核電站用發(fā)電機(jī)軸電流高報警問題分析及實(shí)例修復(fù)

柳 菲，宋 波，徐 超，袁振亞，趙 成

(蘇州熱工研究院有限公司，廣東深圳 518026)

0 引言

通常來說，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸電壓達(dá)到幾伏時便會產(chǎn)生軸電流，但有時在更低的電壓時也能產(chǎn)生軸電流。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)軸軸系整個回路電阻極小，軸電流數(shù)值有時可高達(dá)數(shù)安培，引起發(fā)電機(jī)軸承電弧，軸承鎢金因電弧灼燒破壞油膜剛度，導(dǎo)致軸瓦合金上出現(xiàn)放電點(diǎn)，俗稱放電腐蝕[1]。發(fā)電機(jī)持續(xù)運(yùn)行，放電腐蝕不斷積累惡性循環(huán)，軸電流會很快破壞軸承表面，進(jìn)一步發(fā)展可能燒毀軸瓦，磨損轉(zhuǎn)子主軸，造成核電廠主設(shè)備非計劃停機(jī)，突然停機(jī)的沖擊甚至可能導(dǎo)致停堆。

1 軸電壓和軸電流的故障原因分析[2-7]

由于發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中軸電壓的產(chǎn)生是不可避免的，其產(chǎn)生原因主要有以下幾個方面：1)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子始終在交變的磁場下運(yùn)行，轉(zhuǎn)軸即使屬于低導(dǎo)磁材料，也容易磁化而產(chǎn)生單極電壓。2)發(fā)電機(jī)鐵心由于硅鋼片制造和裝配工藝的限制，導(dǎo)致不均衡疊壓而引起不對稱電壓。3)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)軸表面高速流過的水汽無法避免、導(dǎo)致在整個轉(zhuǎn)動軸系部件上聚集靜電荷，產(chǎn)生靜電電壓。4)勵磁系統(tǒng)阻抗耦合產(chǎn)生的電壓也會作用到轉(zhuǎn)軸軸系上。

雖然軸電壓不可避免，但是在規(guī)程允許范圍內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生軸電流，產(chǎn)生軸電流可能的原因如下：1)發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，本應(yīng)絕緣的軸承座絕緣系統(tǒng)受到損壞，比如絕緣受潮、臟污、特殊的機(jī)械損傷；應(yīng)絕緣的軸承座油管絕緣因各種原因損壞，導(dǎo)致軸承座或者油管與大地導(dǎo)通形成回路，在軸電壓的作用下產(chǎn)生軸電流。2)接地碳刷由于松脫、接觸點(diǎn)氧化、線路絕緣破損、導(dǎo)線短接等接觸不良原因使觸膜電阻增大，軸電壓也隨之提高，當(dāng)高于底板接地點(diǎn)電位時，導(dǎo)致軸承內(nèi)部產(chǎn)生軸電流。

2 軸電壓與軸電流的相關(guān)要求和規(guī)定

發(fā)電機(jī)在交接試驗(yàn)和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程中規(guī)定：測軸承座的絕緣電阻用1 000 V兆歐表，在油管接好后的絕緣電阻值大于0.5 MΩ，對軸電壓的要求是，軸承油膜被短接時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端軸上的電壓一般應(yīng)等于軸承與機(jī)座間的電壓，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對地軸電壓一般應(yīng)小于12 V。發(fā)電機(jī)制造廠要求：如果軸瓦的絕緣電阻小于0.5 MΩ或軸電壓突然增大時要注意防止軸電流會燒傷轉(zhuǎn)軸及軸瓦鎢金的表面，為此，要盡快安排停機(jī)、查明原因并消缺。

