歐小高，莊 重，劉 洋，徐慶慶

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核電TA1100-78型半速發(fā)電機(jī)軸電流檢測(cè)系統(tǒng)在線測(cè)試與診斷分析

歐小高，莊 重，劉 洋，徐慶慶

（中廣核工程有限公司，深圳518124）

針對(duì)CPR1000 TA1100-78型半速發(fā)電機(jī)軸電流檢測(cè)裝置，提出了一種在功率平臺(tái)下在線進(jìn)行系統(tǒng)有效性測(cè)試的方法，該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，可全面校驗(yàn)檢測(cè)回路與監(jiān)測(cè)裝置本體的正確性，提高軸電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在機(jī)組起動(dòng)后的可靠性。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該機(jī)型軸電流出現(xiàn)后的異常診斷流程進(jìn)行了分析，為同類型機(jī)組類似問(wèn)題的處理提供參考。

TA1100-78型半速發(fā)電機(jī)；軸電流監(jiān)測(cè)；在線測(cè)試；異常診斷

0 前言

核電TA1100-78型半速發(fā)電機(jī)為CPR1000在役或在建核電項(xiàng)目的主流機(jī)型，單機(jī)額定容量1150MW。在調(diào)試起動(dòng)與帶功率運(yùn)行期間該機(jī)型曾多次觸發(fā)軸電流報(bào)警，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。高密度軸電流的形成可能會(huì)給發(fā)電機(jī)軸承造成電腐蝕[1]，導(dǎo)致軸承溫度上升，嚴(yán)重時(shí)威脅發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，被迫停機(jī)檢修?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)首次投入運(yùn)行后，大軸從靜態(tài)或盤(pán)車轉(zhuǎn)速過(guò)渡至額定轉(zhuǎn)速，因接地碳刷裝配工藝的偏差或碳刷與轉(zhuǎn)軸磨合初期的影響，轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)期振動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)碳刷接觸電阻增大導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組配套的軸電流檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法有效檢測(cè)軸電流的問(wèn)題，靜態(tài)下的離線試驗(yàn)無(wú)法有效識(shí)別檢驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。因此，在機(jī)組起動(dòng)后的功率平臺(tái)下進(jìn)行軸電流裝置檢測(cè)在線測(cè)試可確保裝置運(yùn)行的可靠性。

發(fā)電機(jī)軸電壓與軸電流的形成機(jī)理已有較為成熟的理論[2]，不再贅述。本文主要從工程實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，重點(diǎn)分析核電TA1100-78型的發(fā)電機(jī)勵(lì)端軸承絕緣結(jié)構(gòu)及與之配套的軸電流檢測(cè)系統(tǒng)原理，針對(duì)軸電流檢測(cè)系統(tǒng)在機(jī)組起動(dòng)后可能因測(cè)量回路故障，振動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中接地碳刷接觸不良，接地電阻過(guò)大導(dǎo)致的軸電流監(jiān)測(cè)偏差等問(wèn)題，提出了一種在功率平臺(tái)下進(jìn)行在線有效性測(cè)試的分析方法。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際軸電流故障診斷的經(jīng)驗(yàn)[3，4]，形成一套核電發(fā)電機(jī)軸電流故障診斷的基本流程[5]，為同類型機(jī)組軸電流故障診斷提供參考。

1 TA1100-78型發(fā)電機(jī)軸電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 發(fā)電機(jī)軸電流檢測(cè)回路與原理

TA1100-78型發(fā)電機(jī)組配套的軸電流檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖1所示。

發(fā)電機(jī)勵(lì)端軸承為轉(zhuǎn)軸絕緣端（標(biāo)9），其絕緣結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)1.2節(jié)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸在汽側(cè)經(jīng)接地碳刷(標(biāo)7)與DIP裝置（標(biāo)10）內(nèi)的檢測(cè)CT相連后接地，汽輪機(jī)側(cè)的其他軸承為非絕緣結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)軸與軸承之間的絕緣為油膜絕緣，可等效為經(jīng)過(guò)渡電阻接地（標(biāo)8）。發(fā)電機(jī)空載或負(fù)載運(yùn)行后，發(fā)電機(jī)勵(lì)端轉(zhuǎn)軸存在軸電壓，當(dāng)勵(lì)端絕緣嚴(yán)重下降或失效時(shí)，軸電流形成并在裝置上被檢測(cè)到。

