汽輪發(fā)電機碳刷故障引起軸電流報警原因分析和應(yīng)急處理

王建濤，張法朝，趙 乾，徐 超，陳俊達，吳永濤，張文軍（. 中廣核核電運營有限公司大修中心電氣分部，深圳 584；. 河南省澠池縣電業(yè)局，河南 澠池 47400；. 大亞灣核電運營管理有限公司電氣處，深圳 584）

汽輪發(fā)電機碳刷故障引起軸電流報警原因分析和應(yīng)急處理

王建濤1，張法朝2，趙 乾1，徐 超3，陳俊達1，吳永濤1，張文軍1
（1. 中廣核核電運營有限公司大修中心電氣分部，深圳 518124；2. 河南省澠池縣電業(yè)局，河南 澠池 472400；3. 大亞灣核電運營管理有限公司電氣處，深圳 518124）

某核電廠 3號汽輪發(fā)電機在大修幵網(wǎng)后出現(xiàn)軸電流高一段報警，其時間段與轉(zhuǎn)子接地保護舉刷時間吻合。檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護大軸碳刷在舉刷狀態(tài)下存在接地故障，引起8號瓦大軸處出現(xiàn)第2個接地點，軸電壓形成環(huán)流導(dǎo)致軸電流報警。因在運行中無法更換大軸碳刷，采用了斷開其電源線和信號線，使其不再舉刷從而消除故障點的臨時應(yīng)急處理措施；通過將接地保護繼電器連接至大軸碳刷的引線直接接地來維持信號極成轉(zhuǎn)子接地保護回路，成功消除了報警，轉(zhuǎn)子接地保護和發(fā)電機軸電流監(jiān)測裝置工作正常。經(jīng)設(shè)備大修解體檢查大軸碳刷，發(fā)現(xiàn)信號引線在碳刷內(nèi)部破皮，直接接觸到碳刷本體，引起接地故障，導(dǎo)致了軸電流報警。經(jīng)實踐證明，可增加在舉刷狀態(tài)及引線晃動狀態(tài)下的絕緣測量項目，有效地避克這類故障的發(fā)生，對類似發(fā)電機監(jiān)測裝置故障有較好的借鑒作用。

發(fā)電機；軸電流；報警；轉(zhuǎn)子接地保護；碳刷；故障

0 引言

2014年4月19日，某核電廠3號汽輪發(fā)電機（額定功率1086 MW，定子額定電壓24kV）在機組第4次大修后幵網(wǎng)發(fā)電，凌晨2:06出現(xiàn)軸電流高一段報警，不到1s后消失。在接下來的幾天均在2:06出現(xiàn)報警。其報警時間與發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護舉刷測量時間吻合。

經(jīng)對發(fā)電機軸電流進行錄波測量表明，在報警期間，軸電流從正常運行的0.04 A升高到約1.6 A，持續(xù)時間約10s，確實超過了軸電流高一段報警整定值，為真實報警。

第一次大修后本機也曾出現(xiàn)過 2次軸電流報警與轉(zhuǎn)子接地保護舉刷時間相吻合的現(xiàn)象，但之后報警未再次出現(xiàn)，未找到故障原因。本次軸電流報警連續(xù)出現(xiàn)，為尋找報警原因提供了可解決的方案。

1 原因分析

1.1軸電流監(jiān)測和報警裝置

發(fā)電機在正常運行中，會因各種原因在轉(zhuǎn)子大軸上產(chǎn)生對地電壓。為防止過高的軸電壓對軸承部件的損壞，在轉(zhuǎn)子汽端安裝大軸接地碳刷來鉗制電位。為防止軸電壓通過勵端軸瓦形成兩點接地引起環(huán)流，勵端軸瓦采用對地絕緣設(shè)計。

本機汽端軸瓦為 7 號瓦，安裝了接地碳刷。勵端軸瓦為8 號瓦，采用絕緣設(shè)計。如果8 號瓦在運行中絕緣過低，兩點接地引起環(huán)流增加，過大的電流則會損壞軸瓦。安裝軸電流監(jiān)測裝置（如圖1所示）可通過測量7 號瓦軸接地回路電流來反映8 號瓦的絕緣情冴。供貨商Alstom公司規(guī)定：當(dāng)軸電流超過0.2 A且持續(xù)10 s時，發(fā)一段報警，此時應(yīng)查明原因，關(guān)注發(fā)電機狀態(tài)。軸電流超過2 A時，無延時發(fā)二段報警，確認(rèn) 8 號瓦絕緣故障、電流升高，應(yīng)盡快安排停機。

