秦一廠主發(fā)電機(jī)軸電壓的測(cè)量分析與防護(hù)

何建盼，薛 坤，吳建超

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)由于各種原因在發(fā)電機(jī)大軸與軸瓦之間產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這一感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)被稱(chēng)為軸電壓，這是發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)普遍存在的現(xiàn)象。但如果不對(duì)其進(jìn)行合理抑制，當(dāng)軸電壓上升到一定數(shù)值會(huì)擊穿軸與軸承之間的油膜，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 發(fā)電機(jī)軸電壓產(chǎn)生的原因和危害

1.1 發(fā)電機(jī)軸電壓的產(chǎn)生原因

（1）磁路的不對(duì)稱(chēng)。磁路不對(duì)稱(chēng)是指軸電壓存在于發(fā)電機(jī)軸兩側(cè)，由于定子鐵芯一般采用扇形的沖壓片、轉(zhuǎn)子偏心、扇形片的磁導(dǎo)率不同以及其他發(fā)電機(jī)制造和運(yùn)行原因引起的不對(duì)稱(chēng)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸的交變磁通，會(huì)在發(fā)電機(jī)大軸兩端產(chǎn)生電勢(shì)差。

（2）整流和逆變過(guò)程中的電容耦合作用。大型汽輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)一般采用靜態(tài)勵(lì)磁，而靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)中的晶閘管整流會(huì)引入了一個(gè)新的電壓源。靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)將交流電壓通過(guò)晶閘管整流成直流電輸出供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組，而此直流電為脈動(dòng)型的電壓。如果用的是三相全控橋靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，整流后的輸出電壓波形在1 個(gè)周期內(nèi)就至少有6 個(gè)脈動(dòng)。這個(gè)脈動(dòng)電壓最終通過(guò)勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子本體之間的電容耦合加在軸對(duì)地電壓上。

（3）靜電效應(yīng)。汽輪機(jī)內(nèi)部通流部分中，高速流動(dòng)的濕蒸汽與汽輪機(jī)低壓缸葉片的持續(xù)摩擦?xí)诘蛪焊變?nèi)產(chǎn)生直流型電壓。但是這種靜電效應(yīng)并非長(zhǎng)期存在，一般是在一定的蒸汽條件下才會(huì)出現(xiàn)。運(yùn)行工況不同，該種性質(zhì)的軸電壓也會(huì)有變化。另外，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地或者潤(rùn)滑油與管道內(nèi)部之間的摩擦也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似直流型電壓。

（4）軸向磁通及剩磁。發(fā)電機(jī)中存在著很多環(huán)繞軸的閉合回路，例如集電環(huán)和轉(zhuǎn)子端部繞組之間，當(dāng)設(shè)計(jì)考慮不周或繞組匝間短路時(shí)，它們的磁動(dòng)勢(shì)無(wú)法相互抵消，就產(chǎn)生了一個(gè)軸向的剩余磁通，這個(gè)磁通經(jīng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)、軸和軸承最后閉合。另外在發(fā)電機(jī)嚴(yán)重短路或其他異常工況下，經(jīng)常會(huì)使大軸、機(jī)殼、軸瓦等部件磁化后而保留一定的剩磁。磁力線會(huì)流經(jīng)軸瓦，在機(jī)組大軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就產(chǎn)生了單極電動(dòng)勢(shì)。單極效應(yīng)產(chǎn)生的軸電壓為直流分量，其變化跟隨負(fù)載電流而變化。

1.2 發(fā)電機(jī)軸電壓的危害

當(dāng)軸電壓大小達(dá)到一定值后，若不采取適當(dāng)限制措施，油膜可能會(huì)被擊穿從而產(chǎn)生軸電流。

（1）若主發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的軸電流很大，較大的軸電流流經(jīng)軸頸、軸瓦、汽輪機(jī)主油泵的蝸輪和傳動(dòng)蝸桿時(shí)會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱，可能直接燒壞這些部件。

