发电机大轴接地不良引发热工保护误动的原因分析

李国湘，孟晋峰

(中石化股份有限公司天津分公司 天津300271)

发电机大轴接地不良引发热工保护误动的原因分析

李国湘，孟晋峰

(中石化股份有限公司天津分公司 天津300271)

针对某电厂#8汽轮发电机组出现的热工保护误动作停机事故，对机组热工保护卡件连续烧损、大轴接地系统存在电压、发电机风冷系统温度高、轴瓦振动数值大等异常情况进行了分析，发现发电机大轴接地系统带电压是机组热工保护卡件烧损的直接原因，热工卡件连续烧损造成保护误动。找出发电机大轴带电压的原因并制定了明确的处理措施。找出了发电机滑环室温度高的原因，提出了控制温升的具体措施。通过采取有效的措施，#8汽轮发电机组恢复了正常运行状态。

风冷系统 大轴接地 保护误动

0 引 言

发电机的安全稳定运行关系着电网的安全，也对自备电厂的安全生产、经济生产起着决定性作用。确保发电机的安全稳定是非常重要的。当发电机出现不正常的运行情况时，需要我们及时准确地判断出缺陷的原因，尽早消除缺陷。

1 事故经过

2015年某电厂#8发电机发生事故停机，原因是机组轴向位移TSI卡件烧损，机组连锁保护动作引发机组停运。在之后的几天时间里，检修部门一直在对机组进行检查，没有发现外部问题，初步认为DCS卡件本身质量存在问题，决定检修更换新的TSI卡件。由于担心误动，将连锁停机退出。机组并网运行不久，新换的卡件再次烧损。因已退出连锁保护，避免了一次非计停。此后检修单位加大排查力度，在没有停机的情况下，电气检修人员检查发现发电机5瓦(励端)外壳带电、发电机滑环室温度超高。同时，机务检修人员发现发电机5瓦(励端)振动超标。

2 #8发电机简介及其存在的问题

2.1 发电机简介

#8发电机是热电部最重要的机组之一，肩负着主要的发电任务。#8发电机由哈尔滨电机厂制造，2009年3月投入运行。发电机额定功率100,MW，额定功率因数0.85，出口电压13.8,kV，冷却方式为定子空外冷，转子敷槽冷却，励磁方式为静止自并励励磁。发电机主要铭牌参数如表1所示：

表1 发电机主要铭牌参数Tab.1 Nameplate parameters of the electric generator

2.2 发电机存在问题

经过详细的检测和排查，#8发电机主要存在以下3个问题：①发电机5瓦(励端)外壳带电；②发电机滑环室温度高；③发电机5瓦(励端)振动超标。

3 #8发电机的冷却系统及其缺陷分析

3.1 #8发电机的冷却系统

发电机在运行中，内部产生的热量会迅速增加。发电机内部损耗的多少和散热能力的大小决定了发电机的运行温度。温度过高对发电机的带载能力、绝缘、寿命等都有严重的影响。#8发电机采用空冷方式进行冷却。空冷的优点是系统简单，操作简便，辅助设备少，安装、运行、维护方便，运行费用低。

图1为#8发电机内部通风系统示意图。它采用轴向分段冷却系统，在发电机机座的定子背部设有通风孔，冷却风从通风口径向进入定转子间隙，冷却定子齿部和转子表面，然后冷却风进入定子颈向风道冷却定子铁心。［1］

图1 发电机空冷系统示意图Fig.1Schematic of air cooling system of the electric generator

#8机转子采用敷槽冷却，在转子槽的底部和中部开设通风槽，冷却空气从转子的两端流入，经过转子导体后进入排气室，空气流过转子导体的表面，大大增加了转子导体的冷却效果。#8发电机的空冷器由许多铜管组成，铜管的两头穿在管板的孔内，用胀管器胀接在管板上，管板与端盖形成水室，管内通过一定压力和流量的冷却水，为了增大冷却表面积，铜管表面装有许多薄铜片(翅片)。

