汽輪發(fā)電機軸電流報警原因分析及處理

黃 巍，徐雷鳴，李 寬

(中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳 518124)

某電廠3號汽輪發(fā)電機(型號為TA1100-78，額定功率為1 150 MW，額定電壓為24 kV)自商運并網(wǎng)后多次出現(xiàn)軸電流高一段報警，其中2015年3月20日到6月22日，共曾閃發(fā)過43次發(fā)電機軸電流高一段報警(3GEX611KA),最長一次的報警持續(xù)時間約3.5 h。在報警期間使用錄波儀器就地錄得軸電流波形為50 Hz交流正弦畸變波形，測得電流值在軸電流高一段報警整定值為0.2 A左右，檢查確定報警為真實的。現(xiàn)場檢查確認發(fā)電機汽端7 W接地碳刷接觸良好，無卡澀、火花等異常情況，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組絕緣在線監(jiān)測以及氣隙波形均正常。

1 軸電流的危害及監(jiān)測

1.1 軸電流的危害

發(fā)電機由于結構和制造工藝限制，定轉(zhuǎn)子空間氣隙不同心、不對稱的磁力線旋轉(zhuǎn)在大軸上感應電位，及轉(zhuǎn)子繞組、大軸與地組成的電容效應加上汽輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)與介質(zhì)產(chǎn)生的相對摩擦，以及高速噴射的蒸汽流與汽輪機動葉片間的摩擦所產(chǎn)生的電荷累積靜電效應等諸多因素，都會在發(fā)電機運行時使轉(zhuǎn)子大軸表面產(chǎn)生軸電壓。正常運行情況下的軸電壓值很小在幾伏到幾十伏之間，對應軸電流也小，對設備并無影響。如果發(fā)電機兩端軸承絕緣失效，軸電壓則會通過大軸形成回路，產(chǎn)生軸電流，將會導致軸頸和軸瓦之間產(chǎn)生小電弧侵蝕，破壞軸瓦油膜，使軸瓦溫度升高，潤滑油碳化變質(zhì)，導致軸瓦磨損等狀況[1]。若軸電流過大，其電流密度超過0.2 A/cm2后，則會造成發(fā)電機軸頸、軸瓦等的電蝕燒傷(形成麻點、麻坑)以及發(fā)電機轉(zhuǎn)軸、汽輪機動靜部分的磁化，甚至造成發(fā)電機的異常振動而被迫停機[2]。

1.2 軸電流的監(jiān)測

為了有效地在線監(jiān)測發(fā)電機軸電流的大小變化，同時考慮發(fā)電機在運行過程中軸電壓是不可避免而存在的，也為了防止過高的軸電壓對軸瓦油膜擊穿造成軸承損傷，如圖1所示某電廠3號汽輪發(fā)電機采用了在發(fā)電機轉(zhuǎn)子汽端安裝大軸接地碳刷來鉗制電位，即在發(fā)電機汽端7 W處用5支碳刷并聯(lián)有效接地，同時在大軸接地電纜上裝設雙繞組式電流互感器以精確測量整個軸系的接地電流，也即為軸電流，來反映軸系是否有第二個接地點使軸電壓形成了環(huán)流。為防止軸電壓通過發(fā)電機勵端軸瓦形成兩點接地引起環(huán)流，勵端軸瓦即8 W處采用對地絕緣設計,保證運行過程中發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸僅有一點接地。另根據(jù)發(fā)電機廠家規(guī)定：軸電流有效值高于0.2 A持續(xù)10 s以上，發(fā)軸電流高一段報警(GEX611KA)，此時應查明原因，關注發(fā)電機狀態(tài)；高于2 A(有效值)無延時發(fā)軸電流高二段報警(GEX612KA)，若確認8號瓦絕緣故障導致大軸存有第二個接地點,應盡快安排停機[3]。

圖1 軸電流監(jiān)測示意圖

2 原因分析

2.1 軸電流波形特性分析

由軸電壓產(chǎn)生機理可知,在機組運行過程中,軸電流的形成回路主要分為汽輪機轉(zhuǎn)子大軸和發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸兩個回路。其中汽輪機轉(zhuǎn)子大軸上的軸電壓主要來自靜電效應，其形成的回路軸電流波形特性為單極直流特征；而在發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸上的軸電壓除轉(zhuǎn)子繞組絕緣下降或接地造成的軸電壓外，其他主要來自為旋轉(zhuǎn)的不對稱磁場，其形成的回路軸電流波形特性為交變特征。通過在某電廠3號汽輪發(fā)電機報警期間錄取的軸電流波形(見圖2)分析可知，該軸電流波形呈明顯的基頻50 Hz交流特征對稱，且對波形通過傅里葉變化進行頻譜分析，該波形頻譜以50、150、250 Hz等奇次諧波為主要成分。初步判斷該軸電流來自發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸回路，也即是發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸除汽端7 W接地點外，還存有另一個隨機或不穩(wěn)定接地點。