注：1—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子；2—汽輪機(jī)；3—?jiǎng)?lì)磁機(jī)；4、5—發(fā)電機(jī)兩側(cè)軸承；6—汽輪機(jī)側(cè)軸承；7—接地碳刷；8—汽輪機(jī)側(cè)軸承等效接地電阻；9—發(fā)電機(jī)勵(lì)端絕緣；10—軸電流監(jiān)測(cè)裝置（DIP）

圖1 軸電流檢測(cè)原理示意圖

1.2 發(fā)電機(jī)勵(lì)端軸承絕緣結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)勵(lì)端為不接地端，是隔絕軸電流形成通路的絕緣端。發(fā)電機(jī)勵(lì)端軸承絕緣指轉(zhuǎn)軸與上下半軸承套、油密封過(guò)渡環(huán)、內(nèi)外部油檔，以及跟外部連接的測(cè)振支架、高壓油管之間的絕緣，一般通過(guò)絕緣墊等絕緣材質(zhì)實(shí)現(xiàn)絕緣，保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸只有碳刷單點(diǎn)接地，其絕緣值要求0.2MW以上。發(fā)電機(jī)勵(lì)端軸承總體絕緣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

注：1—轉(zhuǎn)子；2—油密封絕緣；3—內(nèi)油檔絕緣；4—外油檔絕緣；5、6—軸承外套絕緣；7、8—軸承內(nèi)套絕緣

圖2 發(fā)電機(jī)勵(lì)端軸承絕緣結(jié)構(gòu)

為監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)軸承絕緣情況，每個(gè)絕緣部件通過(guò)引線集中引出至專門的測(cè)試端子，可定期進(jìn)行勵(lì)端絕緣情況檢查。

1.3 發(fā)電機(jī)軸電流現(xiàn)行試驗(yàn)方法分析

發(fā)電機(jī)正式起動(dòng)前，一般在靜態(tài)下進(jìn)行軸電流檢測(cè)系統(tǒng)的檢查及單體試驗(yàn)，如接地碳刷接觸電阻及接地連續(xù)性檢查，測(cè)量回路通流試驗(yàn)及軸電流報(bào)警測(cè)試等。根據(jù)同類型機(jī)組的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)行試驗(yàn)方法可能存在如下不確定因素：1）發(fā)電機(jī)首次運(yùn)行后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸從靜態(tài)或盤(pán)車轉(zhuǎn)速過(guò)渡至額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，若接地碳刷裝配工藝存在偏差及碳刷與轉(zhuǎn)軸磨合初期的影響，在轉(zhuǎn)軸振動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)碳刷與轉(zhuǎn)軸接觸不良及接觸電阻增大的情況；2）因汽輪機(jī)的其他軸承為非實(shí)體絕緣結(jié)構(gòu)，僅通過(guò)油膜絕緣，對(duì)地阻值相對(duì)較小，當(dāng)碳刷接地阻值達(dá)到一定值時(shí)，軸電流將存在分流效應(yīng)，導(dǎo)致軸電流監(jiān)測(cè)出現(xiàn)偏差；3）發(fā)電機(jī)輔助潤(rùn)滑油系統(tǒng)的投運(yùn)，高壓油管中可能存在金屬性雜質(zhì)，使除碳刷外的其他軸承與轉(zhuǎn)軸等效接地阻值（圖1標(biāo)8）下降，同樣導(dǎo)致軸電流檢測(cè)不準(zhǔn)確甚至失效。以上分析情況在發(fā)電機(jī)靜態(tài)下的試驗(yàn)無(wú)法有效驗(yàn)證，機(jī)組起動(dòng)后，在線進(jìn)行軸電流有效性的測(cè)試可大大提供軸電流監(jiān)測(cè)裝置的可靠性。

