprekker
• Poler - Løse kileforbindelser
• Polspole - Nedsatt isolasjonsmotstand
• Polspole - Vindingskortslutning
• Polspole - Sprekker i viklingsuttakene
• Feltledninger og gjennomføringer - Nedsatt isolasjonsmotstand
• Dempevikling - Deformasjoner og sprekker
• Ventilatorvinge - Sprekker
• Sleperinger - Børsteslitasje
• Sleperinger - Sleperingsspor
• Bremsering - Ujevn slitasje

En generell forklaring til innholdet i tabellene som beskriver de enkelte skadetypene (f.eks. Utsagnskraft) er gitt i kapitlet Skadetyper i Innledning.

Målemetoder

De målemetodene som er mest aktuelle for rotor er:

• visuell inspeksjon av feltvikling
• visuell inspeksjon av feltledninger
• visuell inspeksjon av sleperinger
• visuell inspeksjon av dempeviklingen
• visuell inspeksjon av bremseringen
• visuell inspeksjon av ventilatorvingene
• visuell inspeksjon etter passrust
• ladestrømsmåling
• impedanskontroll
• spenningsprøve
• penetrantprøving
• magnetpulverprøving
• ultralydprøving

En generell forklaring til innholdet i tabellene som beskriver de enkelte målemetodene (f.eks. Kriterier for karaktersetting) er gitt i kapitlet Målemetoder i Innledning.

Måleprogram

Kapitlet inneholder et veiledende måleprogram for den aktuelle enheten.

En generell forklaring til måleprogram er gitt i kapitlet Måleprogram i Innledning.

Kapittel 7.1 inneholder flytdiagrammer som skal være en hjelp til å stille diagnose for tilstanden til den aktuelle enheten ved at et sett med regler (tolkningskriterier) anvendes på måleresultatene. Diagnosen leder fra til de tiltak som bør iverksettes ved avvikende verdier.

Et generelt flytdiagram for vedlikeholdsprosessen er gitt i Flytdiagrammer med tolkningskriterier i Innledning.

Kapittel 7.2 inneholder skjemaer for registrering av de enkelte målingene.

Det er utstrakt bruk av linker i tilstandskontrollhåndbøkene. Disse vil normalt være blå og understreket i den elektroniske versjonen. I en eventuell sort/hvit papirutskrift vil de kun fremstå som understreket. Det presiseres derfor at samtlige understrekninger i en papirversjon representerer linker til andre kapitler i samme dokument, eller til andre dokumenter.

I kapitlene om Målemetoder kan overskrifter inneholde linker til dokumentet Målemetoder, mens tabelloverskrifter kan inneholde linker til det aktuelle tilstandskontrollskjemaet. Dokumenter som ofte er linket opp er Innledning, Skademekanismer og Målemetoder.

2 Komponentbeskrivelse

2.1 Generelt om rotorkonstruksjoner

I dette kapitlet blir oppbygningen av rotoren med sine tilhørende komponenter beskrevet. Det finnes mange ulike utførelser og varianter. De mest vanlige av disse blir kort beskrevet. For å anskueliggjøre problemstillingen er det benyttet figurer som viser typiske eksempler på enkelte komponenter. Figur 1 viser et bilde av en ferdig sammenstilt rotor.

Rotoren er bindeleddet mellom det mekaniske dreiemomentet og turtallet fra turbinen, og den elektriske effekten fra statorviklingene. Den består av både elektriske og mekaniske komponenter. De viktigste komponentene er:

• rotornav
• aksel
• poler med polspole, dempevikling, overkoblinger og viklingsstøtter
• ventilatorer (ventilatorer benyttes for fast monterte ventilasjonsanordning på rotor, mens vifter benyttes for separat drevne utvendige ventilasjonsanordninger)
• sleperinger og feltledninger
• rotorring
• bremsering
• magnetiseringsmaskin (for eldre og noen nye, mindre hurtigløpende generatorer)

En eller flere av disse komponentene kan kombineres, f.eks. kan bremseringen sløyfes ved at rotorringen bearbeides som bremseflate. Rotornavet kan sløyfes dersom rotorringen kan krympes direkte på akselen.

I de etterfølgende kapitlene blir de forskjellige komponentene kort omtalt.

Rotorkonstruksjonen er i hvert enkelt tilfelle tilpasset generatortypen; hurtig eller langsomtløpende, store eller små ytelser, horisontale eller vertikale. For alle konstruksjoner gjelder det at dreiemomentet skal overføres til polene. Rotorringen sammen med polene danner en del av den magnetiske kretsen. Rotorringen skal mekanisk bære polene samt ha tilstrekkelig svingmasse eller treghetsmoment. Akselsystemet skal, foruten å kunne overføre dreiemomentet, ha tilstrekkelig stivhet for å holde akselvibrasjonen på et akseptabelt nivå. Rotoren skal tåle de store mekaniske påkjenningene som oppstår ved maksimalt turtall (rusing), og kritisk turtall skal ligge på et definert nivå godt over ruseturtall.

2.2 Komponentbeskrivelse - Tabeller

Tabeller med oversikt over rotorkomponenter er gitt nedenfor.

2.2.1 Nav - Komponentbeskrivelse

2.2.2 Aksel - Komponentbeskrivelse

2.2.3 Poler - Komponentbeskrivelse

2.2.4 Ventilatorer - Komponentbeskrivelse

2.2.5 Bremsering - Komponentbeskrivelse

2.2.6 Magnetiseringsskinner - Komponentbeskrivelse

2.3 Rotornav (421.DDD.210)

Rotornavet er bindeleddet som overfører dreiemomentet fra akselen til rotorringen. Dette er som regel en sveiset konstruksjon, men gamle nav kan være støpt. I hurtigløpende generatorer med tilstrekkelig liten diameter krympes rotorringen direkte på akselen slik at rotornav eller krymperinger blir overflødig.

