1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)軸電壓高的分析及處理

張建紅 / 東方電機(jī)有限公司

1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)軸電壓高的分析及處理

張建紅 / 東方電機(jī)有限公司

本文以某電廠1000MW發(fā)電機(jī)因軸電壓引起的軸承損傷為例，對(duì)軸電壓產(chǎn)生的過(guò)程進(jìn)行了闡述，分析了問(wèn)題產(chǎn)生的原因，作者認(rèn)為軸電壓的形成主要是由磁路不對(duì)稱引起，同時(shí)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)可加劇對(duì)諧波分量的影響，機(jī)組正常監(jiān)控軸承等部件的絕緣值滿足要求即可安全運(yùn)行。

軸電壓；發(fā)電機(jī)；交流分量

一、引言

作為世界上單機(jī)容量最大的超超臨界發(fā)電機(jī)，1000MW級(jí)超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高的特點(diǎn)。隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，1000MW級(jí)大容量發(fā)電機(jī)也成為電力發(fā)展的優(yōu)先選擇。

本文介紹了某電廠一起1000MW發(fā)電機(jī)軸電壓偏高的情況，對(duì)具體現(xiàn)象、形成原因、處理結(jié)果進(jìn)行了闡述。對(duì)處理后的設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行跟蹤表明，本文中的處理方法對(duì)同類型問(wèn)題處理具有較大的參考價(jià)值。

二、問(wèn)題描述及檢查情況

某電廠1#機(jī)，是東方與日立聯(lián)合設(shè)計(jì)、自主制造的QFSN-1000超超臨界發(fā)電機(jī)，具有技術(shù)含量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)［1］。

機(jī)組啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)連續(xù)多次出現(xiàn)了勵(lì)端外擋油蓋冒白煙的現(xiàn)象。運(yùn)行人員檢查勵(lì)端潤(rùn)滑油回油視察窗，發(fā)現(xiàn)回油量極小并且油質(zhì)不好，檢查發(fā)現(xiàn)勵(lì)端及穩(wěn)定軸承擋油蓋磨損嚴(yán)重。之后發(fā)電機(jī)在盤(pán)車狀態(tài)下，打開(kāi)勵(lì)端上半外油擋，并檢查穩(wěn)定軸承擋油蓋。通過(guò)檢查端蓋內(nèi)及潤(rùn)滑油回油觀察窗發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵(lì)端潤(rùn)滑油回油暢通，油質(zhì)良好（此時(shí)使用的為啟動(dòng)油泵）。勵(lì)端外油擋油齒有明顯磨損痕跡，大軸與軸瓦之間出現(xiàn)了一些銀色小異物，勵(lì)端軸承擋油蓋也有一定量的磨損（圖1）。

圖1　外擋油蓋磨損

測(cè)量勵(lì)端軸瓦絕緣，500搖表僅有0.01M，按廠家要求軸瓦絕緣電阻應(yīng)大于1M。絕緣不合格。

將勵(lì)端下半軸瓦翻出，發(fā)現(xiàn)下半軸瓦有明顯磨損及電腐蝕現(xiàn)象，頂軸油孔已完全被鎢金堵塞，測(cè)量下半軸承套絕緣為零。

將勵(lì)端下半軸承套吊出，現(xiàn)場(chǎng)清理并測(cè)絕緣，絕緣值恢復(fù)，500V搖表測(cè)量絕緣電阻為550MΩ，懷疑鎢金磨損產(chǎn)生的雜質(zhì)形成對(duì)地通路。

發(fā)電機(jī)停機(jī)后，通過(guò)詳細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)勵(lì)端下半軸瓦嚴(yán)重磨損，出現(xiàn)了嚴(yán)重的電腐蝕現(xiàn)象，且有成片鎢金脫落，頂軸油孔被鎢金完全堵塞，中間油槽有大量鎢金殘留（圖2）。

圖2　軸瓦嚴(yán)重磨損

翻出穩(wěn)定軸瓦，下半軸瓦有明顯磨損情況，進(jìn)油孔基本被鎢金封堵，情況與下半軸瓦情況類似（圖3）。

圖3　穩(wěn)定軸瓦磨損圖

圖4　軸電壓測(cè)量示意圖

根據(jù)現(xiàn)有的研究，認(rèn)為軸電壓偏高的主要原因有［2］：磁通脈動(dòng)；單極效應(yīng)；電容電流；靜止勵(lì)磁機(jī)；外殼、軸和軸承座的永久性磁化引起的軸電壓。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)損壞的軸瓦、擋油蓋及穩(wěn)定軸瓦進(jìn)行了更換后再次啟動(dòng)，為了驗(yàn)證軸電壓的影響，技術(shù)人員分階段對(duì)軸電壓進(jìn)行了測(cè)量。

