發(fā)電機(jī)軸電壓的測(cè)量與判定

劉 歡 錢厚軍 陳子明 易非凡 陳啟豪

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

1 發(fā)電機(jī)軸電壓產(chǎn)生的原因及其對(duì)發(fā)電機(jī)的危害

1.1 發(fā)電機(jī)軸電壓產(chǎn)生的原因

發(fā)電機(jī)軸電壓產(chǎn)生的原因大致有：同軸汽輪機(jī)的直流靜電電壓、勵(lì)磁系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)軸上產(chǎn)生的交流耦合電容電壓、不平衡磁通在大軸兩端產(chǎn)生的軸電壓、發(fā)電機(jī)本身故障如轉(zhuǎn)子匝間短路等使磁場(chǎng)產(chǎn)生畸變?cè)诖筝S兩端產(chǎn)生軸電壓、因各類故障和非正常工況使發(fā)電機(jī)機(jī)殼、大軸、軸承等部位被磁化后存在剩磁，軸向磁通引發(fā)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)軸電壓等。

1.2 軸電壓的存在對(duì)發(fā)電機(jī)的危害

當(dāng)軸電壓達(dá)到一定值時(shí)，如果沒(méi)有適當(dāng)措施處理，軸電壓會(huì)把大軸與軸承之間的油膜擊穿產(chǎn)生軸電流，大軸與軸承之間的油膜承擔(dān)著潤(rùn)滑的作用，油膜部分被擊穿會(huì)在油膜上產(chǎn)生薄弱點(diǎn)，導(dǎo)致軸與軸承之間的摩擦增大，加劇機(jī)械磨損。當(dāng)軸電流流過(guò)軸承時(shí)，造成軸承溝道和鋼球電腐蝕，從而導(dǎo)致軸承失效。

2 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軸電壓的規(guī)定和對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的理解

2.1 現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)量軸電壓的規(guī)定

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1029—2021《三相同步電機(jī)試驗(yàn)方法》中，第4.3條中對(duì)于軸電壓測(cè)量與判定的描述如下：“被試電機(jī)應(yīng)在額定電壓、額定轉(zhuǎn)速下空載運(yùn)行。用高內(nèi)阻交流電壓表先測(cè)定U1，然后將轉(zhuǎn)軸沒(méi)有絕緣的一端與其軸承座短接（雙側(cè)絕緣的轉(zhuǎn)軸短接任意一側(cè)），測(cè)另一端對(duì)軸承座的電壓U2（即油膜電壓），再測(cè)該軸承座對(duì)地的電壓U3”[1]，對(duì)應(yīng)的測(cè)量示意圖如圖1。

圖1 軸電壓測(cè)量示意圖

在電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1768—2017《旋轉(zhuǎn)電機(jī)預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中，第5章第25條關(guān)于軸電壓測(cè)試的條文如下：“汽輪發(fā)電機(jī)大軸接地端（汽端）的軸承油膜被短路時(shí)，大軸非接地端（勵(lì)端）軸承與機(jī)座間的電壓應(yīng)接近等于軸對(duì)機(jī)座的電壓，汽輪發(fā)電機(jī)大軸非接地端對(duì)地電壓一般應(yīng)小于20 V”[2]。

2.2 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解

以上兩份標(biāo)準(zhǔn)文件中，GB/T 1029—2021《三相同步電機(jī)試驗(yàn)方法》描述了U1、U2、U3的測(cè)量方法，但沒(méi)有提到軸電壓的合格范圍。DL/T1768—2017《旋轉(zhuǎn)電機(jī)預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中僅有關(guān)于U2+U3的合格范圍（小于20 V），沒(méi)有U2、U3各自的合格范圍。

對(duì)于軸電壓測(cè)試方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合秦山核電廠雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)，解讀如下：

（1）目前運(yùn)行的大型汽輪發(fā)電機(jī)組采用的方式多是在汽輪機(jī)側(cè)安裝接地電刷，在勵(lì)磁側(cè)的軸承座下方安裝絕緣墊片，在發(fā)電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，汽輪機(jī)側(cè)的接地電刷應(yīng)該一直是處于接地的狀態(tài)，汽輪機(jī)側(cè)的軸承座是接地狀態(tài)。通過(guò)這個(gè)接地電刷裝置將汽輪機(jī)葉片累積的靜電釋放到大地，實(shí)現(xiàn)保護(hù)軸瓦的作用。

In order to obtain a trajectory satisfying the requirement of the IKPI,the evaluation function of thealgorithm is improved by taking the IKPI values of grids into account.The improved evaluation function is shown as

