390H型發(fā)電機軸電流異常情況分析處理

蔣小峰，鈕志峰

(江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213011)

0 引言

軸電壓是指在電機運行時,電機兩軸承端或電機轉軸與軸承間所產生的電壓。電機軸電壓是由發(fā)電機磁不對稱、制造工藝、靜電電荷、靜態(tài)勵磁系統(tǒng)、剩磁等原因造成的。發(fā)電機軸電壓一直是存在的，但一般不高，通常不超過十幾V[1]。

正常情況下，發(fā)電機轉子與軸承間存在油膜絕緣，較低的軸電壓不會產生軸電流;但當軸承絕緣因損壞、老化等原因失去絕緣性能，軸電壓會擊穿軸承油膜并形成軸電流。發(fā)電機轉子與外殼基座也會由于其他原因構成閉合回路、形成軸電流。由于該閉合回路阻抗極小，在軸電壓的作用下，將會形成較大的軸電流，導致潤滑和冷卻的油質逐漸劣化，嚴重時會燒壞轉軸和軸瓦，造成停機事故。

1 設備概況

江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司建有2套S109FA燃機聯(lián)合循環(huán)機組，機組主要設備包括GE公司生產的PG9351FA型燃機、D10型汽輪機、390H型全氫冷發(fā)電機及三壓再熱自然循環(huán)余熱鍋爐。

390H型發(fā)電機裝有專門的軸電壓監(jiān)視器，能監(jiān)測軸電壓、軸電流及電刷功能，并在數(shù)據(jù)異常時發(fā)出報警信號。軸電壓監(jiān)視器由控制柜中的軸電壓監(jiān)視器電路和安裝在發(fā)電機聯(lián)軸端絕緣電刷柄支架上的4個電刷組成，電刷接線方式如圖1所示：#2，#4電刷并聯(lián)，其接線經(jīng)由分流電阻R連接到地，這個分流電阻兩端的電壓與軸電流成反比，用于軸電流測量；#1，#3電刷并聯(lián)，其接線用于測量軸到地的電壓。這兩組輸入端均接入機組控制柜。

圖1 軸電壓監(jiān)視器電刷接線Fig.1 Shaft voltage monitor brush wiring

2 異常情況

從2017年開始，#1發(fā)電機在啟停及運行中頻繁出現(xiàn)1～3 A的軸電流晃動，最高時超過5 A(報警值)，但軸電壓監(jiān)測器顯示正常。檢查發(fā)電機軸接地電刷時發(fā)現(xiàn)此處軸頸有電蝕現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 軸頸電蝕情況Fig.2 Electrical erosion of the journal

經(jīng)過對發(fā)電機接地電刷位置軸頸進行研磨并對接地電刷進行更換，上述情況有所好轉，發(fā)電機穩(wěn)定運行工況下出現(xiàn)軸電流的頻次降低，但是軸電流波動及軸電流超報警值的情況依然未能消除，嚴重影響機組安全運行。2018年3— 4月，#1發(fā)電機軸電流變化情況如圖3所示。

3 原因分析及處理

由軸電壓的產生機制可知，汽輪機轉子側軸電壓主要來自靜電效應，其形成的回路中軸電流波性特征為單極直流；而發(fā)電機轉子軸電壓的形成除了由于轉子繞組絕緣下降或接地，主要源于旋轉的不對稱磁場形成的回路，其中軸電流特性為交變[2]?，F(xiàn)場測量時，發(fā)現(xiàn)軸電流波動既有交流分量，也有直流分量。根據(jù)軸電流產生的特點，從發(fā)電機結構、軸電壓監(jiān)測、靜電荷等方面進行排查、分析[3]。

(1)發(fā)電機軸電壓異常。歷次軸電流異常時，軸電壓測量數(shù)據(jù)均正常(電壓穩(wěn)定在5 V左右)，排除了軸電壓異常引起軸電流的可能。

圖3 發(fā)電機軸電流(2018年)Fig.3 Generator shaft current

(2)發(fā)電機勵側軸承絕緣能力降低、損壞。機組停運期間對發(fā)電機勵側軸承絕緣進行檢查，發(fā)現(xiàn)絕緣良好，在運行中對軸承絕緣進行電壓測量，無異常情況。排除勵側軸承絕緣異常引起軸電流的可能。

(3)流動的濕蒸汽與汽輪機低壓缸葉片摩擦出的靜電。汽輪機末級葉片的濕蒸汽含量很高，水蒸氣粒子對轉子葉片碰撞、摩擦，使轉子產生靜電效應而帶電。這種電壓能量不大，正常情況下可通過接地電刷進行釋放。當軸接地電刷接觸不良時，電壓短時積聚形成瞬間放電，引起軸電流的波動，此電流主要以直流電的形式存在。這種軸電流主要出現(xiàn)在機組啟動和停機等汽機工況變化的時段。