在額定電壓、額定轉(zhuǎn)速下空栽運(yùn)行。測(cè)量示意圖如圖（圖4），用高內(nèi)阻交流電壓表先測(cè)定軸電壓U 1 ，然后將轉(zhuǎn)軸一端與其軸承座短接，測(cè)另一端對(duì)軸承座對(duì)地的電壓U 2 （即油膜電壓），再測(cè)該軸承座對(duì)地的電壓U 3 。測(cè)點(diǎn)表面與電壓表引線應(yīng)接觸良好，試驗(yàn)前分別檢查軸承座與金屬墊片、金屬墊片與金屬底座之間的絕緣電阻。

表1　軸電壓測(cè)量數(shù)據(jù)

通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)（表1）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通入勵(lì)磁電壓，軸電壓隨之明顯增大。測(cè)量勵(lì)磁電壓的交流分量時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在頻率為300Hz，大小在351V的交流分量?？紤]到勵(lì)磁系統(tǒng)六脈沖可控硅橋會(huì)引起的諧波，懷疑勵(lì)磁電壓中包含的六倍頻交流分量可能會(huì)引起發(fā)電機(jī)軸電壓高。

為了確認(rèn)勵(lì)磁電壓六倍頻交流分量對(duì)軸電壓的影響，廠家專業(yè)人員在現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)機(jī)組不同負(fù)荷下的勵(lì)磁電壓300Hz交流分量進(jìn)行了測(cè)量，并在機(jī)組沖轉(zhuǎn)及并網(wǎng)過(guò)程中進(jìn)行了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自并勵(lì)后，降勵(lì)磁電壓（觀察勵(lì)磁電壓300Hz諧波分量變化情況）與軸電壓大小關(guān)系試驗(yàn)?？偨Y(jié)了上述測(cè)量結(jié)果，勵(lì)磁點(diǎn)電壓中300Mhz交流分量對(duì)軸電壓的影響見(jiàn)表（表2）。

表2　交流分量對(duì)軸電壓的影響

根據(jù)測(cè)量結(jié)果分析，當(dāng)勵(lì)磁電壓中300Hz交流分量達(dá)到353V時(shí)，隨著勵(lì)磁電壓上升，該交流分量將不再隨之上升，對(duì)應(yīng)軸電壓值在42V左右。降低勵(lì)磁電壓時(shí)，當(dāng)勵(lì)磁電壓中300Hz交流分量降至260V時(shí)軸電壓降為21.11V。當(dāng)勵(lì)磁電壓中300Hz交流分量降為213.6V時(shí)軸電壓降為2.112V。

三、問(wèn)題分析及處理

根據(jù)檢查情況分析，推斷出現(xiàn)此次問(wèn)題的機(jī)理應(yīng)為：絕緣電阻低→軸電壓高引起油膜擊穿造成電腐蝕→電腐蝕逐漸擴(kuò)大，軸瓦磨損，軸瓦溫度高→軸中心偏移→振動(dòng)變大，擋油蓋、穩(wěn)定軸瓦等隨之磨損導(dǎo)致振動(dòng)進(jìn)一步加大［3］。

根據(jù)翻瓦情況，軸承套出現(xiàn)大量銹跡，軸瓦進(jìn)油口側(cè)上下半軸瓦有大面積的電灼傷痕跡。由此懷疑潤(rùn)滑油內(nèi)水氣含量超標(biāo)導(dǎo)致軸承套產(chǎn)生大量銹跡。被磨軸瓦產(chǎn)生的金屬雜質(zhì)與油混合加之潤(rùn)滑油水氣含量偏高，從而導(dǎo)致軸承絕緣降低。在軸電壓過(guò)高的情況下?lián)舸┯湍?，灼傷軸瓦。

隨著軸瓦灼傷，軸瓦逐步被磨損后導(dǎo)致大軸中心偏移，軸振10X探頭間隙超標(biāo)，無(wú)法測(cè)量相應(yīng)軸振數(shù)據(jù)。當(dāng)大軸與勵(lì)端外擋油蓋發(fā)生摩擦后，振動(dòng)進(jìn)一步增大。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)勵(lì)磁電壓中300Hz交流分量為353V左右時(shí)，隨著負(fù)荷變化該交流分量幅值不再發(fā)生變化。所對(duì)應(yīng)的軸電壓為42V左右，其值也不再發(fā)生改變。而在起勵(lì)后降低勵(lì)磁電壓，其300Hz交流分量逐步降至260V時(shí)軸電壓降為21.11V。當(dāng)勵(lì)磁電壓中300Hz交流分量降為213.6V時(shí)軸電壓降至2.112V。由此認(rèn)為正常起勵(lì)后勵(lì)磁電壓中300Hz交流分量幅值過(guò)大是造成軸電壓過(guò)大的主要原因。