2 軸電流監(jiān)測(cè)有效性在線測(cè)試方法分析

2.1 發(fā)電機(jī)軸電流監(jiān)測(cè)有效性在線測(cè)試原理

針對(duì)上述軸電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)功率運(yùn)行后可能存在的監(jiān)測(cè)偏差或失效問(wèn)題，可以在功率平臺(tái)下在線測(cè)試軸電流檢測(cè)的有效性?？傮w思路是利用發(fā)電機(jī)的勵(lì)端軸電壓，構(gòu)建測(cè)試回路真實(shí)模擬軸電流的生成，通過(guò)比較測(cè)試回路電流與軸電流監(jiān)測(cè)裝置（DIP）檢測(cè)到的電流是否一致，來(lái)判斷軸電流檢測(cè)裝置是否有效和準(zhǔn)確。其試驗(yàn)原理如圖3所示。

從發(fā)電機(jī)軸電流監(jiān)測(cè)原理可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)空載或負(fù)載運(yùn)行后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸在勵(lì)端處存在軸電壓，可等效為電源，通過(guò)手動(dòng)舉刷，串入可調(diào)節(jié)電阻及電流表，與接地碳刷所在的軸電流檢測(cè)支路組成測(cè)試回路，當(dāng)緩慢降低可調(diào)電阻的阻值，即可生成軸電流完成在線測(cè)試，其等效電路如圖4所示。

2.2 軸電流檢測(cè)系統(tǒng)在線測(cè)試方法分析

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸可等效成電源，根據(jù)等效電路圖4可知，存在如下關(guān)系：

其中，為軸電壓，為軸電勢(shì)，為軸電流，結(jié)合公式（1），（2），對(duì)軸電流在線測(cè)試分析如下：

1）在碳刷接觸良好，監(jiān)測(cè)回路及裝置正常，汽輪機(jī)側(cè)油膜絕緣良好的情況下，因1遠(yuǎn)大于測(cè)試回路電阻，1支路相當(dāng)于開(kāi)路（2=0），從式（2）可得=1，即流過(guò)測(cè)量電流表A1與DIP監(jiān)測(cè)儀表的電流A2應(yīng)該相同，因此測(cè)試時(shí)只需記錄并比較測(cè)量電流表與監(jiān)測(cè)儀表的電流是否一致即可判斷檢測(cè)系統(tǒng)是否正常。

2）當(dāng)汽輪機(jī)側(cè)油膜絕緣良好時(shí)，即1阻值較大不存在分流，若檢測(cè)回路存在故障或碳刷接觸不良時(shí)，測(cè)試回路電阻過(guò)大，軸電流將可能無(wú)法生成，此時(shí)DIP裝置將檢測(cè)不到電流。

3）當(dāng)檢測(cè)回路及裝置正常，而汽輪機(jī)側(cè)油膜絕緣降低導(dǎo)致1阻值變小時(shí)，1支路存在分流（0），從式（2）可知，DIP監(jiān)測(cè)儀表A2電流將小于測(cè)量電流表A1（1<），檢測(cè)的軸電流小于實(shí)際軸電流，裝置檢測(cè)將存在偏差。

綜上分析，通過(guò)實(shí)際模擬生成軸電流，只需比較測(cè)量回路電流表A1與裝置檢測(cè)儀表A2的電流值是否一致即可判斷軸電流檢測(cè)系統(tǒng)是否正常，同時(shí)可根據(jù)測(cè)試情況分析軸電流出現(xiàn)偏差的故障類型。設(shè)計(jì)手冊(cè)要求，軸電流一段報(bào)警定值為0.2A，二段跳閘定值為2A，以一段報(bào)警值0.2A為上限進(jìn)行試驗(yàn)可確保試驗(yàn)及設(shè)備的安全。

注：1—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子；2—汽輪機(jī)；3—?jiǎng)?lì)磁機(jī)；4、5—發(fā)電機(jī)兩側(cè)軸承；6—汽輪機(jī)側(cè)軸承；7—接地碳刷；8—手動(dòng)舉刷裝置；9—汽輪機(jī)側(cè)軸承等效接地電阻； A1—測(cè)量用交流電流表；A2— 軸電流裝置檢測(cè)電流表；R—可調(diào)電阻箱

