發電機大軸接地不良引發熱工保護誤動的原因分析

李國湘，孟晉峰

(中石化股份有限公司天津分公司 天津300271)

發電機大軸接地不良引發熱工保護誤動的原因分析

李國湘，孟晉峰

(中石化股份有限公司天津分公司 天津300271)

針對某電廠#8汽輪發電機組出現的熱工保護誤動作停機事故，對機組熱工保護卡件連續燒損、大軸接地系統存在電壓、發電機風冷系統溫度高、軸瓦振動數值大等異常情況進行了分析，發現發電機大軸接地系統帶電壓是機組熱工保護卡件燒損的直接原因，熱工卡件連續燒損造成保護誤動。找出發電機大軸帶電壓的原因并制定了明確的處理措施。找出了發電機滑環室溫度高的原因，提出了控制溫升的具體措施。通過采取有效的措施，#8汽輪發電機組恢復了正常運行狀態。

風冷系統 大軸接地 保護誤動

0 引 言

發電機的安全穩定運行關系著電網的安全，也對自備電廠的安全生產、經濟生產起著決定性作用。確保發電機的安全穩定是非常重要的。當發電機出現不正常的運行情況時，需要我們及時準確地判斷出缺陷的原因，盡早消除缺陷。

1 事故經過

2015年某電廠#8發電機發生事故停機，原因是機組軸向位移TSI卡件燒損，機組連鎖保護動作引發機組停運。在之后的幾天時間里，檢修部門一直在對機組進行檢查，沒有發現外部問題，初步認為DCS卡件本身質量存在問題，決定檢修更換新的TSI卡件。由于擔心誤動，將連鎖停機退出。機組并網運行不久，新換的卡件再次燒損。因已退出連鎖保護，避免了一次非計停。此后檢修單位加大排查力度，在沒有停機的情況下，電氣檢修人員檢查發現發電機5瓦(勵端)外殼帶電、發電機滑環室溫度超高。同時，機務檢修人員發現發電機5瓦(勵端)振動超標。

2 #8發電機簡介及其存在的問題

2.1 發電機簡介

#8發電機是熱電部最重要的機組之一，肩負著主要的發電任務。#8發電機由哈爾濱電機廠制造，2009年3月投入運行。發電機額定功率100,MW，額定功率因數0.85，出口電壓13.8,kV，冷卻方式為定子空外冷，轉子敷槽冷卻，勵磁方式為靜止自并勵勵磁。發電機主要銘牌參數如表1所示：

表1 發電機主要銘牌參數Tab.1 Nameplate parameters of the electric generator

2.2 發電機存在問題

經過詳細的檢測和排查，#8發電機主要存在以下3個問題：①發電機5瓦(勵端)外殼帶電；②發電機滑環室溫度高；③發電機5瓦(勵端)振動超標。

3 #8發電機的冷卻系統及其缺陷分析

3.1 #8發電機的冷卻系統

發電機在運行中，內部產生的熱量會迅速增加。發電機內部損耗的多少和散熱能力的大小決定了發電機的運行溫度。溫度過高對發電機的帶載能力、絕緣、壽命等都有嚴重的影響。#8發電機采用空冷方式進行冷卻。空冷的優點是系統簡單，操作簡便，輔助設備少，安裝、運行、維護方便，運行費用低。

圖1為#8發電機內部通風系統示意圖。它采用軸向分段冷卻系統，在發電機機座的定子背部設有通風孔，冷卻風從通風口徑向進入定轉子間隙，冷卻定子齒部和轉子表面，然后冷卻風進入定子頸向風道冷卻定子鐵心。［1］

圖1 發電機空冷系統示意圖Fig.1Schematic of air cooling system of the electric generator

#8機轉子采用敷槽冷卻，在轉子槽的底部和中部開設通風槽，冷卻空氣從轉子的兩端流入，經過轉子導體后進入排氣室，空氣流過轉子導體的表面，大大增加了轉子導體的冷卻效果。#8發電機的空冷器由許多銅管組成，銅管的兩頭穿在管板的孔內，用脹管器脹接在管板上，管板與端蓋形成水室，管內通過一定壓力和流量的冷卻水，為了增大冷卻表面積，銅管表面裝有許多薄銅片(翅片)。