3.2 发电机碳刷温度和性能的关系分析

发电机碳刷的温度一般控制在80,℃(温升40,℃)以内。这是因为碳刷具有负温度特性，随着温度的升高，碳刷的接触电阻逐渐变小，在80～110,℃时最低。当温度超过110,℃时，碳刷的接触电阻又会急剧增加，这对接触面的稳定和碳刷间的均流是极为不利的。以上分析可以这样理解，碳刷由于温度变化会进入不正常的运行状态，开始发热，由于碳刷的负温度特性，接触电阻会逐渐降低，通过的电流将越来越大，这样碳刷的温度越来越高，直到电流变到最大为止，此时的温度可能已经超过110,℃；此后碳刷的接触电阻会急剧增加，通过的电流降低，碳刷温度降低，降低到80～110,℃时，由于碳刷的负温度特性，电流又会激增，如此恶性循环，使得碳刷劣化加速。这种崩溃式的变化，使得每次流过此碳刷的电流进行雪崩式的重新分配，可能使碳刷上的电流负荷相差10倍以上。接触电阻小的碳刷将得到大部分电流，它们也将发生温度雪崩，后果非常严重。

经过检测，满负荷运行的情况下，#8机滑环室的温度在100,℃左右。滑环室温度过高对碳刷的运行非常不利，首先需要判断风冷系统是否存在缺陷。

3.3 #8发电机的滑环室冷却系统的检查

由于#8发电机的滑环室温度高，我们对发电机的冷却系统进行检查，发现发电机进风风道与滑环室风道是联通的，由于发电机本体的运行温度正常，因此问题应该出现在滑环室的风冷却系统上。发电机滑环室的风道实际上是励端风叶和发电机进风支路风道一起组成进风，由滑环室的出风通道进行排风。打开滑环室的门，可以明显感觉到一阵热气流，这是由于在滑环室内部存在大量正压，或者说是进风太多而出风不畅。用手感知滑环室的出风通道，明显没有太多的热气体排除，这也印证了出风通道存在问题。

4 引起发电机振动的原因分析

经过检测，#8机5瓦(励端)轴承振动值超过允许值。振动过大的主要原因有以下几方面：①轴瓦的润滑不良，油压不足或油质劣化；②转子平衡块松动，失去动平衡；③轴承温度太高；④定子三相电流不平衡度超标；⑤定转子间隙不合格；⑥基座固定地脚螺栓松动；⑦机组找正不佳；⑧转子线圈匝间短路。[2]

对以上原因进行排查，发现有3点可疑度很高：①由于#8机存在轴电压，很可能已经破坏了轴瓦的油质，导致润滑不良；②由于历史检修等原因，转子平衡块可能存在缺陷；③温度因素，由于滑环室温度太高，将滑环室的门全部打开2,h，滑环室的温度下降了20,℃，此时的5瓦振动有明显降低。因此滑环室的温度因素不能排除在外。

5 发电机的轴电压及危害

检查中发现#8机5瓦(励端)外壳带电，交流约30,V，直流70,V上下波动。检修人员又去检测4瓦(汽端)的接地碳刷，发现刷辫也带电：30,V交流、160,V直流。这是不正常的现象，因为仪表不可能窜入强电，但由于5瓦处测振探头绝缘不好，因此电流顺着测点窜入卡键，是TSI卡件烧毁的主要原因。对仪表探头进行绝缘处理之后，仪表检查结束。