圖3 軸電流在線模擬試驗(yàn)示意圖

注：R—測(cè)試接線電阻；—可調(diào)電阻；—軸電壓；1—汽輪機(jī)側(cè)軸承等效接地電阻；—等效軸電勢(shì)；R—軸電勢(shì)內(nèi)阻；—軸電流；1—軸電流監(jiān)測(cè)電流；2—汽輪機(jī)側(cè)軸承分流

圖4 軸電流在線測(cè)試等效電路

2.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際案例驗(yàn)證

在某核電廠4號(hào)發(fā)電機(jī)起動(dòng)后的15%功率平臺(tái)按上述分析方法進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)前測(cè)量發(fā)電機(jī)機(jī)端軸電壓為0.78V。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)可調(diào)電阻從3000Ω降至2Ω時(shí)，軸電流監(jiān)視裝置一直顯示為零，說(shuō)明檢測(cè)回路存在故障，軸電流在監(jiān)測(cè)裝置上未形成通路。

對(duì)發(fā)電機(jī)汽側(cè)的接地碳刷與轉(zhuǎn)軸接觸的部位進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)存在碳刷接觸不良的情況，取下碳刷檢查發(fā)現(xiàn)碳刷接觸部位存在明顯偏差的現(xiàn)象，手動(dòng)舉刷測(cè)量轉(zhuǎn)軸對(duì)地的阻值已達(dá)678Ω（圖5）?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)碳刷重新進(jìn)行打磨和調(diào)整后，再次進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖5 檢查發(fā)電機(jī)接地碳刷及接地電阻

表1 軸電流裝置在線測(cè)試結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)改變可調(diào)電阻值，測(cè)量多組數(shù)據(jù)。表1數(shù)據(jù)說(shuō)明測(cè)量電流表A1與DIP裝置檢測(cè)到的軸電流A2基本一致，兩者測(cè)量曲線（圖6）基本吻合，說(shuō)明軸電流監(jiān)測(cè)裝置能可靠檢測(cè)軸電流，且不存在分流效應(yīng)，從而驗(yàn)證了軸電流監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)有效。

圖6 測(cè)量電流A1與監(jiān)測(cè)電流A2比較

根據(jù)公式（1），選取測(cè)試數(shù)據(jù)中的兩組數(shù)值（第6、10組），構(gòu)成如下方程組。

將表1中測(cè)量的軸電流值依次代入公式（4），可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的軸電壓，將其與表1實(shí)際測(cè)量的軸電壓進(jìn)行比較（如圖7所示），兩者高度吻合。說(shuō)明隨著電阻下調(diào)，軸電流不斷增大，因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸內(nèi)阻壓降的存在，軸電壓從0.78V下降至0.6V，這一現(xiàn)象與上述理論分析的結(jié)果一致，同時(shí)也佐證了軸電流系統(tǒng)在線測(cè)試電路模型的正確性。

圖7 軸電壓實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值比較

3 軸電流在線故障診斷方法探討

軸電流出現(xiàn)后的故障診斷現(xiàn)場(chǎng)排查較為困難，機(jī)組帶功率運(yùn)行后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際排查的可操作性低，而盲目的停機(jī)檢查將造成機(jī)組檢修次數(shù)增多，帶來(lái)發(fā)電損失，且停機(jī)狀態(tài)下也無(wú)有效的排查手段。本文結(jié)合TA1100-78型發(fā)電機(jī)組軸電流檢測(cè)裝置原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)診斷實(shí)踐總結(jié)出一套核電軸電流系統(tǒng)在線排查與診斷的基本流程。在確保機(jī)組安全運(yùn)行的條件下在線開(kāi)展軸電流問(wèn)題的排查與處理，盡量減少停機(jī)次數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)故障診斷流程如圖8所示。