3.2 發電機碳刷溫度和性能的關系分析

發電機碳刷的溫度一般控制在80,℃(溫升40,℃)以內。這是因為碳刷具有負溫度特性，隨著溫度的升高，碳刷的接觸電阻逐漸變小，在80～110,℃時最低。當溫度超過110,℃時，碳刷的接觸電阻又會急劇增加，這對接觸面的穩定和碳刷間的均流是極為不利的。以上分析可以這樣理解，碳刷由于溫度變化會進入不正常的運行狀態，開始發熱，由于碳刷的負溫度特性，接觸電阻會逐漸降低，通過的電流將越來越大，這樣碳刷的溫度越來越高，直到電流變到最大為止，此時的溫度可能已經超過110,℃；此后碳刷的接觸電阻會急劇增加，通過的電流降低，碳刷溫度降低，降低到80～110,℃時，由于碳刷的負溫度特性，電流又會激增，如此惡性循環，使得碳刷劣化加速。這種崩潰式的變化，使得每次流過此碳刷的電流進行雪崩式的重新分配，可能使碳刷上的電流負荷相差10倍以上。接觸電阻小的碳刷將得到大部分電流，它們也將發生溫度雪崩，后果非常嚴重。

經過檢測，滿負荷運行的情況下，#8機滑環室的溫度在100,℃左右。滑環室溫度過高對碳刷的運行非常不利，首先需要判斷風冷系統是否存在缺陷。

3.3 #8發電機的滑環室冷卻系統的檢查

由于#8發電機的滑環室溫度高，我們對發電機的冷卻系統進行檢查，發現發電機進風風道與滑環室風道是聯通的，由于發電機本體的運行溫度正常，因此問題應該出現在滑環室的風冷卻系統上。發電機滑環室的風道實際上是勵端風葉和發電機進風支路風道一起組成進風，由滑環室的出風通道進行排風。打開滑環室的門，可以明顯感覺到一陣熱氣流，這是由于在滑環室內部存在大量正壓，或者說是進風太多而出風不暢。用手感知滑環室的出風通道，明顯沒有太多的熱氣體排除，這也印證了出風通道存在問題。

4 引起發電機振動的原因分析

經過檢測，#8機5瓦(勵端)軸承振動值超過允許值。振動過大的主要原因有以下幾方面：①軸瓦的潤滑不良，油壓不足或油質劣化；②轉子平衡塊松動，失去動平衡；③軸承溫度太高；④定子三相電流不平衡度超標；⑤定轉子間隙不合格；⑥基座固定地腳螺栓松動；⑦機組找正不佳；⑧轉子線圈匝間短路。[2]

對以上原因進行排查，發現有3點可疑度很高：①由于#8機存在軸電壓，很可能已經破壞了軸瓦的油質，導致潤滑不良；②由于歷史檢修等原因，轉子平衡塊可能存在缺陷；③溫度因素，由于滑環室溫度太高，將滑環室的門全部打開2,h，滑環室的溫度下降了20,℃，此時的5瓦振動有明顯降低。因此滑環室的溫度因素不能排除在外。

5 發電機的軸電壓及危害

檢查中發現#8機5瓦(勵端)外殼帶電，交流約30,V，直流70,V上下波動。檢修人員又去檢測4瓦(汽端)的接地碳刷，發現刷辮也帶電：30,V交流、160,V直流。這是不正常的現象，因為儀表不可能竄入強電，但由于5瓦處測振探頭絕緣不好，因此電流順著測點竄入卡鍵，是TSI卡件燒毀的主要原因。對儀表探頭進行絕緣處理之后，儀表檢查結束。

