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(rèn)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(jié)構(gòu)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(yīng)電位，及轉(zhuǎn)子繞組、大軸與地組成的電容效應(yīng)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(yīng)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(yīng)軸電流也小，對設(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(yīng)查明原因，關(guān)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(rèn)8號瓦絕緣故障導(dǎo)致大軸存有第二個接地點,應(yīng)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(yīng)，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(rèn)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(cè)，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(jié)構(gòu)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(rèn)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(jié)果及分析

3.1 發(fā)電機8 W絕緣結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)，如圖5所示。首先勵端軸承采用雙層絕緣設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖

3.2 發(fā)電機勵端8 W解體檢查結(jié)果

(1)8 W解體期間絕緣測量結(jié)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(cè)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(cè)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(jié)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(dǎo)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(cè)瓦高壓頂軸油管安裝不規(guī)范或運行期間的震動，導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致大軸通過軸瓦導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致軸電流頻繁閃發(fā)。

4 處理措施及結(jié)果

針對檢查結(jié)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(rèn)絕緣合格。

(2)在回裝8 W高壓油管時，檢查確認(rèn)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(rèn)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(jié)果如表2所示，結(jié)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(yīng)的反饋措施。

5 結(jié)語

發(fā)電機勵端8 W外油檔和端蓋間絕緣失效，加上側(cè)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(dǎo)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(dǎo)致軸電流閃發(fā)報警。

雖然發(fā)電機8 W處的絕緣結(jié)構(gòu)較為完善，但在運行情況復(fù)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(chǔ)，同時能準(zhǔn)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。