2.4 Aksel (421.DDD.220)

Akselens primære oppgave er å overføre dreiemoment fra turbinen til rotoren. Det kreves at akselen, sammen med lageret og fundamentet, er tilstrekkelig stiv.

Akselen er delt mellom turbin og generator. De fleste vannkraftgeneratorer har en gjennomgående aksel fra turbinakselflensen til sleperingene på den andre siden. Enkelte generatorer kan imidlertid ha delt aksel ved at denne er flenset på rotorringen eller rotornavet med boltforbindelser. Enkelte store langsomtløpende generatorer har bare lager på undersiden av generatoren (paraplygeneratorer). Akselen er utført i smidd materiale. Flensforbindelser er solid utført, og representerer ingen svekkelse av akselsystemet. Sveiser forekommer sjeldent, og i den grad de forekommer skal de være meget omhyggelig dimensjonert, utført og kontrollert.

Forbindelsene mellom aksel, nav og rotorring er som regel basert på krymp. Dette innebærer at dreiemoment og aksialkrefter overføres via friksjon. Som sikring og styring er det lagt inn kiler og styrepinner.

2.5 Poler (421.DDD.230) med polspole, dempevikling, overkoblinger og viklingsstøtter

Polene er den del av rotoren der det magnetiske feltet genereres. Hver pol består av polkjerne med polsko, polspole, polendeplater ogdempevikling. Figur 2 viser et snitt av en ferdigmontert pol.

Polenes oppgave er å være en del av den magnetiske ledningsveien for magnetfluksen, samt at den skal holde polspole og dempevikling på plass. Polkjernen utgjør den magnetiske kretsen, og kan ha to utførelser;

• Blikkede poler. Polene er bygd opp av utstansede blikkplater som blir presset sammen av polendestykkene og gjennomgående aksielle pressbolter. Polendestykkene lages enten av støpestål eller stålplater. Polene blir under rusing utsatt for ekstreme mekaniske påkjenninger. Polene festes til rotorringen ved hjelp av 1 - 3 svalehaler eller ved bolter radielt gjennom rotorringen for mindre generatorer. I svalehaleforbindelsene blir det i tillegg satt inn kiler og/eller låseklosser.

• Massive poler. For mindre generatorer blir kjernene oftest brent ut av rotorringen. Polskoen blir laget separat av massivt stål, og boltes fast på polkjernen.

  Enkelte eldre generatorer har støpte massive poler. I motsetning til de blikkede polene, vil disse få relativt store virvelstøms jerntap ytterst på polskoen pga variasjonen i luftgapsbredden ved overgang fra spor til statortann.

Polspolen er normalt bygget opp av rektangulære kobberskinner (tykkelse 3-8 mm, bredde 30-100 mm) som er bøyd på høykant eller sammenføyd til en spiralformet spole. Denne legges rundt polkjernen under polskoen. Vindingene i hver enkelt spole blir isolert fra hverandre ved at det legges vindingsisolasjon (ofte Nomex for nyere generatorer) mellom vindingene. Den isolerte spolen varmes og presses sammen slik at vindingene limes til hverandre og danner en massiv enhet. Spolen er isolert mot polkjernen og polskoen med glassfiberarmert polyester. Polspolene er forbundet innbyrdes ved at viklingsuttakene er forbundet med overkoblinger.

De konsentriske spolene blir i hovedsak utsatt for radielle krefter. De blir også utsatt for tangensialkrefter som forsøker å vrenge spolen ut i mellomrommet mellom polene, polluken. For å forhindre dette støttes spolene opp tangentielt med en eller flere viklingsstøtter, avhengig av pollengden, boltet fast til rotorringen eller festet til polen.

Generatoren er utstyrt med dempeviklinger for å jevne ut lasten mellom fasene. Dempeviklingene er kobberstaver som ligger i halvlukkede aksielle spor i polskoen ut mot luftgapet. Kobberstavene er kortsluttet med hardlodding mot skinner lagt på høykant eller flask ved polendene. Som regel er disse skinnene elektrisk forbundet med tilsvarende skinne på nabopolene. På den måten danner dempestavene en kortsluttet burvikling, som på rotoren i en asynkrongenerator. Det går ikke strøm i dempeviklingen under stasjonære forhold, med det kan gå store strømmer under transiente feiltilfeller som kortslutning, feilinnfasing eller skjevlast.

2.6 Ventilatorer (421.DDD.240)

De fleste vannkraftgeneratorer er luftkjølte og egenventilerte. Generatoren er da utstyrt med en eller annen form for ventilator for å generere det trykket som skal til for å føre kjøleluften gjennom generatoren.

Middels store og store moderne generatorer er utstyrt med aksialvifter montert på hver side av rotoren på høyde med feltviklingen. Aksialventilatorene er som en kaskade av vifteblad, 1-2-3 pr pol (se Figur 1). De utnytter periferihastigheten til å danne lufttrykket. Luften presses mot polene og inn i polluken (det aksielle området mellom polene). Ventilatorbladene er festet til en ventilatorring eller et sett ventilatorbraketter. Korte generatorer kan være utført med ventilatorer bare på én side av rotoren. På den andre siden av generatoren må det da være anordninger som sørger for at den delen kjøles. Dette kan være en konstruksjon av skjermer og åpninger.

Mindre generatorer kan være utstyrt med radialventilator. Luft suges da inn på en liten diameter og blåses ut ved en større. Radielle skovler sørger for at luften får tilstrekkelig trykk. Radialventilatorene kan ha ulike utforminger fra bukkede plater til nøyaktig utførte skovler innhyllet i ringplater.

Kjederotorer kan være arrangert som såkalt ventilert ring. Luft suges da inn på innsiden av rotorringen og slynges ut gjennom hull i rotorringen.

På reversible generatorer er det ikke ventilatorer, men utvendige vifter.