圖2 發(fā)電機軸電流報警波形

2.2 模擬對比

為了驗證發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸回路兩點接地造成的軸電流波形呈交流特征，以進一步判斷確認某電廠3號發(fā)電機軸電流報警為發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸存有第二個接地點造成，故采用在汽輪機轉(zhuǎn)子大軸3 W處和發(fā)電機勵端8 W大軸處分別通過串接1～2 Ω的接地電阻使大軸模擬故障接地產(chǎn)生軸電流高報警，并使用錄波器錄取軸電流波形(見圖3、圖4)。

圖3 汽輪機轉(zhuǎn)子大軸模擬故障軸電流波形

通過對模擬故障的軸電流波形分析對比可知，在汽輪機轉(zhuǎn)子大軸模擬故障報警的軸電流波形特性呈現(xiàn)明顯的單極直流特性，電流值均在Y軸一側，為脈動直流電流。而在發(fā)電機8 W模擬故障軸電流波形與某電廠3號發(fā)電機軸電流報警波形特性一致，均為基頻50 Hz交流特征對稱，頻譜均以50、150、250 Hz等奇次諧波為主要成分。

圖4 發(fā)電機8 W處模擬故障軸電流波形

2.3 原因分析

根據(jù)故障模擬對比分析可知，某電廠3號發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸在運行過程中存有除汽端之外的第二個接地點。由現(xiàn)場結構可知，發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸連接部位有三部分，分別為勵端8 W部件、勵磁機轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組絕緣監(jiān)測在線裝置。由于勵磁機轉(zhuǎn)子為懸掛式，且勵磁機定轉(zhuǎn)子有約3 mm氣隙，因此發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸不可能通過勵磁機轉(zhuǎn)子接地。同時發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組絕緣監(jiān)測在線裝置為24 H投運一次，且現(xiàn)場確認發(fā)電機軸電流報警時間與該絕緣在線監(jiān)測裝置投運時間不一致，故判斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸第二個接地點位于勵端8 W部件處，考慮發(fā)電機勵端8 W為絕緣部件，因此判斷為8 W處大軸對地絕緣部件存在短時或隨機絕緣下降故障，造成發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸接地。

3 檢查結果及分析

3.1 發(fā)電機8 W絕緣結構

在結構設計上勵端8 W與汽端軸瓦很相似，但是不同的是8 W所有與大軸接觸的部分包括軸承、外油檔、內(nèi)油檔甚至測振探頭支架在內(nèi)的所有部件都有絕緣結構，如圖5所示。首先勵端軸承采用雙層絕緣設計，即將軸承支撐環(huán)(又稱瓦套)分為兩層，在每個支撐環(huán)的背部和直口上裝有絕緣板，絕緣環(huán)分為上下兩半，以此防止大軸通過瓦片、軸瓦與軸承接地，并且每輪檢修回裝軸瓦后會對兩絕緣層的軸承套進行絕緣測量，以保證軸瓦與大軸絕緣良好。

其次發(fā)電機內(nèi)、外油檔與端蓋連接處有一圈絕緣層，相應安裝固定螺栓均加裝絕緣套，且內(nèi)、外油檔與大軸之間的間隙均不小于0.10 mm的安裝要求。而密封瓦通過勵端特有的結構密封瓦過渡環(huán)再與端蓋連接，過渡環(huán)與端蓋連接處有絕緣層設計，并且所有的固定螺栓也帶有絕緣管套。每輪大修過渡環(huán)、內(nèi)外油檔回裝后都會對絕緣板進行絕緣測量，從而保證了內(nèi)、外油檔及密封瓦與發(fā)電機本體的絕緣良好。

為防止大軸通過油管接地，勵端高壓油管在中間轉(zhuǎn)接處也采用了特殊結構絕緣接頭，其上下兩半相互絕緣，且每輪大修油管回裝后都會對接頭進行絕緣測量。此外，大軸上的探頭固定支架與端蓋本體間加有絕緣板，亦保證了探頭的對地絕緣。絕緣結構與檢查手段可有效保證轉(zhuǎn)子大軸不能通過與其直接相連的瓦片、內(nèi)外油檔和密封瓦接地，也保證了間接相連的油管和探頭的對地絕緣。