發(fā)電機(jī)軸電流一級預(yù)警值選取范圍一般為0.2 ～1 A，二級預(yù)警值大多選用2 A。部分核電廠軸電流報警定值詳見表1。

表1 軸電流報警定值

3 實(shí)例修復(fù)分析

以某核電廠項(xiàng)目為實(shí)例，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸電流高報警事件進(jìn)行了分析。該核電廠汽輪發(fā)電機(jī)型號是QFSN-1100-4型四極百萬等級核電發(fā)電機(jī)，主參數(shù)見表2。

表2 發(fā)電機(jī)主參數(shù)

2015年該核電廠2#發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)軸電流高報警，現(xiàn)場檢查發(fā)電機(jī)軸電流在0.16 A附近波動，峰值為1.2 A。電氣連接圖見圖1，根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，當(dāng)通過軸瓦的電流密度超過2 A/cm2時，將會引起軸瓦燒，應(yīng)該盡快將發(fā)電機(jī)停機(jī)，避免設(shè)備損壞。由于干擾機(jī)組正常運(yùn)行，軸電流高報警出現(xiàn)時，根據(jù)報警手冊要求，需要運(yùn)行人員對機(jī)組參數(shù)、現(xiàn)場狀態(tài)進(jìn)行檢查，電氣、機(jī)械人員到現(xiàn)場對電流進(jìn)行測量、對軸和軸瓦進(jìn)行檢查。

圖1 電氣連接圖

為確認(rèn)報警原因，在3#和4#汽輪發(fā)電機(jī)大軸上進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證：模擬試驗(yàn)當(dāng)模擬至3瓦大軸直接接地時，7瓦對應(yīng)的軸電流開始波動，檢查此時的軸電流波形與前期報警波形相似(頻率接近25 Hz且接近正弦波)，具體波形見圖2。

圖2 3瓦接地時7瓦軸電流波形圖

當(dāng)模擬至1瓦接地時，7瓦再次出現(xiàn)軸電流波動，此時的軸電流波形與前期報警波形基本一致(25 Hz)，具體波形見圖3。

圖3 1瓦接地時7瓦軸電流波形

機(jī)組升功率到253 MW時，出現(xiàn)軸電流報警，現(xiàn)場錄取7瓦處接地電流和6瓦處軸電流，確認(rèn)接地電流和大軸電流來自汽側(cè)大小約0.25 A且波形相同。具體波形見圖4。

圖4 6瓦和7瓦的軸電流

從前期模擬試驗(yàn)結(jié)果和GRE(汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng))試驗(yàn)期間錄波結(jié)果可以確定，造成頻繁出現(xiàn)報警原因是汽輪機(jī)側(cè)大軸某處發(fā)生接地，接地點(diǎn)可能靠近汽輪機(jī)前端(1瓦至3瓦之間)。據(jù)此分析結(jié)果，在大修期間解體中關(guān)注前述部件，在對檢查汽輪機(jī)推力瓦的浮油環(huán)檢查中，發(fā)現(xiàn)其有輕微變形(見圖5)，導(dǎo)致與轉(zhuǎn)子大軸配合間隙超標(biāo)，存在局部碰摩痕跡，基本確認(rèn)是誘發(fā)日常軸電流的原因，對其處理后，至今未再出現(xiàn)汽機(jī)側(cè)引起的軸電流報警。

圖5 汽輪機(jī)推力瓦的浮油環(huán)

4 結(jié)論

為了保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，從技術(shù)管理維護(hù)的角度建議如下：

定期對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸接地電刷部位清潔，以降低接觸電阻，保證轉(zhuǎn)軸接地點(diǎn)的零電位。發(fā)電機(jī)軸承檢修后，要保證軸承絕緣合格。定期對發(fā)電機(jī)軸承座絕緣、軸承相關(guān)部件、油管絕緣部位進(jìn)行清潔，保證其絕緣良好。定期測量運(yùn)行中的軸電壓，判斷其發(fā)電機(jī)軸承的絕緣情況。

此外應(yīng)該積極收集不同故障下發(fā)電機(jī)軸電流波形曲線，以及與之相關(guān)部件的電壓波形曲線。為快速判斷故障位置，提供有效幫助。