2.7 Sleperinger (421.DDD.261) og feltledninger

Dersom generatoren ikke er utstyrt med børsteløs magnetiseringsmaskin, er den utstyrt med sleperinger for å overføre feltstrøm til rotoren. Feltstrømmen går da gjennom kullbørster som ligger med press inn mot sleperingene. Nyere sleperinger er utført av stål, og er krympet på akselen. Under drift skal sleperingene holde seg blanke og rene uten tegn til overoppheting. Rundt sleperingene ligger et sleperingshus. I moderne generatorer er dette konstruert slik at minst mulig børstestøv slipper ut, eller det er installert et eget børstestøvavsug med eget filter.

Fra sleperingene blir feltstrømmen ført i aksielle kobberskinner eller kabler til enden av rotornavet. Dersom det er lager mellom sleperingene og polene, føres feltstrømmen gjennom hull i akselen. Gjennomføringene er massive kobberbolter eller kabler. Isolasjonsmaterialet i gjennomføringene og klemmene kan være trelaminater, bakelitt, turbax, glassfiberarmerte kunstharpikser eller vanlig kabelisolasjon. Silikonholdige materialer må ikke benyttes!

2.8 Rotorring

Rotorringen har både mekaniske og magnetiske oppgaver. I tillegg til at den skal overføre det mekaniske dreiemomentet fra akselen til rotorpolene, skal den gi en tilbakevei med høy magnetisk ledningsevne for fluksen fra polspolene. Den skal dessuten ha tilstrekkelig styrke til å bære polene under rusing. I tillegg skal den ha tilstrekkelig stor masse til at kravet om svingmasse blir ivaretatt. Svingmassen bestemmer turtallstigningen ved lastavslag.

Rotorringer finnes i hovedsak i tre utførelser:

• Ringer av smidd stål er mest vanlig. Ringen kan bestå av en eller flere delringer lagt på hverandre.

• Utbrente plater

• Støpte ringer forekommer på eldre generatorer og der ringene er tynne, og det ikke stilles strenge krav til holdfasthet.

• Kjederotor, der rotorringen er blikket opp av blikksegmenter som blir kjedet og presset sammen av gjennomgående aksielle pressbolter. Denne type rotor brukes alltid der hvor rotordiameteren er så stor at smidde kontinuerlige massive ringer ikke kan brukes.

I enkelte langsomtgående generatorer med stor diameter forekommer det at rotorringen styres tangensielt av kiler. Under rusing får rotorringen store mekaniske påkjenninger som fører til en radiell utvidelse (noen mm). Krympeforbindelsen vil da kunne slippe, og ringen styres da av styrepinnene og kilene. Et vanlig dimensjoneringskrav er at ringen skal slippe ved et turtall høyere enn fullast avslagsturtall. Fullast avslagsturtall er det maksimale turtallet aggregatet får hvis effektbryteren åpnes ved fullast og turtallsregulatoren lukker vannstrømmen så hurtig som trykkstigningen tillater. Dette turtallet er ca 30 % høyere enn merketurtallet, men godt under ruseturtallet.

2.9 Bremsering

Alle nyere og større vannkraftgeneratorer er utstyrt med bremser. Bremsenes oppgave er å:

• hindre at rotor beveger seg når aggregatet skal stå stille
• bringe aggregatet hurtig til stopp dersom alvorlige mekaniske feil inntreffer
• redusere tiden aggregatet går med redusert turtall

For vertikale generatorer er bremsen ofte kombinert med en løftemekanisme for rotoren (noen mm). Vertikale generatorer uten trykkoljeavlasting krever som regel rotorløft før start for å kunne fukte bærelagerflatene med olje. Løftemekanismen avlaster dessuten bærelageret under f.eks. lagerrevisjoner.

Bremseringen er dimensjonert for et bremsemoment som er bestemt av krav til stoppetid og holdemoment i stillstand (lekkasjer i turbinens ledeapparat forårsaker et dreiemoment som kan få aggregatet til å krype). Bremseringens volum er bestemt av den bremseenergien den skal kunne oppta. Den er normalt utført som en kontinuerlig eller segmentert ring med slipt bremseflate. Dersom rotorringen er utført som kjederotor, eller dersom det er spesifisert av kunden, kan bremseringen være delt i flere segmenter. Denne konstruksjonen gjør det mulig å skifte ut deler av bremseringen. Bremseringen festes til rotorringen med en boltforbindelse som tillater radiell ekspansjon. Ringen sentreres av spor i rotorringen. På enkelte generatorer er bremseringen bearbeidet direkte i rotorringen.

3 Skadetyper

I dette kapitlet blir de mest forekommende skadetypene omtalt. Det vises til kapitlet Skadetyper i Innledning for en nærmere forklaring til innholdet i de etterfølgende tabellene. Målemetodene/inspeksjonene som blir nevnt i disse tabellene vil bli nærmere omtalt i neste kapittel.

Rotoren i en vannkraftgenerator består av mange komponenter. For hver av disse kan forskjellige feiltilfeller inntreffe. De skadetypene som i denne sammenhengen vil bli omtalt, er listet opp nedenfor inndelt etter de forskjellige delene av rotoren. Det må presiseres at også andre feil enn disse kan oppstå, men dette utvalget representerer de mest vanlige skadetypene.

3.1 Skadetyper - tabeller

Tabeller med oversikt over hoved skadetyper for rotorkomponenter er gitt nedenfor.

3.1.1 Nav - Skadetyper

3.1.2 Aksel - Skadetyper

3.1.3 Poler - Skadetyper

3.1.4 Ventilatorer - Skadetyper

3.1.5 Bremsering - Skadetyper

3.1.6 Magnetiseringsskinner - Skadetyper

3.2 Påkjenninger på rotoren

Under drift blir rotoren utsatt for mekaniske, dielektriske, termiske og miljømessige påkjenninger. I de etterfølgende kapitlene blir det diskutert hvilke skader disse påkjenningene kan påføre rotoren.