圖5 發(fā)電機8 W絕緣結構示意圖

3.2 發(fā)電機勵端8 W解體檢查結果

(1)8 W解體期間絕緣測量結果如表1所示。

表1 8 W解體期間絕緣測量

(2)檢查8 W絕緣部件各絕緣引線均固定良好，無破損、老化開裂現(xiàn)象。

(3)檢查8 W絕緣部件絕緣層、絕緣板及絕緣套無老化、開裂、破損現(xiàn)象。

(4)在對高壓油管檢查時，發(fā)現(xiàn)側瓦油管上半部分(連接軸瓦)與端蓋軸承壓蓋外環(huán)即小端蓋(端蓋本體接地)存有直接接觸點(見圖6)，運行期間可造成軸瓦接地。

(5)機械檢查8 W側瓦與大軸接觸面存有發(fā)黃過熱痕跡。

圖6 高壓油管接觸點

3.3 故障過程分析

從對8 W的檢查結果可以確定之前的原因判斷是完全正確的，確為8 W部件存在絕緣喪失導致發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸兩點接地引發(fā)軸電流高閃發(fā)報警，其故障過程分析如下。

(1)由于側瓦高壓頂軸油管安裝不規(guī)范或運行期間的震動，導致油管上半部分(連接軸瓦)與端蓋軸承壓蓋外環(huán)存有直接接觸點。雖然高壓油管在回裝時進行了絕緣測量，不過該絕緣值僅能說明高壓油管中間轉(zhuǎn)接處絕緣是有效的，遂未能發(fā)現(xiàn)該處絕緣失效點，該直接接觸點造成導致軸瓦對地絕緣失效。此外，正常情況下，軸瓦與大軸之間通過油膜進行絕緣，不過長期運行過程中，由于雜質(zhì)等因素，造成潤滑油絕緣性能下降，導致大軸通過軸瓦導通，最終大軸通過軸瓦接地，引發(fā)軸電流高一段報警，同時軸電流進一步造成8 W潤滑油溫度升高，進而造成接觸面發(fā)黃。

(2)外油檔絕緣層與端蓋本體絕緣失效，在正常工況下，由于外油檔與大軸之間存有一定的間隙，不會造成大軸的接地。但是在長期運行中，由于環(huán)境灰塵、油污等因素，導致外油檔與大軸間隙被臟污雜質(zhì)填充，其雜質(zhì)絕緣性能較低，從而使大軸通過外油檔接地，引發(fā)軸電流高一段報警。不過外油檔與大軸之間的臟污雜質(zhì)被大軸不斷的旋轉(zhuǎn)遷移，使大軸在該處的接地為非穩(wěn)定性接地，從而導致軸電流頻繁閃發(fā)。

4 處理措施及結果

針對檢查結果,為保證運行期間發(fā)電機勵端8 W絕緣性能的有效性,避免大軸產(chǎn)生軸電流高報警的出現(xiàn),在大修回裝階段制定以下處理措施。

(1)在回裝外油檔時，對外油檔絕緣層進行了更換，并對外油檔絕緣層以及螺栓絕緣套進行徹底清潔檢查，回裝前后分別測量確認絕緣合格。

(2)在回裝8 W高壓油管時，檢查確認高壓油管安裝規(guī)范，對油管與軸承壓蓋及端蓋接觸部位進行了熱縮套絕緣防護改進(見圖7),確保與軸承壓蓋或端蓋無接觸點。

圖7 高壓油管絕緣防護改進

(3)8 W各絕緣部件回裝前后，均需進行絕緣測量，確認絕緣合格。

(4)為排除潤滑油及頂軸油油品質(zhì)的影響,要求在軸瓦進油前后，分別測量8 W部件對地絕緣，以下為充油后各部件絕緣測量結果如表2所示，結果均合格。

表2 8 W充油后絕緣測量

通過這些處理措施，保證了8 W的絕緣性能，徹底解決了某電廠3號發(fā)電機8 W絕緣低引起軸電流高報警的缺陷，保證了機組的安全穩(wěn)定運行。同時，也為其他同類型機組在8 W絕緣部件安裝控制上明確了相應的反饋措施。

5 結語

發(fā)電機勵端8 W外油檔和端蓋間絕緣失效，加上側瓦高壓油管上半部分與端蓋軸承壓蓋外環(huán)接觸絕緣失效，長期運行下大軸與油膜間存在臟污雜質(zhì)，導致發(fā)電機大軸通過外油檔和油管接地，引發(fā)軸電流升高導致軸電流閃發(fā)報警。

雖然發(fā)電機8 W處的絕緣結構較為完善，但在運行情況復雜，加上油質(zhì)影響，仍有油膜被擊穿的可能，所以做好軸承絕緣和各監(jiān)測部件對地絕緣就顯得尤為重要了。通過這次故障分析，為進一步完善維修程序、杜絕運行中的隱患打下鑒定基礎，同時能準確發(fā)現(xiàn)這種故障原因，對發(fā)電機監(jiān)測裝置的類似故障有較好的借鑒作用。