國華準電汽輪機軸瓦電腐蝕原因分析及處理

宋峰++王鐵軍

摘要：汽輪發電機組軸電壓引起的軸電流會造成很大的危害，自準電三、四號發電機投入商業運行以來，近幾年的檢修過程中均發現因軸電壓引起的汽輪機軸頸、軸瓦接觸點電燒傷的事件。如果不加以處理，嚴重的甚至燒毀軸瓦，造成較大的經濟損失。準電汽輪機軸瓦電腐蝕的根本原因是，由于靜止半導體勵磁，而產生的高頻電壓，且軸電壓較高，根據可能產生軸電壓的原因逐項排查分析，并采用無源RC吸收回路限制軸電壓的措施，取得了理想的效果，這種對策在準電三、四號汽輪發電機上試驗成功，優點如下：所有的軸電勢，甚至高頻峰值，都降到了無害的范圍。在勵磁機端的接地RC電路通用性好，維護費用低且電刷壽命長。無論發電機汽輪機端有無接地電刷都可以正常運行且易于監控。

【關鍵詞】：電腐蝕；軸電壓；無源RC吸收回路；

中圖分類號： TK263. 6文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

準電三、四號汽輪發電機組是北京重型電機廠生產的單軸、三缸、亞臨界、中間一次再熱、雙排氣式汽輪機和北京重型電機廠引進阿爾斯通技術生產的T225.460型發電機采用靜止半導體勵磁發電機。三、四號汽輪機在近年來的檢修中均發現軸瓦不同程度的電腐蝕現象。

經測量準電三、四號汽輪發電機轉子軸電壓較高，是引起汽輪發電機軸瓦出現電腐蝕的故障的主要原因。軸瓦出現電腐蝕給機組檢修增加了工作量及檢修費用，并且給機組運行帶來了較大的隱患。由于發電機汽輪機端轉軸表面旋轉的速度很高，使得現有的接地電刷經常失效。經驗表明：傳統的接地裝置不能消除高頻軸電壓峰值。根據軸電壓產生的原因及特點，在發電機的勵磁端通過接地電刷對地接人一個新型無源RC電路的防范措施。這套新的防范措施顯示出以下優點：軸電壓降到了無害的水平；通用性好；維護費用低；電刷壽命長；不管發電機的汽輪機端有無接地電刷都可正常運行，易于監控。采用新的接地裝置后，三、四號發電機的軸電壓穩定在10V以內。

1 軸電壓產生的原因及危害

汽輪發電機組軸電壓引起的軸電流會造成很大的危害，自準電三、四號發電機投入商業運行以來，近幾年的檢修過程中均發現因軸電壓引起的汽輪機軸頸、軸瓦接觸點電燒傷的事件。如果不加以處理，嚴重的甚至燒毀軸瓦，造成較大的經濟損失。準電四號汽輪機發電機軸電壓較高，根據可能產生軸電壓的原因逐項排查分析.

1.1 靜電效應產生的軸電壓

由于大型汽輪發電機組汽輪機低壓缸內的干蒸汽與汽輪機葉片摩擦，高速蒸汽在汽輪機轉子上產生靜電電荷，或由于與發電機同軸相連的汽輪機的軸封不好，沿軸的高速蒸汽泄漏或蒸汽在汽缸內高速噴射等原因使軸帶靜電電荷，該靜電電荷對接地狀況有關的軸電容充電，從而產生軸電壓。

1.2 發電機磁路不對稱引起的軸電壓

1.2.1 磁通不對稱引起的軸電壓

發電機的制造不可能保證其磁路絕對對稱。由此，發電機在運行中大軸、軸承、臺板所構成的回路交鏈的磁通發生交替變化，在大軸上會產生交變電勢，且該電勢具有基波特性。當大軸、軸頸、軸瓦、軸承座和臺板所構成的回路因某種原因接通時，由于回路電阻很低，就會產生很大的軸電流，引起相關軸電流回路部件的損壞。

1.2.2 發電機轉子線圈匝間短路產生的軸電壓

若發生匝間短路，則由兩組線圈產生的軸向磁通不能全部抵消，而產生軸向不平衡磁通，短路匝數越多，則不平衡軸向磁通也越大。當這個磁通和軸向磁通疊加到一起或軸向磁通本身數值達到一定程度后，將會在軸頸對油膜之間產生較高的單極電壓，一旦擊穿油膜，很有可能造成軸瓦燒損。

1.2.3 電機大軸被磁化產生的軸電壓

汽輪發電機組因某種原因被磁化后，存在著周向和軸向剩磁，由剩磁在轉子和軸承部件中感應產生單極電壓。同上所述，該感應電壓將在軸承和軸密封中，即從輪葉經過隔板、隔板套、汽缸、油膜破壞的軸承、大軸回到輪葉，由此大電流可引起相應的部件損壞，該電流引起的磁通還可能使汽輪機周向磁化。