（1）軸電流出現(xiàn)后，首先應(yīng)確認(rèn)軸電流監(jiān)視裝置的檢測(cè)的可靠性，可利用本文介紹的在線驗(yàn)證方法檢查測(cè)量回路與裝置，同時(shí)可利用鉗形電流表或串入低內(nèi)阻電流表進(jìn)行輔助確認(rèn)。

（2）發(fā)電機(jī)勵(lì)端絕緣下降是軸電流形成回路的關(guān)鍵點(diǎn)，應(yīng)通過(guò)絕緣引線對(duì)勵(lì)端絕緣電阻值進(jìn)行確認(rèn)。

（3）接地碳刷在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)因轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸與碳刷物理接觸不良，或者碳刷未進(jìn)行有效打磨導(dǎo)致電氣接觸不良，可以通過(guò)逐步分段測(cè)量對(duì)地電阻以確認(rèn)接地的可靠性，并利用碳刷測(cè)量轉(zhuǎn)軸電壓及轉(zhuǎn)軸對(duì)地電阻，以確認(rèn)轉(zhuǎn)軸與地之間是否存在接觸不良的情況。

圖8 軸電流故障診斷與處理流程

（4）發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)軸與潤(rùn)滑油直接接觸，存在電導(dǎo)率不合格，或轉(zhuǎn)軸與高壓油管、軸瓦等部件的接觸導(dǎo)致絕緣降低，可結(jié)合潤(rùn)滑油油樣報(bào)告進(jìn)行輔助判斷。

（5）如發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)軸電壓明顯偏高，存在導(dǎo)致軸電流的可能性，可利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間隙波形進(jìn)行輔助判斷，檢查發(fā)電機(jī)是否存在較大的磁路不對(duì)稱情況，綜合對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（6）對(duì)發(fā)電機(jī)整體運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，如存在不可接受因素，必須停機(jī)檢查，即使軸電流不影響發(fā)電機(jī)的可靠運(yùn)行，也需制定響應(yīng)的監(jiān)視手段及應(yīng)急預(yù)案，避免情況惡化，造成事故。

4 結(jié)論

本文提出了一種在線驗(yàn)證TA1100-78型發(fā)電機(jī)軸電流裝置檢測(cè)有效性的測(cè)試方法，可對(duì)整個(gè)軸電流檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行全面檢驗(yàn)并發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。因該機(jī)型汽輪機(jī)側(cè)軸瓦對(duì)地阻值的較低，機(jī)組起動(dòng)后接地碳刷接觸狀態(tài)的變化可能引起軸電流監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)發(fā)生偏差，而功率平臺(tái)下進(jìn)行在線測(cè)試可有效規(guī)避上述問(wèn)題。該方法簡(jiǎn)單易實(shí)施，具有推廣價(jià)值。同時(shí)結(jié)合核電現(xiàn)場(chǎng)軸電流故障診斷經(jīng)驗(yàn)，對(duì)軸電流出現(xiàn)后的在線故障診斷基本流程進(jìn)行了總結(jié)，在確保機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，盡量減少停機(jī)次數(shù)，在線開(kāi)展軸電流的診斷與處理。

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Online Testing and Diagnosis of Shaft Current Detecting System of Nuclear Power TA1100-78 Type Half Speed Generator

OU Xiaogao, ZHUANG Zhong, LIU Yang, XU Qingqing

(China Nuclear Power Engineering Co.Ltd, Shenzhen 518124, China)

For CPR1000 TA1100-78 half speed generator shaft current monitoringdevice, this paper puts forward an online validity test method on power platform. The method is simple and practical, the correctness of the detection circuit and the main body of the monitoring device can be fully checked,the reliability of the shaft current detection system can be improved after the generator start. At the same time, combined with the field practice, the abnormal diagnosis process for the shaft current is analyzed, which can provide reference for solving similar problems of the same type of unit.

TA1100-78 half speed generator; the shaft current monitoring; online test; abnormal diagnosis

TM311

A

1000-3983(2016)06-0022-04

2016-05-10

歐小高(1983-)，2009年畢業(yè)于東北電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，中廣核工程有限公司，發(fā)變電系統(tǒng)調(diào)試起動(dòng)，電氣工程師。

審稿人：畢純輝