大型燃機軸電壓軸電流異常原因分析及措施

李剛 李祥苓 于俊章 王樹春 郭英達

[摘 ? ?要]通過對大型燃機機組軸電壓、軸電流產生的原因分析，結合實際工程案例，提出了防止大型燃機軸電壓、軸電流偏高報警的幾種措施，通過實際案例分析，消除事故隱患，值得推廣。

[關鍵詞]軸電壓;軸電流;異常;措施

[中圖分類號]TM357 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]Through the analysis of the causes of shaft voltage and shaft current of large gas turbine unit， combined with the actual engineering case， several measures to prevent the alarm of high shaft voltage and shaft current of large gas turbine are proposed. Through the actual case analysis， the hidden danger of accident is eliminated， which is worthy of promotion.

[Keywords]shaft voltage; shaft current; abnormality; measure

大型燃機機組在啟動過程中會在大軸上產生嚴重的軸電壓和大的軸負荷電流，如果不對其進行監視和測量并采取一定的預防措施，當其軸負荷電流增大到能夠完全擊穿軸和滾動器之間的油膜后，就可能會在啟動過程中發生大規模的放電。輕則可能造成機械性的磨損，嚴重者可能導致主軸瓦燒毀。

1 故障現象

某大型發電廠930 MW級的燃氣—蒸汽聯合循環機組啟動投入使用后，#1、#2號燃機在DCS盤上報“軸電壓、軸電流高報警”報警信號。

2 產生軸電壓的原因分析

2.1 磁路不對稱

制造及設備安裝時磁路不對稱可以不影響燃機的正常運行，一般燃機的軸承都經過絕緣處理，因此這種軸電壓產生的軸電流很小，不會對燃機正常運行造成影響。但當燃機發生其他故障（例如偏心、轉子匝間短路）使磁路不對稱，從而產生的軸電流很大，對大型燃機正常運行影響很大。

2.2 轉子大軸磁化

磁通可以通過軸、軸承以及機座閉合。當它通過軸承時，由于垂直于軸，會在兩軸承間產生軸電壓，從而產生有害的渦流。由于燃機處于非穩定正常運轉情況時，在大軸、本體外殼處產生永久磁化現象。在特定條件下，軸向的剩磁會產生自勵，從而生成較大的軸電流，對大軸造成不可預計的損傷。

2.3 勵磁系統中高次諧波的影響

現在大多數大型燃機機組勵磁方式為靜止勵磁，靜止勵磁工作系統是導致軸電壓變化產生的重要原因。靜止勵磁系統主要是將脈動式交流電壓經靜態可控硅整流后輸出的直流電壓進行工作，其中包含相應的高次諧波分量，所以脈動電壓不可避免地出現在勵磁系統的輸出中。這種脈動電壓是產生軸電流的主要原因，軸電流會對潤滑油膜造成損傷，并對軸的各個接觸面產生電極性的腐蝕。

2.4 靜電效應

當燃氣輪機轉子高速旋轉時，其表面的毛刺、軸上的螺栓和冷卻風扇會與周圍的氣體摩擦而產生電能，產生靜電。高速噴射的燃氣在燃機轉子葉片產生靜電。靜電荷會積累在軸承油膜上，在一定程度會產生放電現象，導致軸承損壞。

2.5 傳輸回路的電磁干擾

從發電機本體測量裝置到控制系統的電纜屏蔽效果不好，控制系統卡件之間連接的線路受到其他電磁干擾，造成系統誤報，發出軸電壓、軸電流報警。

3 軸電壓、軸電流異常的危害

軸電壓異常后，如果大軸軸承的絕緣被損壞，就會產生很大的軸電流。軸電流是對燃機產成危害的主要原因。

軸流對燃氣輪機的危害主要體現在以下3個方面：

（1）軸電流通過軸承時，軸承溫度急劇上升，不利于正常工作。

（2）軸向電流引起傳動機械軸承與潤滑油之間的電離，破壞傳動油膜的高速穩定性，加速傳動機械潤滑油老化，降低其潤滑性能及傳動機械介電力學強度。

（3）當產生的軸電流較大時，軸瓦表面產生電弧放電，造成軸承局部燒損。軸承表面產生不平整小坑，破壞了表面光潔度。從長遠來看，軸承會因機械磨損加速而損壞，使軸承無法工作，嚴重時還會燒壞軸瓦。

4 大型燃機軸電壓、軸電流的在線監測裝置

大型燃機一般均配備在線的軸電壓、軸電流裝置。下面以某廠930 MW燃機電廠為例（圖1）介紹說明。

該設備是由燃機MARKⅥ控制系統來實現的，具有監視功能。在燃機MARKⅥ控制系統中實現在線實時監測軸電壓并發出報警及跳閘信號。9FB型燃機發電機（勵磁釆用靜態勵磁系統，雙通道互為備用）所選擇的GE軸電壓電流監視器裝置。