圖1　軸電流監(jiān)測原理圖

1.2發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護裝置

本機采用Alstom公司MX3IPG2A交流注入式轉(zhuǎn)子接地保護，將40 V，50 Hz信號通過碳刷和滑環(huán)注入到大軸滑環(huán)和轉(zhuǎn)子負(fù)枀繞組之間，如圖2、3所示。正常運行期間，在電磁鐵控制下，碳刷每間隔 24 h舉刷1次，每次持續(xù)10 s，測量轉(zhuǎn)子對地絕緣電阻，實現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣定期監(jiān)測功能。

1.3軸電流報警原因分析

軸電流報警呈現(xiàn)規(guī)則的24 h間隔，可能與轉(zhuǎn)子接地保護舉刷有關(guān)。通過檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子接地保護舉刷時間與軸電流報警時間吻合。

如圖4所示，轉(zhuǎn)子接地保護裝置的大軸碳刷在舉刷狀態(tài)下與8號瓦處大軸相連接，若大軸碳刷在舉刷狀態(tài)下存在接地故障，則會在8 號瓦大軸處引起第2個接地點，等同于軸絕緣失效，從而引起軸電流增加、監(jiān)測裝置報警。

圖2　轉(zhuǎn)子接地保護裝置原理圖

圖3　轉(zhuǎn)子接地保護裝置碳刷圖

圖4　發(fā)電機軸電流監(jiān)測與轉(zhuǎn)子接地保護連接圖

轉(zhuǎn)子接地保護大軸碳刷接地故障點的等效電路圖如圖5所示。

圖5　發(fā)電機大軸碳刷接地故障點等效電氣圖

1.4大軸碳刷絕緣故障檢查

大軸碳刷與 1500 r/min旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)間隙僅2.5mm，無法拆除檢查。如果舉刷測量，大軸碳刷與轉(zhuǎn)子大軸直接接觸而無法絕緣。在大軸碳刷與滑環(huán)間插入1 mm厚的環(huán)氧樹脂絕緣板后測量絕緣，結(jié)果為0，用萬用表測量對地直阻僅1.6 Ω，確認(rèn)大軸碳刷存在接地故障點。

由于發(fā)電機運行中碳刷支架及碳刷離高速旋轉(zhuǎn)的整流輪和滑環(huán)距離過近，不具備更換碳刷條件，需要制定臨時的應(yīng)急處理方案，使軸電流裝置恢復(fù)正常運行，消除報警。

2 處理方案

2.1臨時應(yīng)急處理方案

分析軸電流裝置和轉(zhuǎn)子接地保護等效原理圖及連接圖，可斷開大軸碳刷在端子箱中的電源線和信號線，使其不再舉刷從而消除故障點。對于轉(zhuǎn)子接地保護，可將接地保護繼電器連接至大軸碳刷的引線直接接地來維持信號極成回路，如圖6所示。

圖6　臨時應(yīng)急措施連接圖

軸電流監(jiān)測和轉(zhuǎn)子接地保護原為2個獨立回路，臨時措施將大軸接地回路作為公用回路，即轉(zhuǎn)子接地保護的電流通過大軸接地碳刷回路和轉(zhuǎn)子接地保護繼電器的地端極成回路，等效電氣圖如圖6所示。

如圖7所示，接地保護繼電器中流過的電流與處理方案實施前無變化，對轉(zhuǎn)子接地保護測量無影響。

圖7　臨時應(yīng)急措施電氣圖

軸電流監(jiān)測裝置方面，轉(zhuǎn)子接地保護繼電器的注入電流將流過發(fā)電機大軸接地電纜，從而疊加到軸電流中。根據(jù)現(xiàn)場實際測量，轉(zhuǎn)子接地保護繼電器注入電流有效值為12mA。當(dāng)轉(zhuǎn)子接地保護舉刷的10s內(nèi)，軸電流將有約12 mA的上升，即從40 mA左右上升到52mA左右，遠(yuǎn)小于軸電流一段報警值200mA。另外，轉(zhuǎn)子接地保護繼電器內(nèi)部有限流電阻與電容，可保證保護繼電器出口短路時電流約24 mA。即使萬一運行中發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組接地故障，亦可保證軸電流僅會增加至64 mA左右，設(shè)備不會報警。

2.2臨時應(yīng)急處理方案實施效果

臨時應(yīng)急處理方案實施后，進行了3次手動舉刷測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣試驗，測量結(jié)果表明：發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護注入波形錄波正常，讀數(shù)穩(wěn)定。軸電流測量電流基本無變化，工作正常。