發(fā)電機接地電刷處軸頸存在電蝕情況(如圖4所示)，軸頸凹坑的積聚使表面變得粗糙，易引起油污積聚、接地電刷接觸惡化。在對接地電刷處軸頸進行清潔后，這種軸電流明顯降低甚至消失，符合靜電荷引起的軸電流的特點。因此判斷發(fā)電機接地電刷接觸不良、汽機葉片摩擦產生靜電荷是引起軸電流異常波動的原因之一。

圖4 勵磁罩殼氣封碰磨情況Fig.4 Collision and rubbing of gas sealing of excitation shell

(4)其他原因造成發(fā)電機轉子與基礎臺板間構成閉合回路。發(fā)電機接地電刷處的軸頸電蝕一般由較大的軸電流造成。對發(fā)電機勵側軸端進行檢查，發(fā)現(xiàn)勵磁罩殼的氣封有碰磨的現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)有鋁屑黏附在軸頸上，軸頸碰磨部位表面變得粗糙有毛刺，如圖4所示。

分析認為，由于安裝等原因，勵磁罩殼氣封與發(fā)電機轉子不對中、間隙出現(xiàn)偏差，導致機組啟動時發(fā)電機轉子與鋁質的勵磁罩殼氣封發(fā)生碰磨，發(fā)電機轉子與勵磁罩殼、基礎臺板及接地電刷構成閉合回路，如圖5中回路1所示。該回路電阻較小，在發(fā)電機軸電壓的作用下易形成較大的軸電流，此電流主要為交流成分。由于軸電流通過軸頸接地電刷處的電流密度很大，在瞬間會產生高溫，使接地電刷處軸頸局部燒蝕。

同時，發(fā)電機勵側轉子軸端與鋁質氣封發(fā)生碰磨，在軸頸上留有鋁屑、毛刺。隨著機組運行時間的增加，直接碰磨現(xiàn)象由于發(fā)電機轉子與勵磁罩殼氣封間的推撞而減少。但當機組冷態(tài)啟動時，汽機大軸尚未完全膨脹，軸頸黏附鋁屑、粗糙有毛刺的部位會因大軸的收縮接觸到發(fā)電機油封，油封間隙遠遠小于勵磁罩殼氣封，金屬毛刺與油封發(fā)生間歇性接觸，導致發(fā)電機轉子、油封、發(fā)電機外殼、基礎臺板和接地電刷之間形成閉合回路，形成軸電流，軸電流形成的回路如圖5中回路2所示。當機組運行一段時間，發(fā)電機轉子膨脹達到一定量，軸頸留有鋁屑、毛刺的碰磨部位離開油封，軸電流閉合回路消失，軸電流下降。該現(xiàn)象符合機組冷態(tài)啟動時有間歇性交流性質的軸電流，而當機組運行一段時間后軸電流消失，且機組熱態(tài)情況下較少出現(xiàn)交流性質的軸電流的特點。

磁軸端與勵磁罩殼氣封碰磨導致發(fā)電機軸接地電刷處軸頸發(fā)生電蝕；碰磨形成的金屬殘余物與發(fā)電機勵側油封發(fā)生短路引起軸電流在機組冷態(tài)啟動時出現(xiàn)交流性質的軸電流；發(fā)電機接地電刷處軸頸電蝕引起接地電刷接觸不良，引起軸電流在啟停階段短時出現(xiàn)和無規(guī)律的小幅波動。針對上述情況，于2018年3月對氣封間隙進行檢查，對發(fā)電機勵側軸端軸頸鋁屑及毛刺進行了清理，對變形的氣封進行了修復，對油封間隙處也進行了油污清理，消除了勵側軸端短路的各種因素，限制了較大軸電流的形成。同時，在接地電刷處軸頸未能徹底處理前，定期清理軸頸油污、做好電刷維護，將此原因引起的軸電流降低到最低限度。

圖5 轉子與基礎臺板間構成的閉合回路Fig.5 Closed loop formed by the rotor and base panel

4 結束語

本文針對390H發(fā)電機裝置在啟停和運行時出現(xiàn)的發(fā)電機軸電流異常情況，從4個方面分析了電流異常的原因，最終確定發(fā)電機轉子與勵磁罩殼氣封碰磨是引起軸電流異常的主要原因，并導致發(fā)電機接地電刷處軸頸電蝕損傷。針對軸電流產生的原因，結合現(xiàn)場情況進行針對性處理，消除了設備隱患，為發(fā)電機運行維護積累了經(jīng)驗。