3.2.1 Mekaniske påkjenninger

Under rotasjonen vil rotoren bli utsatt for kontinuerlige sentrifugalkrefter. Effektoverføringen fra turbinen gjør at rotoren også blir utsatt for dreiemoment. I tillegg til den stasjonære påkjenningen, vil rotoren bli utsatt for ekstra store mekaniske påkjenninger under transiente feiltilfeller som rusing, feilinnfasing og kortslutning. Både de stasjonære og transiente påkjenningene kan føre til at det oppstår deformasjoner, setninger eller sprekkdannelser i de forskjellige delene av rotoren.

Under drift vil temperaturen i de forskjellige delene av rotoren variere med lasten. På grunn av ulike utvidelseskoeffisienter, vil dette kunne føre til påkjenninger og deformasjoner. Dette kan f.eks. gjelde deler av dempeviklingen.

Karakteristisk for deformasjonene rotoren dimensjoneres for er at de er reversible (elastiske). Ved rusing utvider rotorringen i mange tilfeller seg så mye at det blir en radiell klaring mellom nav og ring. Ringen styres da av kiler og styrepinner. Denne radielle utvidelsen stiller krav til at forbindelsene mellom de ulike deler er utført på riktig måte. I forbindelsene mellom nav, ring og poler, er kiler, styrepinner og elektriske forbindelser utsatt. Ikke alle deformasjoner er reversible, slik at vindingsisolasjonen kan krype ut.

3.2.2 Dielektriske påkjenninger

Dielektriske påkjenninger på rotoren er moderate under normal drift. Det kan imidlertid oppstå transiente overspenninger ved f.eks. utkobling av magnetiseringsstrømmen dersom avmagnetiseringskretsen er ødelagt, eller ved polslipp (asynkront løp). Isolasjonsevnen svekkes ved tilsmussing, fuktighet og sprekkdannelser i første rekke pga aldring.

3.2.3 Termiske påkjenninger

Magnetiseringskretsen er utsatt for betydelige temperaturer under drift (ca 100 °C). Høye temperaturer bryter ned isolasjonsmaterialer over tid. Isolasjonen blir sprø og porøs, som gjør den mindre motstandsdyktig mot fuktighet og tilsmussing. Bremseringen vil under oppbremsing være utsatt for store termiske påkjenninger som kan føre til at ringen deformeres og innfestingen ryker.

3.2.4 Miljømessige påkjenninger

Magnetiseringskretsen på rotoren ligger åpen eller dekket av et tynt lakklag. Dette gjør at den er gjenstand for tilsmussing og fuktighet. Tilsmussingen er i det vesentlige oljedamp, kullstøv og bremsestøv. Friskluftkjølte generatorer blir tilsmusset av støv og insekter utenfra. Tilsmussingen fører til høyere temperaturer på viklingene. I noen grad kan den også bryte ned isolasjonen.

3.3 Rotornav

3.3.1 Sprekker

3.4 Poler

3.4.1 Løse kileforbindelser

Kiler og styrepinner er viktige elementer på rotoren. Passrust dannes der det er små og til dels kontinuerlig bevegelse mellom stålflater. Passrust er derfor en viktig indikator på at forbindelsen ikke er fullgod. I slike tilfeller bør spesialister konsulteres for å avgjøre om man har oppdaget en skade som må utbedres hurtig for å unngå alvorlige følgeskader.

Under visuell inspeksjon bør det sees etter rødbrunt pulver/pasta som kommer ut av sprekkene mellom de ulike delene. Dette er indikasjon på passrust.

Ved å banke på kilene vil man ut fra klangmønsteret kunne detektere eventuelle løse kiler.

3.4.2 Nedsatt isolasjonsmotstand

I dette kapitlet blir isolasjonen mellom polspolen og polkjernen diskutert. Isolasjonen i resten av strømbanen blir omtalt i Nedsatt isolasjonsmotstand i feltledninger og gjennomføringer.

Polspolens isolasjonsevne mot jord er i utgangspunktet rikelig i forhold til de dielektriske påkjenningene viklingen utsettes for. Dersom isolasjonsmotstanden mot jord blir redusert, skyldes det følgende to forhold: Over tid dannes det sprekker i isolasjonen. Sprekkene forurenses av ledende materiale der en kombinasjon av kullstøv og olje er mest kritisk. Utvendig kan krypstrømsisolasjonen ødelegges ved at et belegg ledende smuss kortslutter isolasjonen. I forbindelse med oppstart etter lang stillstand kan dessuten fuktighet ha nedsatt isolasjonsevnen.

Rotor jordslutning skjer enten ved utvendig overslag som følge av tilsmussing og nedbrutt isolasjon, eller ved innvendig gjennomslag ved at isolasjonsveggen er svekket og forurenset. En enkel jordslutning er i seg selv ingen kritisk skade, og videre drift av generatoren er i prinsippet fullt mulig. Aggregatet må imidlertid straks avmagnetiseres og bringes til stans fordi sannsynligheten for dobbel jordslutning er uakseptabelt stor.

Rotorjordvernet som er installert på de fleste større generatorer, kan slå ut selv om jordslutningen ligger utenfor rotor. F.eks. kan gjennomslagssikringen i magnetiseringstransformatoren ha røket.

Dobbel jordslutning medfører at en del av feltviklingen blir liggende strømløs. Den strømløse delen av rotoren har ikke magnetisk trekk, mens den andre delen trekker som før eller enda sterkere. Dette medfører en magnetisk ubalanse som drar den strømførende delen av rotoren mot statoren. Kreftene er så store at den mest sannsynlig vil berøre stator. Dette medfører meget store følgeskader. Dersom generatoren er utstyrt med rotorjordvern som kobler ut generatoren ved feil, vil man være forskånet for denne type feil.

3.4.3 Vindingskortslutning

Dersom isolasjonen mellom to vindinger i en polspole er ødelagt, vil feltstrømmen kortslutte én vinding. På den måten vil vindingstallet i den aktuelle polspole bli redusert, og dermed føre til en magnetisk ubalanse som fører til vibrasjoner. Den magnetiske ubalansen vil imidlertid være så liten at vibrasjonsvernet sjelden slår ut ved denne skadetypen. Vindingskortslutninger merkes best på fåpolige vertikalakslede generatorer.