電氣分析發展，通過5瓦(勵端)外殼帶電，4,W(汽端)的接地碳刷刷辮也帶電，這說明兩個問題：①發電機存在軸電壓，②接地刷辮帶電說明接地有問題。

5.1 發電機大軸帶電的危害

發電機定子鐵心組合縫、定子硅鋼片接縫、定子與轉子空氣間隙不均勻等，會造成發電機的磁路不對稱，發電機主軸在這種不對稱的磁場中旋轉，會在其兩端產生交流電壓，稱為軸電壓。如果電機主軸兩端軸承沒有絕緣墊或絕緣不好，這個電壓就會通過電機兩端軸承支架形成電流回路，這個電流稱為軸電流。軸電流的危害主要是在軸頸和軸瓦之間產生小電弧侵蝕，破壞油膜，使軸承溫度升高，潤滑油碳化變質等；如果軸電流超過一定數值，發電機轉軸軸頸的滑動表面和軸瓦就可能被損壞，造成軸承不能使用或壽命大大縮短。[3]為了防止軸電壓、軸電流的危害，發電機的大軸上都要安裝接地碳刷，通過接地信號裝置接地，如果產生軸電壓、轉子絕緣不好漏電等使大軸帶電，碳刷會及時把電流引向大地，接地信號裝置發出預告信號，提醒運行人員注意或處理。另外，汽輪機葉片產生的直流靜電電壓也需要接地碳刷進行消除。

5.2 關于#8機大軸的檢查結論

經過檢查，#8機4瓦(汽端)接地碳刷接地線接線板屬于絕緣產品，即接地碳刷實際上未接地，這是產生大軸帶電的直接原因。

6 處理過程

6.1 發電機滑環室出風通道的處理

經過前期的排查判斷，#8發電機滑環室出風通道排風不暢。由于排風出口過小，使得大量熱氣聚集在滑環室內無法排出。我們在出風口加裝軸流風機進行排風，對滑環、碳刷進行清掃檢查。加裝排風機后，#8發電機滑環室溫度明顯下降，目前機組滿負荷狀態下，滑環室溫度未超過50,℃。后續對軸流風機采用雙電源供電方式，保障了風機的正常運行。

6.2 發電機大軸帶電的處理

發現接地碳刷接地線沒接地是導致帶電的根本原因。由于當時機組仍處于運行狀態，只有在保證發電機不會出現轉子兩點接地的同時，才能安裝接地線。否則一旦發生發電機轉子兩點接地，將產生短路電流，不僅會燒壞勵磁回路及轉子，還會引起電機的強烈振動，產生嚴重后果。接地碳刷的接地線接好后，發電機側的電壓全部消失，5瓦的電壓消失。

6.3 發電機5瓦(勵端)振動的處理

通過以上控制滑環室溫度和消除軸電壓的措施，基本上對5瓦(勵端)振動有所緩解，機務檢修人員通過對轉子平衡塊重新調整，使機組動平衡恢復正常。

7 結 語

發電機運行中出現的異常情況很多，借助熱電部#8發電機表現出來的缺陷問題，給出了一些解決辦法，當發電機出現不正常運行情況時，力爭及時準確地判斷出缺陷原因，盡早消除缺陷。■

［1］ 秦文杰. 石油化工企業電氣設備及運行管理手冊[M].北京：化學工業出版社，2015.

［2］ 石油化工設備維護檢修規程[M]. 6冊，北京：中國石油化工出版社，2004

［3］ 周侶. 燃氣發電機軸電壓異常分析[J]. 華東電力，2009，37(2)：317-320.

Analysis on Thermal Protection Miss-operation Caused by Imperfect Earthing of Generator

LI Guoxiang，MENG Jinfeng
(China Petrochemical Co.，Ltd．Tianjin Branch，Tianjin 300271，China)

The article discusses an accidental shutdown of No.8 generator of a plant for Thermal Protection Missoperation，in which thermal protection units were burned down．Abnormalities including the continuous burning down of protection clamp units，existing voltage at the large shaft grounding system，high temperature of air cooling system of generator and huge bearing vibration were analyzed and it was found that the large shaft grounding system with high voltage led to the burning down of thermal protection units and the continuous burning down of protection clamp units caused protection malfunction．Finally，it notes the reason for large shaft with voltage，the slip ring chamber with high voltage and works out a specific way to deal with such problems．After the implementation of efficient measures，No.8 generators regained normal operation.

air cooling system；large shaft grounding；protection malfunction

TM31

A

1006-8945(2016)08-0019-03

2016-08-02