电气分析发展，通过5瓦(励端)外壳带电，4,W(汽端)的接地碳刷刷辫也带电，这说明两个问题：①发电机存在轴电压，②接地刷辫带电说明接地有问题。

5.1 发电机大轴带电的危害

发电机定子铁心组合缝、定子硅钢片接缝、定子与转子空气间隙不均匀等，会造成发电机的磁路不对称，发电机主轴在这种不对称的磁场中旋转，会在其两端产生交流电压，称为轴电压。如果电机主轴两端轴承没有绝缘垫或绝缘不好，这个电压就会通过电机两端轴承支架形成电流回路，这个电流称为轴电流。轴电流的危害主要是在轴颈和轴瓦之间产生小电弧侵蚀，破坏油膜，使轴承温度升高，润滑油碳化变质等；如果轴电流超过一定数值，发电机转轴轴颈的滑动表面和轴瓦就可能被损坏，造成轴承不能使用或寿命大大缩短。[3]为了防止轴电压、轴电流的危害，发电机的大轴上都要安装接地碳刷，通过接地信号装置接地，如果产生轴电压、转子绝缘不好漏电等使大轴带电，碳刷会及时把电流引向大地，接地信号装置发出预告信号，提醒运行人员注意或处理。另外，汽轮机叶片产生的直流静电电压也需要接地碳刷进行消除。

5.2 关于#8机大轴的检查结论

经过检查，#8机4瓦(汽端)接地碳刷接地线接线板属于绝缘产品，即接地碳刷实际上未接地，这是产生大轴带电的直接原因。

6 处理过程

6.1 发电机滑环室出风通道的处理

经过前期的排查判断，#8发电机滑环室出风通道排风不畅。由于排风出口过小，使得大量热气聚集在滑环室内无法排出。我们在出风口加装轴流风机进行排风，对滑环、碳刷进行清扫检查。加装排风机后，#8发电机滑环室温度明显下降，目前机组满负荷状态下，滑环室温度未超过50,℃。后续对轴流风机采用双电源供电方式，保障了风机的正常运行。

6.2 发电机大轴带电的处理

发现接地碳刷接地线没接地是导致带电的根本原因。由于当时机组仍处于运行状态，只有在保证发电机不会出现转子两点接地的同时，才能安装接地线。否则一旦发生发电机转子两点接地，将产生短路电流，不仅会烧坏励磁回路及转子，还会引起电机的强烈振动，产生严重后果。接地碳刷的接地线接好后，发电机侧的电压全部消失，5瓦的电压消失。

6.3 发电机5瓦(励端)振动的处理

通过以上控制滑环室温度和消除轴电压的措施，基本上对5瓦(励端)振动有所缓解，机务检修人员通过对转子平衡块重新调整，使机组动平衡恢复正常。

7 结 语

发电机运行中出现的异常情况很多，借助热电部#8发电机表现出来的缺陷问题，给出了一些解决办法，当发电机出现不正常运行情况时，力争及时准确地判断出缺陷原因，尽早消除缺陷。■

［1］ 秦文杰. 石油化工企业电气设备及运行管理手册[M].北京：化学工业出版社，2015.

［2］ 石油化工设备维护检修规程[M]. 6册，北京：中国石油化工出版社，2004

［3］ 周侣. 燃气发电机轴电压异常分析[J]. 华东电力，2009，37(2)：317-320.

Analysis on Thermal Protection Miss-operation Caused by Imperfect Earthing of Generator

LI Guoxiang，MENG Jinfeng
(China Petrochemical Co.，Ltd．Tianjin Branch，Tianjin 300271，China)

The article discusses an accidental shutdown of No.8 generator of a plant for Thermal Protection Missoperation，in which thermal protection units were burned down．Abnormalities including the continuous burning down of protection clamp units，existing voltage at the large shaft grounding system，high temperature of air cooling system of generator and huge bearing vibration were analyzed and it was found that the large shaft grounding system with high voltage led to the burning down of thermal protection units and the continuous burning down of protection clamp units caused protection malfunction．Finally，it notes the reason for large shaft with voltage，the slip ring chamber with high voltage and works out a specific way to deal with such problems．After the implementation of efficient measures，No.8 generators regained normal operation.

air cooling system；large shaft grounding；protection malfunction

TM31

A

1006-8945(2016)08-0019-03

2016-08-02