秦一厂主发电机轴电压的测量分析与防护

2021-09-05何建盼吴建超

设备管理与维修 2021年13期

何建盼，薛坤，吴建超

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

发电机在设计、制造及运行过程中，会由于各种原因在发电机大轴与轴瓦之间产生感应电动势，这一感应电动势被称为轴电压，这是发电机运行时普遍存在的现象。但如果不对其进行合理抑制，当轴电压上升到一定数值会击穿轴与轴承之间的油膜，影响机组的安全稳定运行。

1 发电机轴电压产生的原因和危害

1.1 发电机轴电压的产生原因

（1）磁路的不对称。磁路不对称是指轴电压存在于发电机轴两侧，由于定子铁芯一般采用扇形的冲压片、转子偏心、扇形片的磁导率不同以及其他发电机制造和运行原因引起的不对称，产生转轴的交变磁通，会在发电机大轴两端产生电势差。

（2）整流和逆变过程中的电容耦合作用。大型汽轮发电机组励磁系统一般采用静态励磁，而静态励磁系统中的晶闸管整流会引入了一个新的电压源。静态励磁系统将交流电压通过晶闸管整流成直流电输出供给发电机励磁绕组，而此直流电为脉动型的电压。如果用的是三相全控桥静态励磁系统，整流后的输出电压波形在1 个周期内就至少有6 个脉动。这个脉动电压最终通过励磁绕组和转子本体之间的电容耦合加在轴对地电压上。

（3）静电效应。汽轮机内部通流部分中，高速流动的湿蒸汽与汽轮机低压缸叶片的持续摩擦会在低压缸内产生直流型电压。但是这种静电效应并非长期存在，一般是在一定的蒸汽条件下才会出现。运行工况不同，该种性质的轴电压也会有变化。另外，转子一点接地或者润滑油与管道内部之间的摩擦也会产生类似直流型电压。

（4）轴向磁通及剩磁。发电机中存在着很多环绕轴的闭合回路，例如集电环和转子端部绕组之间，当设计考虑不周或绕组匝间短路时，它们的磁动势无法相互抵消，就产生了一个轴向的剩余磁通，这个磁通经旋转电机、轴和轴承最后闭合。另外在发电机严重短路或其他异常工况下，经常会使大轴、机壳、轴瓦等部件磁化后而保留一定的剩磁。磁力线会流经轴瓦，在机组大轴转动时就产生了单极电动势。单极效应产生的轴电压为直流分量，其变化跟随负载电流而变化。

1.2 发电机轴电压的危害

当轴电压大小达到一定值后，若不采取适当限制措施，油膜可能会被击穿从而产生轴电流。

（1）若主发电机产生的轴电流很大，较大的轴电流流经轴颈、轴瓦、汽轮机主油泵的蜗轮和传动蜗杆时会产生发热，可能直接烧坏这些部件。

（2）轴电流产生的电弧可能会烧坏轴承组件，使得轴承的润滑油提前老化，油质变差，引发汽轮发电机组振动增大，直至被迫退出运行，给机组的安全稳定运行带来隐患。

（3）轴电流会使发电机端盖、轴承、汽轮机各部件强烈磁化，从而在叶轮和轴颈处产生单极电势，这会干扰汽轮机安全监视系统的正常运行。

2 秦一厂主发电机轴电压的测量和分析

2.1 发电机轴电压的测量

有关轴电压的测量，在GB/T 1029—2005 三相同步电机试验方法中，被试电机应在额定电压、额定转速空载运行。典型的测量示意如图1 所示，用高内阻交流电压表先测定轴电压U1，然后将转轴没有绝缘的一端与其轴承座短接，测另一端对轴承座电压U2，再测该轴承座对地电压U3。

图1 轴电压测量示意图

DL/T 1768—2017《旋转电机预防性试验规程》中，规定汽轮发电机大轴非接地端（励端）的轴对地电压一般小于20 V。另查阅DL/T 596—2005 电力设备预防性试验规程和电气设备交接试验标准GB 50150—2006，规定大修后汽轮发电机的轴承油膜被短路时，转子两端轴上的电压一般应等于轴承与机座间的电压，汽轮发电机大轴对地电压一般小于10 V。