（2）汽側(cè)大軸接地良好的情況下，即圖1中U4接近為0，應(yīng)該有U1≈U2+U3。

（3）DL/T1768中關(guān)于軸電壓的大小還是比較寬松的，秦山核電廠雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)自1991年投運(yùn)時(shí)測(cè)得軸電壓為7～8 V，因此規(guī)程中對(duì)軸電壓的控制標(biāo)準(zhǔn)是U1≤10 V，且U2+U3≤U1≤1.1（U2+U3）。

（4）軸電壓U1是發(fā)電機(jī)的固有特性，不會(huì)因?yàn)槠啓C(jī)側(cè)大軸是否接地產(chǎn)生變化。在國(guó)標(biāo)GB/T 1029—2021中，進(jìn)行U1測(cè)試時(shí)，要求測(cè)量勵(lì)側(cè)與汽側(cè)兩端的電壓，但是沒(méi)有對(duì)汽側(cè)大軸是否接地進(jìn)行要求，所以測(cè)量U1時(shí)汽側(cè)大軸是否接地均可。

（5）在國(guó)標(biāo)GB/T 1029—2021中，進(jìn)行U2、U3測(cè)試時(shí)，要求汽側(cè)大軸與地軸承座短接（因汽側(cè)軸承座不墊絕緣墊，直接與發(fā)電機(jī)基座連接，可以理解是要求將汽側(cè)大軸接地），再測(cè)量勵(lì)側(cè)油膜電壓U2和軸承座對(duì)地電壓U3。實(shí)際情況是有時(shí)汽側(cè)大軸接地裝置不可靠（圖1中U4較大），導(dǎo)致各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)失真。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)軸電壓過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題

2020年之前，秦山核電廠針對(duì)雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)，僅在發(fā)電機(jī)解體檢修（拆裝軸承座及抽轉(zhuǎn)子等）后，才在機(jī)組啟動(dòng)后并網(wǎng)前實(shí)施發(fā)電機(jī)軸電壓測(cè)量，并網(wǎng)運(yùn)行期間不測(cè)軸電壓。2020年某核電廠出現(xiàn)軸瓦因軸電壓超標(biāo)而受損的事件后，根據(jù)此外部經(jīng)驗(yàn)反饋，秦山核電廠對(duì)發(fā)電機(jī)軸電壓情況進(jìn)行排查，排查中發(fā)現(xiàn)秦山核電廠雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)軸電壓存在幾個(gè)問(wèn)題：

（1）在測(cè)量軸電壓時(shí)，汽勵(lì)兩端電壓U1為7.61 V，與歷史數(shù)據(jù)基本一致；勵(lì)側(cè)大軸對(duì)地的電壓U2+U3為9.20 V偏高，不滿足規(guī)程驗(yàn)收要求。測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1中第一次數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)排查發(fā)現(xiàn)汽側(cè)大軸對(duì)地電壓（未拔出接地碳刷的情況下）達(dá)到了12.64 V，測(cè)試數(shù)據(jù)明顯異常并引起工作人員重視，由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)判斷出汽側(cè)接地碳刷接地不良，導(dǎo)致大軸的軸電壓電位偏高。檢查發(fā)現(xiàn)汽側(cè)接地碳刷與刷握之間配合較緊且存在碳粉與油污的混合物，恒壓彈簧克服不了摩擦力導(dǎo)致碳刷與大軸脫離，汽側(cè)大軸接地不良，經(jīng)過(guò)針對(duì)性的處理后重新測(cè)量汽側(cè)大軸對(duì)地電壓U4低于1 V，重新測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1中第二次數(shù)據(jù)。

表1 軸電壓測(cè)量數(shù)據(jù)

（2）分析第二次測(cè)量數(shù)據(jù)，能夠滿足U1≤10 V，且U2+U3≤U1≤1.1（U2+U3）的驗(yàn)收要求。鑒于外部經(jīng)驗(yàn)反饋的教訓(xùn)，工作人員繼續(xù)深入研究，認(rèn)為U2應(yīng)該越低越好，U2越低油膜越不容易擊穿。但U2應(yīng)該多少合適？經(jīng)過(guò)查詢相關(guān)資料，分析大軸與軸瓦間隙即油膜厚度，以及潤(rùn)滑油擊穿電壓，粗略推算認(rèn)為U2應(yīng)小于2 V。第二次數(shù)據(jù)中U2=7.44-5.77=1.67 V，能夠滿足推算的要求。同時(shí)繼續(xù)分析油膜的電阻與軸承座底部絕緣墊片的實(shí)際絕緣電阻值，絕緣墊片的絕緣電阻應(yīng)遠(yuǎn)大于油膜電阻，認(rèn)為U3/U1≈90%較為合理。而第二組數(shù)據(jù)中U3/U1≈76%。