En vibrasjonsanalyse vil kunne avdekke eventuelle vindingskortslutninger. Impedanskontrollen vil indikere hvor vindingskortslutningen(e) er lokalisert. Vindingskortslutninger i polspoler forekommer fra tid til annen, men karakteriseres ikke som en alvorlig feil.

3.4.4 Sprekker i viklingsuttakene

Under drift er det betydelige mekaniske påkjenninger på viklingsuttakene. Dette skyldes dels sentrifugalkrefter på overkoblingene mellom uttakene, og dels at polviklingen har termiske bevegelser i forhold til overkoblinger og rotor forøvrig. Sentrifugalkreftene er spesielt store under rusing. I noen grad kan luftstrømningen forårsake vibrasjoner. Over tid kan de mekaniske påkjenningene føre til utmattingssprekker.

Det er vanskelig å oppdage sprekker gjennom en visuell inspeksjon. I mange tilfeller må polviklingen avisoleres.

3.4.5 Nedsatt isolasjonsmotstand i feltledninger og gjennomføringer

Denne skadetypen er i prinsippet den samme som ble omtalt i Kapittel 3.4.2. Feltledninger som leder feltstrømmen fra sleperingene til feltviklingene ligger delvis åpne, og er dermed utsatt for tilsmussing. Spesielt rundt steder på isolasjonsdetaljene som ligger i le av luftstrømmen kan det feste seg smuss, og dermed dannes krypstrømsbaner mot jord. Dette vil man kunne oppdage gjennom megging. En visuell inspeksjon vil også avsløre graden av tilsmussing. Verre er det å oppdage at isolasjonen er blitt sprø eller har begynt å sprekke.

Som for polspolene vil en svekket isolasjon mot jord og dielektriske påkjenninger kunne medføre jordslutning.

3.4.6 Deformasjoner og sprekker i dempevikling

Under transiente feiltilfeller, som f.eks. kortslutning, vil det bli indusert store strømmer i dempeviklingen. Dette vil medføre store mekaniske og termiske krefter som vil kunne deformere både dempestavene og -ringene. Hvis polene beveger seg i forhold til rotorringen, enten under start og stopp eller under drift, er dette en utmatningspåkjenning som kan gi opphav til mekaniske skader på dempeviklingen.

Vedvarende mekanisk påkjenning kan gi opphav til sprekker i kontaktpunktene mellom demperingen og dempestavene. Disse kan sprekke uten at det har funnet sted en synlig deformasjon, slik at innfesting og forbindelser bør kontrolleres etter en transient feil som f.eks. kortslutning.

3.5 Ventilatorer

3.5.1 Sprekker i ventilatorvinge

Vifteblader er utsatt for luftvibrasjoner. Det er derfor muligheter for utmatting. Dersom det oppstår sprekker i viftebladene er dette meget alvorlig. Dette kan medføre at deler av viftebladene løsner og blir slynget ut mot statoren, og forårsaker store skader på blikkpakken og statorviklingen. Sveiseforbindelser bør derfor kontrolleres jevnlig (opptil hvert 5. år for utsatt tilfeller).

3.6 Sleperinger

3.6.1 Børsteslitasje

Under drift forekommer en kontinuerlig slitasje av børstene. Børsteslitasjen er imidlertid avhengig av sleperingens overflate, strømtetthet, temperatur og fuktighet. Dersom det er riper eller hakk i sleperingene, vil det medføre at børstene slites hurtigere enn normalt. På sleperingenes kontaktflate skal det etter noen tid dannes et oksydbelegg, såkalt patina.
For nyere sleperinger dannes dette belegget på den ene polen, og man må foreta et polaritetsbytte for å få det på begge sleperingene. Normal børsteslitasje bør ligge innenfor 2‑3 mm pr 1000 driftstimer. Børstebroen må være innstilt slik at børstene får jevnt kontakttrykk og står vinkelrett mot sleperingene. Det er uakseptabelt at det oppstår gnister.

All børsteslitasje medfører at børstestøv blir spredd rundt i generatoren avhengig av sleperinghusets utforming. Under alle omstendigheter samles det børstestøv i sleperinghuset. Dette må derfor støvsuges med jevne mellomrom. I kombinasjon med fuktighet og oljedamp vil børstestøvet kunne medføre at det oppstår krypstrømmer rundt isolasjonsdetaljer. Det er derfor viktig at oljedamp ikke trenger inn i sleperinghuset.

Det forekommer ganske hyppig at isolasjonsnivået mot jord er for dårlig som følge av børstestøv og annet smuss. Dette må tas alvorlig og utbedres før aggregatet får starte. Derfor anbefales det å megge rotor og sleperinger før idriftsettelse etter lengre stans.

I nyere tid er det blitt aktuelt å forgylle sleperingene. Da må børstekvaliteten tilpasses, og patina må oppnås. Dette medfører at børsteslitasjen reduseres 10 - 90 %, der man vanligvis regner med 50 %.

Erfaringene med avbøtende tiltak varierer mye. Noen ganger kan man endre børstetrykket, endre polariteten, eller øke strømtettheten ved å redusere antall børster.

3.7 Bremsering

3.7.1 Ujevn slitasje

4 Målemetoder

I dette kapitlet blir de forskjellige målemetodene som kan benyttes i forbindelse med diagnose av statorer diskutert. Det vises til kapitlet Målemetoder i Innledning for en nærmere forklaring til kriterier for karaktersetting.

De målemetodene som vanligvis benyttes i forbindelse med rotorer er:

1. Visuell inspeksjon, herunder akustiske bankeprøver
2. Ladestrømsmåling, også med forenklet likespenningsmåling (megging)
3. Impedanskontroll
4. Spenningsprøve
5. Penetrantprøving (penetrerende væske)
6. Magnetpulverprøving
7. Ultralydprøving
8. Vibrasjonsmåling, også med utbalansering

Den første metoden består av inspeksjoner som ikke innebærer noen målinger. De øvrige er målinger som krever et bestemt måleutstyr. I tillegg til at man foretar målinger for å avdekke svakheter, er rotoren utstyrt med vern som skal sørge for automatisk utkobling av aggregatet eller gi varsel ved feil. Dette dreier seg i første rekke om rotorjordvern, vibrasjonsvern og lagerstrømsvern. Disse blir ikke omtalt nærmere i denne sammenhengen.