從臨時方案實施到大修停機7個多月間，軸電流再未出現(xiàn)報警，轉(zhuǎn)子接地保護工作正常。

2.3大軸碳刷接地故障的根本原因

嶺澳核電站二期1號機組第5次大修（L305）停機后對大軸碳刷進行了解體檢查，發(fā)現(xiàn)信號引線在碳刷內(nèi)部破皮，碰到了碳刷本體引起接地，如圖 8所示。

圖8　大軸碳刷接地故障點

破皮處在直線段，呈現(xiàn)明顯刮痕而非摩擦痕跡，刮痕與引線拐角痕跡同側(cè)；另外，直線段內(nèi)壁光滑，沒有摩擦外皮的部位，如果在運行中晃動摩擦，應(yīng)先磨破拐角而非直線段。引線一端由航空插頭固定，另一端由環(huán)氧螺釘固定，兩端均無松動現(xiàn)象。引線截面約4 mm2，硬度較高，在運行中不會晃動。

結(jié)合以上信息可判斷此故障原因為制造期間，穿信號線入孔時，孔的拐角刮破了線外皮，導(dǎo)致線芯與本體失去絕緣而接地。

第1次大修后報警2次就消失，原因是引線與碳刷本體有小的間隙，未完全接地。

2.4大軸碳刷接地故障反饋

由于引號線長度有限，檢查內(nèi)部引線必須剪斷航空接頭背面的接線，對更換的負(fù)枀碳刷及新更換的備件大軸碳刷引線的檢查方法可采用：拆開航空插頭，將內(nèi)部引線在各個方向上晃動，同時測量舉刷狀態(tài)下的絕緣。如果絕緣穩(wěn)定，可判斷無破皮。如引線在晃動過程中絕緣有變化，可斷定外表有破皮。

3 結(jié)論

發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護大軸碳刷在舉刷狀態(tài)下存在接地故障，引起8 號瓦大軸處出現(xiàn)第2個接地點，軸電壓形成環(huán)流導(dǎo)致軸電流報警。

由于在運行中無法更換大軸碳刷，只好通過斷開其電源線和信號線，使其不再舉刷從而消除故障點。對于轉(zhuǎn)子接地保護，通過將接地保護繼電器連接至大軸碳刷的引線直接接地以維持信號極成回路。采用上述臨時措施處理后，報警消除，幵且能保證轉(zhuǎn)子接地保護裝置和發(fā)電機軸電流監(jiān)測裝置正常工作。

大修中解體檢查大軸碳刷，發(fā)現(xiàn)信號引線在碳刷內(nèi)部破皮，碰到了碳刷本體，引起接地故障。通過增加在舉刷狀態(tài)下及對引線在晃動狀態(tài)下的絕緣測量項目，能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)這種故障，對發(fā)電機監(jiān)測裝置類似故障有較好的借鑒價值。

王建濤（1978-），1996年畢業(yè)于鄭州高科電力專科學(xué)校發(fā)電廠與電力系統(tǒng)專業(yè)，長期從事電氣設(shè)備檢修與試驗工作，研究員級高級工程師。

審稿人：沈梁偉

Research and Emergency Fixing of a Shaft Current High Alarm Caused by a Turbine Generator Carbon Brush Fault

WANG Jiantao1, ZHANG Fachao2, ZHAO Qian1, XU Chao3, CHEN Junda1WU Yongtao1, ZHANG Wenjun1
（1. MEE, MTD, China Nuclear Power Operation Co.Ltd., Shenzhen 518124, China; 2. Mianchi Power Administration, Mianchi 472400, China; 3. OEE, Dayabay Nuclear Power Management Co. Ltd, Shenzhen 518124, China;)

There was a turbine generator shaft current high phase I alarm after connected to the power grid in a nuclear power plant, the alarm time was close to the rotor earth protection carbon brush raising. It was found that the generator rotor earth protection shaft carbon brush was in an earth failure when it was raised. Then it leaded to a second earth point in No. 8 shaft, the shaft voltage was shorted and the shaft current alarmed. As it was impossible to replace the brush, the temporary emergency method cutting the power supply and signal cable of the brush was adopted. The brush would be no longer raised and earth point was rid. The temporary method get rid of the alarm successfully， what's more， the rotor earth protection and the shaft current monitoring device worked normally. In the outage, the brush was disassembled, it was found the signal cable was broken and touched the body inside the brush, and then the earth fault appeared. We added an insulation measurement item with cable was moving, the fault mode was avoided reliably.

generator; shaft current; alarm; rotor earth protection; carbon brush; fault

TM311

A

1000-3983(2016)03-0046-04

2015-05-26