（2）軸電流產(chǎn)生的電弧可能會(huì)燒壞軸承組件，使得軸承的潤(rùn)滑油提前老化，油質(zhì)變差，引發(fā)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)增大，直至被迫退出運(yùn)行，給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患。

（3）軸電流會(huì)使發(fā)電機(jī)端蓋、軸承、汽輪機(jī)各部件強(qiáng)烈磁化，從而在葉輪和軸頸處產(chǎn)生單極電勢(shì)，這會(huì)干擾汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 秦一廠主發(fā)電機(jī)軸電壓的測(cè)量和分析

2.1 發(fā)電機(jī)軸電壓的測(cè)量

有關(guān)軸電壓的測(cè)量，在GB/T 1029—2005 三相同步電機(jī)試驗(yàn)方法中，被試電機(jī)應(yīng)在額定電壓、額定轉(zhuǎn)速空載運(yùn)行。典型的測(cè)量示意如圖1 所示，用高內(nèi)阻交流電壓表先測(cè)定軸電壓U1，然后將轉(zhuǎn)軸沒(méi)有絕緣的一端與其軸承座短接，測(cè)另一端對(duì)軸承座電壓U2，再測(cè)該軸承座對(duì)地電壓U3。

圖1 軸電壓測(cè)量示意圖

DL/T 1768—2017《旋轉(zhuǎn)電機(jī)預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中，規(guī)定汽輪發(fā)電機(jī)大軸非接地端（勵(lì)端）的軸對(duì)地電壓一般小于20 V。另查閱DL/T 596—2005 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程和電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB 50150—2006，規(guī)定大修后汽輪發(fā)電機(jī)的軸承油膜被短路時(shí)，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)大軸對(duì)地電壓一般小于10 V。

綜上所述，根據(jù)以上個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合圖1 來(lái)看，軸電壓合格測(cè)量結(jié)果，應(yīng)是U1約等于U3，并且（U2+U3）之和在保證小于10 V情況下時(shí)U3盡可能大。

2.2 秦一廠主發(fā)電機(jī)軸電壓的測(cè)量與分析

秦一廠主發(fā)電機(jī)為上海電機(jī)廠制造的臥式三相同步發(fā)電機(jī)，型號(hào)為QFS-350-2，額定功率350 MW，頻率50 Hz，端電壓18 kV。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸靠汽輪機(jī)端上存在南北側(cè)兩支碳刷，北側(cè)碳刷為大軸接地用碳刷，南側(cè)碳刷為轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置用碳刷。2020年5 月，按照如圖2的方式對(duì)發(fā)電機(jī)軸電壓測(cè)量，圖2 中的1 代表油膜電阻，2 代表勵(lì)側(cè)軸承座對(duì)地絕緣電阻。多用表測(cè)得U1為9.198 7 V，U2為8.714 V，U3為12.64 V，ΔU 為7.86 V。顯然，在汽側(cè)接地碳刷接地效果良好的情況下，U3應(yīng)該是接近0的，初步懷疑接地碳刷未有效接地。后維修檢查發(fā)現(xiàn)碳刷和刷架過(guò)盈配合，壓簧下壓力抵消不掉碳刷和刷架的摩擦力，導(dǎo)致接觸不良。

圖2 秦一廠主發(fā)電機(jī)軸電壓測(cè)量示意圖

后將新碳刷打磨，確保和刷架摩擦滿足并清理了軸承座墊片部分油污后，2020年6 月22 日重新測(cè)量，測(cè)得U1為7.781 V，U2為6.06 V，U3為0.4 V，以上述的通用標(biāo)準(zhǔn)判斷均合格。

3 秦一廠軸電壓測(cè)量判斷標(biāo)準(zhǔn)的建議和改進(jìn)

3.1 判斷標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)