De NDT-kontrollene som er mest aktuelle for rotor er penetrantprøving, magnetpulverprøving og ultralydprøving. Disse metodene er nærmere beskrevet i Målemetoder. Vibrasjonsmåling vil heller ikke bli omtalt i denne sammenhengen, da dette blir behandlet i Akselvibrasjoner.

4.1 Kriterier for tilstandsfastlegging

4.1.1 Nav - Kriterier for tilstandsfastlegging

4.1.2 Poler-polspole - Kriterier for tilstandsfastlegging

4.1.3 Poler-polkjerne - Kriterier for tilstandsfastlegging

4.1.4 Poler-dempevikling - Kriterier for tilstandsfastlegging

4.1.5 Ventilatorer - Kriterier for tilstandsfastlegging

4.1.6 Bremsing - Kriterier for tilstandsfastlegging

4.1.7 Magnetiseringsskinner - Kriterier for tilstandsfastlegging

4.2 Visuell inspeksjon

Visuell inspeksjon av rotoren innebærer at man undersøker rotorens tilstand ved at man sammenligner utseende til de forskjellige komponentene med en gitt referanse. Dette innebærer at den som utfører inspeksjonen må ha kjennskap til hvordan objektet skal se ut. Observasjonene fra den visuelle inspeksjonen danner basis for hvilke tiltak som skal iverksettes i form av reparasjoner og utfyllende målinger.

For å kunne utføre en skikkelig inspeksjon kreves det at aggregatet er jordet og sikret mot rotasjon, og at de nødvendige kapsler og luker er fjernet. Inspeksjonen krever intet spesielt måleutstyr, men man gjør bruk av hjelpeutstyr som lyskilde, kamera, fiberoptikk, hammer, speil og forstørrelsesglass. Kamera benyttes til dokumentasjon av inspeksjonen og for sammenligninger med senere inspeksjoner. For dokumentasjon av resultatene, og som en sjekkliste over definerte kontrollpunker, fylles tilstandskontrollskjema ut hver gang den visuelle inspeksjonen gjennomføres. På denne måten blir det mulig å kontrollere trendutviklingen ved senere målinger.

Gjennom en visuell inspeksjon oppdages større sprekker, riss, deformasjoner og elementer som har falt av eller forskjøvet seg. Man vil også kunne se eventuelle fargeendringer som følge av overtemperaturer. Dessuten vil passrust og eventuelle løse deler kunne observeres. Det er spesielt viktig å legge merke til eventuelle endringer i tilstanden sammenlignet med tidligere inspeksjoner.

Den visuelle inspeksjonen er inndelt etter komponenter. For hver komponent er det gitt en liste over kontrollpunkter på måleskjemaet. For hvert enkelt sjekkpunkt gis det kriterier for karaktersettingen. Punktene 3.1.1 til 3.1.7 følger ikke tilstandskontrollskjemaet i detalj, men gir utfyllende informasjon om en del av sjekkpunktene.

4.2.1 Visuell inspeksjon av feltvikling

Visuell inspeksjon av feltviklingen innebærer at man inspiserer alle polspolene med overkoblinger og viklingsstøtter. Følgende sjekkpunkter skal gjennomføres:

• Fuktighet og smuss i form av olje og kullstøv rundt spolene og overkoblingene
• Sprekkdannelser i overkoblingene og viklingsuttakene
• Ytre skader på spole- og vindingsisolasjonen samt viklingsstøtter
• Fargeendringer som tyder på overoppheting
• Løse forbindelser og eventuelle lysbueskader i overgangene i feltviklingskretsen

Dersom viklingen er tilsmusset, bør den rengjøres samt at det foretas megging for å måle isolasjonsmotstanden. Dersom det forekommer synlige sprekkdannelser gis karakter 4, og feilen må utbedres før generatoren settes i drift. Dersom det er grunn til mistanke om sprekkdannelser, kan det være aktuelt å gjennomføre en penetrantprøving.

4.2.2 Visuell inspeksjon av feltledninger

Visuell inspeksjon av feltledningene innebærer at man inspiserer hele strømbanen fra sleperingene frem til polspolene. Man inspiserer også alle gjennomføringer, innfestinger og isolasjonsdetaljer. Følgende sjekkpunkter må vies spesiell oppmerksomhet:

• Smuss i form av olje og kullstøv rundt ledningene og isolasjonsdetaljene
• Sprekkdannelser i isolatorer og gjennomføringer

Dersom det er mye smussdannelser, er det fare for at krypstrømmer skal oppstå, spesielt dersom tilsmussingen er en kombinasjon av oljedamp og kullstøv. Man bør derfor rengjøre rotoren dersom dette er tilfelle. I tillegg bør man foreta megging for å kontrollere isolasjonsmotstanden mot jord. Rengjøringen må ikke utføres med væske som fører smussen enda lenger inn der den er skadelig.

4.2.3 Visuell inspeksjon av sleperinger

Visuell inspeksjon av sleperingene innebærer at man inspiserer sleperingene, børstene, sleperinghus og filter. Følgende sjekkpunkt skal gjennomføres:

• Overflaten til sleperingene (begge skal ha et jevnt, glatt oksydbelegg)
• Tilsmussing av isolasjonen
• Kullstøv i sleperinghuset
• Børstetrykk, -slitasje, -posisjon og -bevegelse
• Filterets evne til å slippe gjennom luft

Nedslitte børster byttes ut. Dersom de er slitt ujevnt kan børstene bytte plass. Feil innstilling og evt børstetrykk rettes opp. Ved for stor børsteslitasje må tiltak iverksettes, f.eks. polaritetsbytte.