該裝置在發電機驅動端轉軸上安裝了四組接地碳刷，其中第2、第4組接地碳刷并聯連接后經低阻抗分流器進行接地，監測裝置通過直接測量該接地回路中的電阻兩端的電壓從而間接獲得了該接地回路電流的信號，若軸承電流大于超過了監測回路的整定值4 A（有效值），說明了發電機軸承油膜存在被擊穿的可能，導致主軸電流變大，監控裝置會自動向DCS控制盤上發出一個報警或者是跳閘的信號，以便及時檢查發電機軸電壓電流異常情況。另外第1、第3組碳刷并聯連接測量發電機轉軸的對地電壓，當該電壓的峰值大于整定值5 V時，計數器自動加1，到達計數器整定數值后，通過記錄電壓峰值出現的時間間隔計算得到軸頻率并發出報警信號。軸電壓的報警信號是一個軸頻率大于15 Hz的直流脈沖信號或者是一個可能小于15 Hz，大約在8 Hz以上的交流信號。

5 故障判斷情況

（1）由于燃機正常穩定運行，制造工藝合格，并沒有發生偏心或轉子匝間短路故障，首先排除了磁路不對稱導致的軸電壓升高因素。這不是產生報警的原因。

（2）一般在靜止整流裝置的作用下，發電機啟動運行時相當于電動機，啟動過程中，由于整流裝置產出高頻信號，軸電壓、軸電流裝置能夠檢測到高頻信號進行報警。定速3000r/min以后，高頻裝置退出運行，軸電壓、軸電流裝置能夠檢測到高頻信號自動消失。并網以后此時產生的磁通量在發電機正常運行工況下已被消除，不會造成軸電壓過高報警。這不是產生報警的原因。

報警信號發出后在就地發電機實測軸電壓，現場實測結果表明，燃機軸電壓、軸電流正常，發電設備無故障，判斷就地發電機軸電壓監測裝置發生故障。

（3）燃氣發電機裝設的接地碳刷是消除靜止勵磁系統產生的軸電壓以及靜電效應產生的軸電壓的重要組成部分，同時接地碳刷也是軸電壓現場檢測裝置的關鍵設備。根據現場接線原理圖，對發電機軸電壓測量回路進行了測量，并對接地碳刷進行了檢查，發現部分接地碳刷端部過短，更換新的接地碳刷，清理接地碳刷周圍的污垢及轉子大軸接觸面，使其與接地碳刷有良好的接觸。軸電壓報警未消除。排除此項產生報警的原因。

（4）根據接線原理圖，應檢查控制回路的電壓及在線監測設備控制的電纜，該控制回路的電纜必須帶有屏蔽層并進行接地，需要可靠性的接地。就地檢查該設備的電纜屏蔽層是否能夠可靠的進行接地，接地電阻值為0.06Ω，符合不大于1Ω的規定。接地系統良好，這不是造成軸電壓升高報警的原因。

具體如圖2所示。

（5）通常在靜態勵磁系統中采用RC濾波元件的方式來過濾換相產生的高次諧波，整流橋由6個可控硅管橋臂元件構成，可控硅的阻容保護并聯在RC兩端，主要作用是吸收可控硅換相時的過電壓，限制可控硅兩端的電壓上升率，有效防止誤導通。但由于功率大，過電壓的影響大，電阻功率過載，溫度很高，電容擊穿的可能還是存在的，這將導致交流電串入直流，產生較高的軸電壓頻率。在勵磁系統中存在兩個整流橋M1、M2，就地切換M1、M2整流橋分別工況運行時，軸電壓報警依舊存在，這也不是造成報警的原因。

（6）檢查就地在線監測裝置控制回路，通過信號監測裝置發現有其他信號傳入裝置，將此類信號屏蔽后，軸電壓報警消失。

6 防護措施

通過本案例，總結大型燃機機組預防及處置軸電壓、軸電流報警問題，需要進行以下防范措施。

（1）發電機機組轉子所有被磁化的部件都需要進行退磁，以避免剩磁而引起轉子的單極軸上高電壓。

（2）定期檢查接地碳刷長度，對過短的碳刷及時更換。

（3）檢查監測軸電流軸電壓信號的電纜屏蔽層是否可靠接地。電纜屏蔽層必須與主接地系統具有良好的連接，接地電阻值應不大于1Ω。連接線截面面積應高于4m2。

（4）增加軸對地電容，減少電容與電壓之間的比值，減少勵磁系統在高頻電壓時峰值的頻率，這樣就解決了勵磁系統中產生的高次諧波引起軸對地電壓過高的問題。

（5）注意屏蔽在線檢測裝置中控制回路的信號干擾。

7 結束語

軸電壓異常在通常情況下不會出現，但如果不對軸電壓進行監測，當出現異常情況時，會產生很大的危害，對電力安全生產造成隱患。所以監測軸電壓的監測裝置是十分重要的，軸電壓在線監測裝置可以及時發現異常現象，從而快速準確的處理故障點。所以保證設備的穩定和運行是至關重要的。定期檢查接地碳刷，及時做好預防措施，使燃機機組能更高效、更安全地運行，從而產生更大的經濟效益。

參考文獻

[1] 陳世坤.電機設計[M].北京：機械工業出版社，2005.