1.3外部電壓引起的軸電壓及危害

1.3.1 靜止勵磁裝置的影響

自并勵勵磁系統的晶閘管換相時產生的高頻電壓脈沖會在軸瓦、軸頸的油膜之間產生高頻電壓脈沖，一旦擊穿油膜，很有可能造成相應軸電流流經部位燒損。

1.3.2 有源轉子繞組保護裝置產生的軸電壓

在發電機轉子保護裝置中，采用迭加直流式一點接地保護、迭加交流電壓式導納原理一點接地勵磁保護以及迭加方波電壓式勵磁回路一點接地保護等轉子接地保護，在原理設計上會通過與接地狀況有關的絕緣電容和電阻的耦合在軸瓦、軸頸油膜之間產生軸電壓，一旦擊穿油膜，很有可能造成相應軸電流流經部位燒損。

軸電壓出現在軸承和地之間，是由于靜電荷（轉子繞組）、絕緣不對稱或靜止勵磁系統產生的。它雖然不會產生很大的低頻電流，但是它的值達到很高。從而，在發電機運行幾周到幾月后，引起的電腐蝕會嚴重損傷軸承，使得必須提前對軸承進行檢修。

2、軸電壓的防范措施

大部分減小軸電壓的對策都是針對軸電壓的出現。對于前兩種軸電壓，必須防止感應電路短路產生的大電流，即這些電路的電阻至少要有30—50 Q。在所有可能產生軸電流的路徑上采用高電阻絕緣設計就可實現。由靜電荷或靜止勵磁系統產生的，通過油膜、軸密封等的軸電壓必須其電壓過高，不得超過20V。這是能防止電腐蝕發生的唯一途徑。薄的絕緣層不能提供絕對的保護，它只能作為容性分壓器。靜電荷能夠被小于lkQ的接地電阻有效消除。解決由靜止勵磁系統所產生的軸電壓最有效的方法是增加軸對地電容至10μF左右。這可以減小（軸對地）電容電壓的比值，減小高頻電壓峰值的頻率，且幾乎可旁路更高頻的軸電壓。因為在發電機汽輪機端使用接地電刷遇到過許多難題，根據上述研究的成果，現在提出一些針對采用靜止勵磁的大型汽輪機組產生軸電壓的防范措施， 必須保留能對感應軸電壓所產生軸電流進行有效防護的勵磁機端軸承絕緣；如果需要，只要汽輪機端的接地電刷功能正常，可以保留； 勵磁機端通過接地電刷接入一種新型無源RC電路。即使汽輪機端沒有接地電刷或電刷沒有正常工作，500Q的電阻已經高到足夠將電流限制在無害的mA 范圍內，且建立的直流電勢也被限制在足夠低的數值內。10μF的并聯電容可以有效地防止所有由靜止勵磁產生的軸電壓；

2.1加裝接地裝置

2.1.1、接地碳刷裝在四號汽機#9瓦靠近發電機側。

2.2.2、在9瓦軸頸中心兩側相對180°安裝兩組刷架與電刷。

2.2.3、為使刷握對地絕緣，刷握通過10㎜環氧樹脂板固定在刷架上，刷架安裝完畢后用500V搖表測量刷握絕緣電阻應該值≥0.5MΩ。

2.2.4、通過加裝無源RC阻容吸收回路來消除靜止可控硅勵磁引起的三次高頻諧波分量以及其他運行因素引起的軸電壓。阻容吸收回路接地端接地可靠。

2.2.5、刷架安裝后調整刷握與轉軸之間的間隙為5mm，保證電刷在刷握內自由移動。

2.2.6、測試接地電刷彈簧壓力，保證電刷與轉軸接觸良好。

2.2.7、接地電刷與阻容吸收裝置控制柜之間通過絕緣接地線進行連接。

加裝完接地裝置后，定期跟蹤測量軸電壓情況，一直保持在10V以內，運行平穩。

3 結論

由靜止勵磁系統產生的軸電壓是一個3倍于基頻的矩形波并疊加了高頻電壓峰值。這些電壓來源于整流器的共模電壓和在整流過程中陡峭的電壓跳躍。現場試驗的結果能夠很好地吻合。結果證明發電機汽輪機端傳統的接地裝置（即使正常工作）也不能消除軸電壓的高頻峰值。由于軸對地電容對軸電壓的頻率和幅值有非常大的影響，因此減小由靜止勵磁系統產生軸電壓的最好方法就是再加上一個10μF的軸對地電容。20V以上的軸電壓就可能在軸承和軸密封系統產生電腐蝕。隨著電壓幅值的增大，腐蝕體積會顯著增大。為了保護使用靜止勵磁系統的大型汽輪機發電機不受所有類型軸電壓的影響，提出各種對策，主要是在發電機的勵磁機端通過接地電刷接入一個無源RC電路。這種對策在準電三、四號汽輪發電機上試驗成功，優點如下：所有的軸電勢，甚至高頻峰值，都降到了無害的范圍。在勵磁機端的接地RC電路通用性好，維護費用低且電刷壽命長。無論發電機汽輪機端有無接地電刷都可以正常運行且易于監控。

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