（3）本著鉆研的精神，工作人員仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)勵(lì)側(cè)軸承座與基座之間有液體存在，兩層絕緣片和一層金屬墊片之間浸滿了液體，經(jīng)過(guò)化學(xué)分析主要成分是水和潤(rùn)滑油。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)金屬墊片安裝在兩層絕緣墊片下方，而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)電機(jī)廠要求金屬墊片應(yīng)在兩層絕緣墊片中間。討論認(rèn)為墊片疊放次序弄錯(cuò)不應(yīng)是U3偏低的原因，油水的存在可能導(dǎo)致U3偏低。

（4）2020年8月秦山核電廠結(jié)合雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)解體檢修，清理了勵(lì)側(cè)軸承座下部油水，同時(shí)按照正確的疊放次序安裝墊片。在機(jī)組啟動(dòng)后并網(wǎng)前進(jìn)行了軸電壓測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1中第三次測(cè)量數(shù)據(jù)，從該次數(shù)據(jù)來(lái)看，油膜電壓U2=7.65-6.38=1.27 V有所降低，U3/U1≈81%。再次討論認(rèn)為，決定U3/U1分壓比的因素，除了絕緣電阻以外，還應(yīng)該考慮大軸與軸瓦之間電容、軸承座與基座之間電容的存在。

4 軸電壓管理策略、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)量方法的改進(jìn)

4.1 對(duì)軸電壓的管理策略與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)

鑒于外部經(jīng)驗(yàn)反饋，以及現(xiàn)場(chǎng)排查發(fā)現(xiàn)的汽側(cè)大軸接地不可靠問(wèn)題，秦山核電廠制定的改進(jìn)措施為：

（1）每周檢查汽側(cè)大軸接地情況，測(cè)量U4電壓，結(jié)合每周進(jìn)行的發(fā)電機(jī)周檢查工作實(shí)施。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為U4≤1V。如果不滿足，及時(shí)處理碳刷，確?？煽拷拥亍?/p>

（2）每周檢查勵(lì)側(cè)軸承座底部是否有液體存在。

（3）每季度測(cè)量一次軸電壓，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)仍為U1≤10 V，且U2+U3≤U1≤1.1（U2+U3），同時(shí)關(guān)注U3的變化，出現(xiàn)變化要及時(shí)分析原因，保持跟蹤。

4.2 軸電壓測(cè)量方法的改進(jìn)

在軸電壓測(cè)量規(guī)程中，對(duì)測(cè)量順序與方法進(jìn)行改進(jìn)，首先測(cè)量U4，U4滿足要求后再進(jìn)行U1、U2、U3的測(cè)量。

4.3 軸電壓在線監(jiān)測(cè)的改進(jìn)

通過(guò)外部調(diào)研，后續(xù)將進(jìn)一步開(kāi)展的改進(jìn)工作如下：

（1）汽側(cè)接地裝置的改進(jìn)。

目前國(guó)際國(guó)內(nèi)大型發(fā)電機(jī)汽側(cè)大軸采用碳刷+金屬絲編制帶組合電刷，可以有效解決上述單獨(dú)使用碳刷帶來(lái)的問(wèn)題，大大提高接地可靠性，減少人員維護(hù)工作量，是機(jī)組后續(xù)改進(jìn)的方向。

（2）裝設(shè)軸電壓、軸電流在線監(jiān)測(cè)裝置。

目前國(guó)際國(guó)內(nèi)大型發(fā)電機(jī)大多數(shù)配置在線式軸電壓、軸電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，智能化設(shè)備的投入使用可及時(shí)、準(zhǔn)確的發(fā)出異常報(bào)警，減少人工工作量。秦山核電廠雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)雖是運(yùn)行30年的老機(jī)組，經(jīng)增容改造仍將繼續(xù)運(yùn)行20年，針對(duì)老機(jī)組設(shè)計(jì)、定制在線式軸電壓、軸電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，仍然非常必要。

5 總結(jié)與展望

定期檢查發(fā)電機(jī)軸電壓，確保軸電壓處于允許范圍內(nèi)，對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。本文結(jié)合秦山核電廠雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)軸電壓檢查維護(hù)的具體案例，描述了軸電壓測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及管理改進(jìn)，論述了軸電壓的測(cè)量方法與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，可供同行參考。針對(duì)老機(jī)組，工程技術(shù)人員仍應(yīng)及時(shí)了解經(jīng)驗(yàn)反饋及外部先進(jìn)管理理念，同時(shí)還需保持對(duì)技術(shù)發(fā)展的關(guān)注，增設(shè)先進(jìn)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，減輕人員巡檢與維護(hù)工作量，提高電廠設(shè)備運(yùn)行可靠性和運(yùn)行自動(dòng)化水平。