4.2.4 Visuell inspeksjon av dempeviklingen

Visuell inspeksjon av dempeviklingen innebærer at man inspiserer dempestavene, demperingen, overkoblingene med eventuelle stag, innfestingen av demperingen og sammenkoblingspunktene mellom dempestavene og demperingen. Følgende sjekkpunkter skal gjennomføres:

• Deformasjoner og sprekkdannelser i demperingen eller dempestavene
• Skader på innfestingen til dempeviklingen
• Fargeendring som følge av overoppheting
• Svekkelse av forbindelsene i demperingen

Dersom det oppdages sprekkdannelser i dempeviklingen eller skader på festene, må skaden utbedres før generatoren kan settes i drift. Dersom det foreligger mistanke om begynnende sprekkdannelser, vil en penetrantprøving kunne verifisere dette. Dersom demperingen har blitt deformert uten at det er dannet sprekker eller at den har løsnet, behøver det ikke få noen betydning for den videre drift, men det anbefales at det vurderes av sakkyndige. Man må imidlertid følge nøye med på skadeutviklingen ved senere inspeksjoner.

4.2.5 Visuell inspeksjon av bremseringen

Visuell inspeksjon av bremseringen innebærer at man inspiserer overflaten og innfestingen til ringen. Overflaten undersøkes for smuss, ujevnheter, fargeendringer og sprekkdannelser. I tillegg kontrolleres innfestingen for svekkelser. Under oppbremsing kan det oppstå så store skjærkrefter i festeboltene på grunn av materialutvidelser (pga temperaturendringer) at de kan ryke. Dette er det viktig at man kontrollerer for.

Løse boltforbindelser, store deformasjoner og sprekker i bremseringen, må utbedres før generatoren settes i drift. Eventuell mistanke om begynnende sprekkdannelse bør verifiseres med magnetpulverprøving. Fargeendringer medfører ikke tiltak dersom det ikke har oppstått sprekker eller deformasjoner.

4.2.6 Visuell inspeksjon av ventilatorvingene

Visuell inspeksjon av ventilatorene innebærer at man inspiserer hver enkelt ventilatorvinge og dens innfesting. Følgende sjekkpunkt skal gjennomføres:

• Sprekkdannelser i ventilatorvingene
• Bolttiltrekking i innfestingen til ventilatorvingene
• Undersøke om løse deler har falt av
• Passrustdannelse i innfesting

Dersom det oppdages sprekkdannelser i en ventilatorvinge, må denne byttes ut før generatoren settes i drift. Hvis ikke er det stor sannsynlighet for at løse deler kan bli slynget ut mot statoren og påføre store skader. Sprekkdannelser kan i spesielle tilfeller oppdages ved å banke på ventilatorvingene og lytte til klangmønsteret. Ved mistanke om begynnende sprekkdannelse kan man supplere med en magnetpulvermåling for verifisering.

Løse boltforbindelser trekkes til før generatoren settes i drift (dersom man kan vri ventilatorvingen med håndmakt).

4.2.7 Visuell inspeksjon etter passrust

I tillegg til sjekkpunktene som er omtalt i kapitlene ovenfor, må det undersøkes om det har blitt dannet passrust rundt bolter, kiler og styrepinner i hele rotoren. Man inspiserer der kileforbindelser og styrepinner ligger åpent til. Dersom man observerer passrust bør man etterstramme forbindelsene dersom det er mulig. Det må gjøres rent og foretas ny inspeksjon etter noen tid (1-5 år, avhengig av graden).

Passrust behøver ikke være skadelig, men det er en indikator på små relative bevegelser mellom forskjellige deler. Det vil alltid være en viss bevegelse i forbindelsene på rotoren. Det er derfor vanlig at det dannes litt passrust etter års drift. Passrust viser seg som rødbrunt pulver som “kommer ut av” forbindelsen.

Dersom det oppdages passrust ved en visuell inspeksjon, noteres dette i tilstandskontrollskjemaet. Det bør tas fotografi av området for arkivering og bedømmelse av eventuell skadeutvikling.

4.3 Ladestrømsmåling, også med forenklet likespenningsmåling (megging)

Ladestrømsmålingen benyttes for å undersøke isolasjonsmotstanden mot jord. Måleutstyret består av en stabil likespenningskilde (et spesielt testinstrument) og et fintfølende amperemeter.

Målingen går ut på at man påtrykker en likespenning mellom feltviklingen og jord. Det vil da gå en ladestrøm gjennom spenningskilden som avtar med tiden mot en stasjonær verdi. Isolasjonsmotstanden er gitt av forholdet mellom ladestrøm og påtrykt spenning. Ladingen står på i 10 minutter mens man noterer isolasjonsmotstanden etter et bestemt tidsskjema (se tilstandskontrollskjema). Isolasjonsmotstanden er avhengig av temperaturen, og refereres derfor til 20 °C etter et bestemt omregningsforhold (R₂₀ = R_T • 10^(T-20)/40).

Denne er et mål på hvor fort ladestrømmen synker. Verdiens størrelse over 1 indikerer hvor fuktig/tilsmusset isolasjonen er. Karakteristisk for dårlig isolasjon er isolasjonsmotstand under 1 MΩ og en høy polarisasjonsindeks, dvs oppladningen går langsomt. Generatorer med høy magnetiseringsspenning vil kreve høyere isolasjonsmotstand.

Normalt måler man hele magnetiseringskretsen på rotoren under ett. Hvis de målte verdiene er uakseptabelt lave, må kretsen deles opp for å lokalisere svakheten(e). Det er da naturlig å måle polvikling, sleperinger, akselgjennomføring og feltledninger hver for seg til feilen er lokalisert. De mest forekommende feilene er:

• Kullstøv på sleperingenes isolasjon
• Kullstøv og skitt på festebraketter og akselgjennomføringer
• Tilsmusset, fuktig eller sprukket isolasjon på polviklingen

De to første feilene forebygges og utbedres ved rengjøring. For den siste feilen må det avgjøres om det er en enkelt feil eller en generell reduksjon av isolasjonen gjennom smuss og fuktighet. Dersom isolasjonen er fuktig kan fuktigheten drives ut gjennom en tørkekjøring.