综上所述，根据以上个标准并结合图1 来看，轴电压合格测量结果，应是U1约等于U3，并且（U2+U3）之和在保证小于10 V情况下时U3尽可能大。

2.2 秦一厂主发电机轴电压的测量与分析

秦一厂主发电机为上海电机厂制造的卧式三相同步发电机，型号为QFS-350-2，额定功率350 MW，频率50 Hz，端电压18 kV。在发电机转轴靠汽轮机端上存在南北侧两支碳刷，北侧碳刷为大轴接地用碳刷，南侧碳刷为转子接地保护装置用碳刷。2020年5 月，按照如图2的方式对发电机轴电压测量，图2 中的1 代表油膜电阻，2 代表励侧轴承座对地绝缘电阻。多用表测得U1为9.198 7 V，U2为8.714 V，U3为12.64 V，ΔU 为7.86 V。显然，在汽侧接地碳刷接地效果良好的情况下，U3应该是接近0的，初步怀疑接地碳刷未有效接地。后维修检查发现碳刷和刷架过盈配合，压簧下压力抵消不掉碳刷和刷架的摩擦力，导致接触不良。

图2 秦一厂主发电机轴电压测量示意图

后将新碳刷打磨，确保和刷架摩擦满足并清理了轴承座垫片部分油污后，2020年6 月22 日重新测量，测得U1为7.781 V，U2为6.06 V，U3为0.4 V，以上述的通用标准判断均合格。

3 秦一厂轴电压测量判断标准的建议和改进

3.1 判断标准的改进

将秦一厂主发电机轴电压测量做一等效电路如图3 所示，由于在各标准和规范中，只对ΔU（发电机励侧大轴与汽侧大轴间电压），U3（发电机汽侧大轴对地电压），U1（发电机励侧大轴对地电压）有要求，但对U2（发电机励侧轴承座对地电压）没有进一步的细化要求。目前秦一厂对轴电压的验收标准中，要求1U2≥U1≥U2，但这只是一个目前参考其他机组的经验值，本不是为本机组量身定做的标准，甚至都不一定适用本机组。而且事实上秦一厂的轴电压评判标准也很难满足这一要求，有必要针对本机组制定专用的验收标准。

图3 秦一厂主发电机轴电压测量等效电路图

DLT 596—2005 电力设备预防性试验规程，规定大修汽轮发电机励侧大轴对地电压一般U1小于10 V，这是在空载状态下的要求。将U1=10 V 代入1.1U2≥U1≥U2，可得U1-U1/1.1≈10-9.09≈1 V，故空载时建议U1-U2≤1 V。

DL/T 1768—2017《旋转电机预防性试验规程》中，规定汽轮发电机大轴非接地端（励端）的轴对地电压一般小于20 V。这个标准只要求大修后或必要时测，大轴对地电压小于20 V，将U1=20 V 代入1.1U2≥U1≥U2，U1-U1/1.1≈20-18.18≈2 V，故正常运行时建议U1-U2≤2 V。

综上所述，可以得出秦一厂主发电机的专用验收标准为：

（1）U1与ΔU 大小接近且小于10 V。

（2）发电机空载时U1-U2≤1 V，正常运行时U1-U2≤2 V。

（3）U3接近于0。

3.2 关于轴电压测量的良好改进

3.2.1 保持励侧绝缘垫片的清洁并做好防异物措施

汽轮发电机组的润滑油表面暴露空气中沾染灰尘和杂质颗粒后，可能变成导电体，因此不管是日常还是大修期间都要保持绝缘垫片的完好清洁，因为一旦绝缘垫片进油污等杂质，会直接导致轴承座的绝缘整体下降，而且日常机组运行期间不具备清理这些污物的条件。

3.2.2 增加轴电压电流在线测量装置

当前秦一厂主发电机的轴电压只能人为手工定期测量，不仅测量准确性欠佳，也不能实时反映轴承座绝缘情况和跟踪绝缘变化趋势，所以有必要增加一套轴电压、轴电流在线监测装置。发电机轴电压、轴电流接线图如图4 所示，其是一个典型的绝缘在线测量装置，在励侧轴承油瓦、轴瓦瓦座和密封支座上专门设计了双侧绝缘测量点，发电机运行时只要通过接线板测量即可监测绝缘状态。