390H型发电机轴电流异常情况分析处理

2019-05-15蒋小峰钮志峰

综合智慧能源 2019年4期

蒋小峰，钮志峰

(江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏常州 213011)

0 引言

轴电压是指在电机运行时,电机两轴承端或电机转轴与轴承间所产生的电压。电机轴电压是由发电机磁不对称、制造工艺、静电电荷、静态励磁系统、剩磁等原因造成的。发电机轴电压一直是存在的，但一般不高，通常不超过十几V[1]。

正常情况下，发电机转子与轴承间存在油膜绝缘，较低的轴电压不会产生轴电流;但当轴承绝缘因损坏、老化等原因失去绝缘性能，轴电压会击穿轴承油膜并形成轴电流。发电机转子与外壳基座也会由于其他原因构成闭合回路、形成轴电流。由于该闭合回路阻抗极小，在轴电压的作用下，将会形成较大的轴电流，导致润滑和冷却的油质逐渐劣化，严重时会烧坏转轴和轴瓦，造成停机事故。

1 设备概况

江苏华电戚墅堰发电有限公司建有2套S109FA燃机联合循环机组，机组主要设备包括GE公司生产的PG9351FA型燃机、D10型汽轮机、390H型全氢冷发电机及三压再热自然循环余热锅炉。

390H型发电机装有专门的轴电压监视器，能监测轴电压、轴电流及电刷功能，并在数据异常时发出报警信号。轴电压监视器由控制柜中的轴电压监视器电路和安装在发电机联轴端绝缘电刷柄支架上的4个电刷组成，电刷接线方式如图1所示：#2，#4电刷并联，其接线经由分流电阻R连接到地，这个分流电阻两端的电压与轴电流成反比，用于轴电流测量；#1，#3电刷并联，其接线用于测量轴到地的电压。这两组输入端均接入机组控制柜。

图1 轴电压监视器电刷接线Fig.1 Shaft voltage monitor brush wiring

2 异常情况

从2017年开始，#1发电机在启停及运行中频繁出现1～3 A的轴电流晃动，最高时超过5 A(报警值)，但轴电压监测器显示正常。检查发电机轴接地电刷时发现此处轴颈有电蚀现象，如图2所示。

图2 轴颈电蚀情况Fig.2 Electrical erosion of the journal

经过对发电机接地电刷位置轴颈进行研磨并对接地电刷进行更换，上述情况有所好转，发电机稳定运行工况下出现轴电流的频次降低，但是轴电流波动及轴电流超报警值的情况依然未能消除，严重影响机组安全运行。2018年3— 4月，#1发电机轴电流变化情况如图3所示。

3 原因分析及处理

由轴电压的产生机制可知，汽轮机转子侧轴电压主要来自静电效应，其形成的回路中轴电流波性特征为单极直流；而发电机转子轴电压的形成除了由于转子绕组绝缘下降或接地，主要源于旋转的不对称磁场形成的回路，其中轴电流特性为交变[2]。现场测量时，发现轴电流波动既有交流分量，也有直流分量。根据轴电流产生的特点，从发电机结构、轴电压监测、静电荷等方面进行排查、分析[3]。

(1)发电机轴电压异常。历次轴电流异常时，轴电压测量数据均正常(电压稳定在5 V左右)，排除了轴电压异常引起轴电流的可能。

图3 发电机轴电流(2018年)Fig.3 Generator shaft current

(2)发电机励侧轴承绝缘能力降低、损坏。机组停运期间对发电机励侧轴承绝缘进行检查，发现绝缘良好，在运行中对轴承绝缘进行电压测量，无异常情况。排除励侧轴承绝缘异常引起轴电流的可能。

(3)流动的湿蒸汽与汽轮机低压缸叶片摩擦出的静电。汽轮机末级叶片的湿蒸汽含量很高，水蒸气粒子对转子叶片碰撞、摩擦，使转子产生静电效应而带电。这种电压能量不大，正常情况下可通过接地电刷进行释放。当轴接地电刷接触不良时，电压短时积聚形成瞬间放电，引起轴电流的波动，此电流主要以直流电的形式存在。这种轴电流主要出现在机组启动和停机等汽机工况变化的时段。

发电机接地电刷处轴颈存在电蚀情况(如图4所示)，轴颈凹坑的积聚使表面变得粗糙，易引起油污积聚、接地电刷接触恶化。在对接地电刷处轴颈进行清洁后，这种轴电流明显降低甚至消失，符合静电荷引起的轴电流的特点。因此判断发电机接地电刷接触不良、汽机叶片摩擦产生静电荷是引起轴电流异常波动的原因之一。

图4 励磁罩壳气封碰磨情况Fig.4 Collision and rubbing of gas sealing of excitation shell

(4)其他原因造成发电机转子与基础台板间构成闭合回路。发电机接地电刷处的轴颈电蚀一般由较大的轴电流造成。对发电机励侧轴端进行检查，发现励磁罩壳的气封有碰磨的现象，并发现有铝屑黏附在轴颈上，轴颈碰磨部位表面变得粗糙有毛刺，如图4所示。

分析认为，由于安装等原因，励磁罩壳气封与发电机转子不对中、间隙出现偏差，导致机组启动时发电机转子与铝质的励磁罩壳气封发生碰磨，发电机转子与励磁罩壳、基础台板及接地电刷构成闭合回路，如图5中回路1所示。该回路电阻较小，在发电机轴电压的作用下易形成较大的轴电流，此电流主要为交流成分。由于轴电流通过轴颈接地电刷处的电流密度很大，在瞬间会产生高温，使接地电刷处轴颈局部烧蚀。

同时，发电机励侧转子轴端与铝质气封发生碰磨，在轴颈上留有铝屑、毛刺。随着机组运行时间的增加，直接碰磨现象由于发电机转子与励磁罩壳气封间的推撞而减少。但当机组冷态启动时，汽机大轴尚未完全膨胀，轴颈黏附铝屑、粗糙有毛刺的部位会因大轴的收缩接触到发电机油封，油封间隙远远小于励磁罩壳气封，金属毛刺与油封发生间歇性接触，导致发电机转子、油封、发电机外壳、基础台板和接地电刷之间形成闭合回路，形成轴电流，轴电流形成的回路如图5中回路2所示。当机组运行一段时间，发电机转子膨胀达到一定量，轴颈留有铝屑、毛刺的碰磨部位离开油封，轴电流闭合回路消失，轴电流下降。该现象符合机组冷态启动时有间歇性交流性质的轴电流，而当机组运行一段时间后轴电流消失，且机组热态情况下较少出现交流性质的轴电流的特点。

磁轴端与励磁罩壳气封碰磨导致发电机轴接地电刷处轴颈发生电蚀；碰磨形成的金属残余物与发电机励侧油封发生短路引起轴电流在机组冷态启动时出现交流性质的轴电流；发电机接地电刷处轴颈电蚀引起接地电刷接触不良，引起轴电流在启停阶段短时出现和无规律的小幅波动。针对上述情况，于2018年3月对气封间隙进行检查，对发电机励侧轴端轴颈铝屑及毛刺进行了清理，对变形的气封进行了修复，对油封间隙处也进行了油污清理，消除了励侧轴端短路的各种因素，限制了较大轴电流的形成。同时，在接地电刷处轴颈未能彻底处理前，定期清理轴颈油污、做好电刷维护，将此原因引起的轴电流降低到最低限度。