Klassifiseringen av målingen er oppsummert i tabellen nedenfor. Tilstandskontrollskjema fylles ut hver gang målingen gjennomføres. Se forøvrig flytskjema for gjennomføring av målingen.

Megging (forenklet likespenningsmåling)

Megging er den mest brukte metoden for å kontrollere isolasjonsmotstanden. En megger er en likespenningskilde med en utgangsspenning på mellom 500 og 5000 V. Den mest primitive utgave er en håndsveivet induktor med en likeretter. De moderne meggerne er batteridrevne, og kan gi en stabil utgangsspenning over lang tid. Spenningen kan innstilles i flere trinn, og for feltviklinger benyttes oftest 500 V.

Meggingen utføres i prinsippet på samme måten som ladestrømsmålingen. Man leser av isolasjonsmotstanden direkte på instrumentet. Spenningen påtrykkes til isolasjonsmotstanden etter noen tid har blitt stabil. Denne målemetoden er ikke så nøyaktig som ladestrømsmålingen, men den er betraktelig enklere og krever ikke noe kostbart måleutstyr. Metoden gir dessuten en god identifisering av isolasjonstilstanden. For meggingen gjelder de samme kriterier som for ladestrømsmålingen.

4.4 Impedanskontroll

Impedanskontroll benyttes for å detektere eventuelle svake punkter i vindingsisolasjonen, og for å lokalisere eventuelle interne vindingskortslutninger i polene. Samtidig blir eventuelle høy-ohmige kortslutninger avdekket. Disse har ingen betydning under drift, da kobber-resistansen fra en vinding til en annen ligger i området MΩ og vindingsspenningen er mindre enn 10 V. Målingen utføres dersom man har fått mistanke gjennom lastavhengige vibrasjoner at magnetisk ubalanse kan ha oppstått, hvis vindingsisolasjonen har begynt å krype ut, eller som en rutinemessig måling.

Magnetiseringsutrustningen frakobles ved at børstene løftes av. Sleperingene påtrykkes vanlig 230 V 50 Hz, gjerne over en Variac. Spenningsfallet måles og noteres for hver pol. En vindingskortslutning vil gi så avvikende verdier at tvil ikke er mulig. Husk at nabopolene blir berørt av at en pol med kortslutning medfører endret felt.

NB! Denne målemetoden medfører også et pulserende felt i stator, og kan derfor også gi en indikasjon på om statorens deleskjøter ikke er helt i orden.

4.5 Vindingsprøve

Ved tvil kan vindingsprøve utføres av spesialist/leverandør. Vindingsprøve krever et spesielt utstyr, og må derfor utføres av en spesialist. Prinsippet for testen er at man sammenligner spenningsoscillasjoner i to balanserte polspoler som blir påtrykket en støtspenning.

4.6 Spenningsprøve

Spenningsprøven går ut på at man påtrykker en spenning mellom feltviklingen og jord som er mye høyere enn hva den utsettes for under drift. Hensikten er å detektere eventuelle lokale svake punkter i isolasjonssystemet. Prøven kan gjennomføres i sammenheng med vindingsprøven som ble omtalt i forrige kapittel. Rotoren bør være fjernet fra statoren når testen gjennomføres.

Før prøven starter, må rotoren være fri for smuss og fuktighet. Spenningen påtrykkes mellom jord og begge sleperingene. Man kan også teste individuelle poler eller polgrupper hver for seg. Spenningen økes gradvis (ca 1 kV/s) opp til maksimal testspenningen, U_p

(U_p = 7,5 • U_EN, minimum 1500 V_rms). Spenningen holdes på maksimumsverdien i ett minutt før den senkes gradvis til null. Etter prøven jordes testutstyret sammen med rotorviklingen som ble testet.

Prøven regnes som bestått dersom følgende krav er tilfredsstilt:

• Testspenningen er stabil; spenningsfluktasjoner eller kontinuerlig synkende spenning er ikke tillatt.
• Overflateutladninger eller krypstrømspor må ikke forekomme. Dersom dette inntreffer må testen avbrytes og årsaken til utladningene finnes.

For dokumentasjon av målingen kan man benytte samme skjema som for vindingsprøven dersom denne er utført på forhånd. Hvis spenningsprøven utføres separat benyttes eget tilstandskontrollskjema.

NB! Denne prøven er potensielt destruktiv! Den bør derfor gjennomføres på et tidspunkt der det er muligheter for å gjennomføre en eventuell reparasjon.

5 Måleprogram

Tabell 37 viser et veiledende måleprogram for rotorer.

¹⁾ Intervallet bør reduseres for eldre generatorer, eller avhengig av tilstanden.

6 Litteraturreferanser

[1]	IEC 60034 Rotating electrical machines
	Innledning
	Skademekanismer
	Målemetoder

7 Vedlegg

7.1 Flytdiagram med tolkningskriterier

Et generelt flytdiagram for vedlikeholdsprosessen er gitt i Flytdiagrammer med tolkningskriterier i Innledning.

7.1.1 V1.1 Visuell inspeksjon

7.1.2 V1.2 Ladestrømsmåling / Megging

7.1.3 V1.3 Utvidet sprekkontroll

7.2 Tilstandskontrollskjemaer

Det er laget et eget Excel regneark for elektroniske registrering av Visuell inspeksjon.

7.2.1 V2.1 VISUELL INSPEKSJON

Wordfil

PDF

7.2.2 V2.2 LADESTRØMSMÅLING

Wordfil

PDF

7.2.3 V2.3 IMPEDANSMÅLING

Wordfil

PDF

7.2.4 V2.4 SPENNINGSPRØVE

Wordfil

PDF

7.2.5 V2.5 VINDINGSPRØVE

Wordfil

PDF