為了降低軸電壓，采取如下辦法：

1.鑒于軸電壓已經(jīng)高于40V，并且已經(jīng)造成軸瓦等設(shè)備的損壞，在無(wú)其他成熟經(jīng)驗(yàn)及可借鑒的條件下，在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)增加RC回路實(shí)驗(yàn)找到降低軸電壓的可行措施［4］。

2.根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)近幾次的測(cè)量情況，在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)得軸電壓為46.6V，其中基波含量約33V，三次諧波分量約23V。為降低軸電壓同時(shí)需控制軸電流于有限范圍內(nèi)，防止擊穿油膜造成對(duì)大軸的電腐蝕損傷，參考相關(guān)論文，決定在現(xiàn)場(chǎng)利用已安裝勵(lì)磁端接地碳刷，加裝RC臨時(shí)試驗(yàn)回路。

3.根據(jù)廠家建議軸電流不能超過(guò)0.2A的要求，回路中串入熔斷器，保證過(guò)流時(shí)可靠斷開(kāi)。RC回路中C取10μF，R取500Ω。R1取可變滑阻器，滿量程取2kΩ（5A）。

4.試驗(yàn)方法：從R1最大值開(kāi)始往下調(diào)節(jié)，緩慢降低電阻值，通過(guò)頻譜分析儀和電壓表觀察軸電壓的幅值變化，通過(guò)電流表觀察軸電流的幅值變化，嚴(yán)格控制軸電流在0.2A之內(nèi)，跟蹤觀察軸電壓變化情況（運(yùn)行中試驗(yàn)）。

5.注意事項(xiàng)：增加熔斷器（1A）保證回路電流過(guò)大時(shí)可靠斷開(kāi)；增強(qiáng)回路絕緣，防止誤碰，誤接地；R1調(diào)節(jié)時(shí)由高到低緩慢調(diào)節(jié)，防止大軸兩點(diǎn)接地，嚴(yán)格控制電流在0.2A以內(nèi)；密切關(guān)注軸電壓水平，堤防不可預(yù)知的諧振電壓出現(xiàn)；運(yùn)行人員密切注意瓦溫、瓦振、油溫、回油量等工況，做好應(yīng)急預(yù)案。

四、總結(jié)

加裝RC回路后，發(fā)電機(jī)軸電壓降至15～18V水平，較之前的40V大大降低。進(jìn)過(guò)1年多的跟蹤運(yùn)行觀察，軸電壓水平穩(wěn)定，未再出現(xiàn)軸瓦、擋油蓋因軸電壓高造成的損傷。

參考相關(guān)資料文獻(xiàn)，作者認(rèn)為軸電壓的形成主要是由磁路不對(duì)稱引起，同時(shí)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)可加劇對(duì)諧波分量的影響。GB/T 7064-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軸電壓并不是一個(gè)限制性指標(biāo)，對(duì)于軸電壓引起軸瓦、擋油蓋燒損的問(wèn)題，從機(jī)組結(jié)構(gòu)上講，只要軸承等相應(yīng)部件絕緣電阻滿足要求，就不會(huì)造成實(shí)質(zhì)性損壞。

［1］黃學(xué)剛.1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)制造工藝創(chuàng)新點(diǎn) ［Z］.《東方電機(jī)》，2008.2.

［2］王宇.大型汽輪發(fā)電機(jī)軸電壓及軸瓦電腐蝕研究 ［J］.《東方電機(jī)》，2008.2.

［3］胡高舉，鄭才剛，韋云隆.大電機(jī)軸電壓研究 ［J］.《機(jī)械》，2001， 28（3）：63-65.

［4］姜彤，周春陽(yáng)，徐永金，張志富.汽輪發(fā)電機(jī)中靜止勵(lì)磁軸電壓的分析與抑制 ［J］.《電力系統(tǒng)保護(hù)與控制》， 2012，40（06）：142-146.

張建紅（1982-），四川綿陽(yáng)人，長(zhǎng)期在東方電機(jī)有限公司從事發(fā)電機(jī)的安裝、運(yùn)行、維護(hù)工作。