將秦一廠主發(fā)電機(jī)軸電壓測(cè)量做一等效電路如圖3 所示，由于在各標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，只對(duì)ΔU（發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)大軸與汽側(cè)大軸間電壓），U3（發(fā)電機(jī)汽側(cè)大軸對(duì)地電壓），U1（發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)大軸對(duì)地電壓）有要求，但對(duì)U2（發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)軸承座對(duì)地電壓）沒(méi)有進(jìn)一步的細(xì)化要求。目前秦一廠對(duì)軸電壓的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中，要求1U2≥U1≥U2，但這只是一個(gè)目前參考其他機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)值，本不是為本機(jī)組量身定做的標(biāo)準(zhǔn)，甚至都不一定適用本機(jī)組。而且事實(shí)上秦一廠的軸電壓評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)也很難滿足這一要求，有必要針對(duì)本機(jī)組制定專(zhuān)用的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 秦一廠主發(fā)電機(jī)軸電壓測(cè)量等效電路圖

DLT 596—2005 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程，規(guī)定大修汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)大軸對(duì)地電壓一般U1小于10 V，這是在空載狀態(tài)下的要求。將U1=10 V 代入1.1U2≥U1≥U2，可得U1-U1/1.1≈10-9.09≈1 V，故空載時(shí)建議U1-U2≤1 V。

DL/T 1768—2017《旋轉(zhuǎn)電機(jī)預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中，規(guī)定汽輪發(fā)電機(jī)大軸非接地端（勵(lì)端）的軸對(duì)地電壓一般小于20 V。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)只要求大修后或必要時(shí)測(cè)，大軸對(duì)地電壓小于20 V，將U1=20 V 代入1.1U2≥U1≥U2，U1-U1/1.1≈20-18.18≈2 V，故正常運(yùn)行時(shí)建議U1-U2≤2 V。

綜上所述，可以得出秦一廠主發(fā)電機(jī)的專(zhuān)用驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為：

（1）U1與ΔU 大小接近且小于10 V。

（2）發(fā)電機(jī)空載時(shí)U1-U2≤1 V，正常運(yùn)行時(shí)U1-U2≤2 V。

（3）U3接近于0。

3.2 關(guān)于軸電壓測(cè)量的良好改進(jìn)

3.2.1 保持勵(lì)側(cè)絕緣墊片的清潔并做好防異物措施

汽輪發(fā)電機(jī)組的潤(rùn)滑油表面暴露空氣中沾染灰塵和雜質(zhì)顆粒后，可能變成導(dǎo)電體，因此不管是日常還是大修期間都要保持絕緣墊片的完好清潔，因?yàn)橐坏┙^緣墊片進(jìn)油污等雜質(zhì)，會(huì)直接導(dǎo)致軸承座的絕緣整體下降，而且日常機(jī)組運(yùn)行期間不具備清理這些污物的條件。

3.2.2 增加軸電壓電流在線測(cè)量裝置

當(dāng)前秦一廠主發(fā)電機(jī)的軸電壓只能人為手工定期測(cè)量，不僅測(cè)量準(zhǔn)確性欠佳，也不能實(shí)時(shí)反映軸承座絕緣情況和跟蹤絕緣變化趨勢(shì)，所以有必要增加一套軸電壓、軸電流在線監(jiān)測(cè)裝置。發(fā)電機(jī)軸電壓、軸電流接線圖如圖4 所示，其是一個(gè)典型的絕緣在線測(cè)量裝置，在勵(lì)側(cè)軸承油瓦、軸瓦瓦座和密封支座上專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了雙側(cè)絕緣測(cè)量點(diǎn)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)只要通過(guò)接線板測(cè)量即可監(jiān)測(cè)絕緣狀態(tài)。

圖4 軸電壓、軸電流接線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，文章得出秦一廠主發(fā)電機(jī)軸電壓測(cè)量的專(zhuān)用驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，為日常軸電壓測(cè)量提供判斷依據(jù)。發(fā)電機(jī)軸電壓、電流在線測(cè)量裝置在其他電廠已經(jīng)普遍安裝，裝置整體運(yùn)行情況安全穩(wěn)定，秦一廠主發(fā)電機(jī)改造新增此套裝置，能提高機(jī)組運(yùn)行的安全和穩(wěn)定性。