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(jī)運(yùn)行時(shí),電機(jī)兩軸承端或電機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承間所產(chǎn)生的電壓。電機(jī)軸電壓是由發(fā)電機(jī)磁不對(duì)稱、制造工藝、靜電電荷、靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)、剩磁等原因造成的。發(fā)電機(jī)軸電壓一直是存在的，但一般不高，通常不超過(guò)十幾V[1]。

正常情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與軸承間存在油膜絕緣，較低的軸電壓不會(huì)產(chǎn)生軸電流;但當(dāng)軸承絕緣因損壞、老化等原因失去絕緣性能，軸電壓會(huì)擊穿軸承油膜并形成軸電流。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與外殼基座也會(huì)由于其他原因構(gòu)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(huì)形成較大的軸電流，導(dǎo)致潤(rùn)滑和冷卻的油質(zhì)逐漸劣化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞轉(zhuǎn)軸和軸瓦，造成停機(jī)事故。

1 設(shè)備概況

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

390H型發(fā)電機(jī)裝有專門的軸電壓監(jiān)視器，能監(jiān)測(cè)軸電壓、軸電流及電刷功能，并在數(shù)據(jù)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。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(jī)聯(lián)軸端絕緣電刷柄支架上的4個(gè)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(gè)分流電阻兩端的電壓與軸電流成反比，用于軸電流測(cè)量；#1，#3電刷并聯(lián)，其接線用于測(cè)量軸到地的電壓。這兩組輸入端均接入機(jī)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(jī)在啟停及運(yùn)行中頻繁出現(xiàn)1～3 A的軸電流晃動(dòng)，最高時(shí)超過(guò)5 A(報(bào)警值)，但軸電壓監(jiān)測(cè)器顯示正常。檢查發(fā)電機(jī)軸接地電刷時(shí)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(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)接地電刷位置軸頸進(jìn)行研磨并對(duì)接地電刷進(jìn)行更換，上述情況有所好轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行工況下出現(xiàn)軸電流的頻次降低，但是軸電流波動(dòng)及軸電流超報(bào)警值的情況依然未能消除，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。2018年3— 4月，#1發(fā)電機(jī)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(chǎn)生機(jī)制可知，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)軸電壓主要來(lái)自靜電效應(yīng)，其形成的回路中軸電流波性特征為單極直流；而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸電壓的形成除了由于轉(zhuǎn)子繞組絕緣下降或接地，主要源于旋轉(zhuǎn)的不對(duì)稱磁場(chǎng)形成的回路，其中軸電流特性為交變[2]?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)軸電流波動(dòng)既有交流分量，也有直流分量。根據(jù)軸電流產(chǎn)生的特點(diǎn)，從發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、軸電壓監(jiān)測(cè)、靜電荷等方面進(jìn)行排查、分析[3]。

(1)發(fā)電機(jī)軸電壓異常。歷次軸電流異常時(shí)，軸電壓測(cè)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(jī)軸電流(2018年)Fig.3 Generator shaft current

(2)發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)軸承絕緣能力降低、損壞。機(jī)組停運(yùn)期間對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)軸承絕緣進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)絕緣良好，在運(yùn)行中對(duì)軸承絕緣進(jìn)行電壓測(cè)量，無(wú)異常情況。排除勵(lì)側(cè)軸承絕緣異常引起軸電流的可能。

(3)流動(dòng)的濕蒸汽與汽輪機(jī)低壓缸葉片摩擦出的靜電。汽輪機(jī)末級(jí)葉片的濕蒸汽含量很高，水蒸氣粒子對(duì)轉(zhuǎn)子葉片碰撞、摩擦，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生靜電效應(yīng)而帶電。這種電壓能量不大，正常情況下可通過(guò)接地電刷進(jìn)行釋放。當(dāng)軸接地電刷接觸不良時(shí)，電壓短時(shí)積聚形成瞬間放電，引起軸電流的波動(dòng)，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(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)等汽機(jī)工況變化的時(shí)段。

發(fā)電機(jī)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(duì)接地電刷處軸頸進(jìn)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(diǎn)。因此判斷發(fā)電機(jī)接地電刷接觸不良、汽機(jī)葉片摩擦產(chǎn)生靜電荷是引起軸電流異常波動(dòng)的原因之一。

圖4 勵(lì)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(jī)轉(zhuǎn)子與基礎(chǔ)臺(tái)板間構(gòu)成閉合回路。發(fā)電機(jī)接地電刷處的軸頸電蝕一般由較大的軸電流造成。對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)軸端進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)勵(lì)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(rèn)為，由于安裝等原因，勵(lì)磁罩殼氣封與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不對(duì)中、間隙出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致機(jī)組啟動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與鋁質(zhì)的勵(lì)磁罩殼氣封發(fā)生碰磨，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與勵(lì)磁罩殼、基礎(chǔ)臺(tái)板及接地電刷構(gòu)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(jī)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(guò)軸頸接地電刷處的電流密度很大，在瞬間會(huì)產(chǎn)生高溫，使接地電刷處軸頸局部燒蝕。

同時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)轉(zhuǎn)子軸端與鋁質(zhì)氣封發(fā)生碰磨，在軸頸上留有鋁屑、毛刺。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，直接碰磨現(xiàn)象由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與勵(lì)磁罩殼氣封間的推撞而減少。但當(dāng)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，汽機(jī)大軸尚未完全膨脹，軸頸黏附鋁屑、粗糙有毛刺的部位會(huì)因大軸的收縮接觸到發(fā)電機(jī)油封，油封間隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于勵(lì)磁罩殼氣封，金屬毛刺與油封發(fā)生間歇性接觸，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、油封、發(fā)電機(jī)外殼、基礎(chǔ)臺(tái)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(dāng)機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子膨脹達(dá)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(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)有間歇性交流性質(zhì)的軸電流，而當(dāng)機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后軸電流消失，且機(jī)組熱態(tài)情況下較少出現(xiàn)交流性質(zhì)的軸電流的特點(diǎn)。

磁軸端與勵(lì)磁罩殼氣封碰磨導(dǎo)致發(fā)電機(jī)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(jī)勵(lì)側(cè)油封發(fā)生短路引起軸電流在機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)交流性質(zhì)的軸電流；發(fā)電機(jī)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(shí)出現(xiàn)和無(wú)規(guī)律的小幅波動(dòng)。針對(duì)上述情況，于2018年3月對(duì)氣封間隙進(jìn)行檢查，對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)軸端軸頸鋁屑及毛刺進(jìn)行了清理，對(duì)變形的氣封進(jìn)行了修復(fù)，對(duì)油封間隙處也進(jìn)行了油污清理，消除了勵(lì)側(cè)軸端短路的各種因素，限制了較大軸電流的形成。同時(shí)，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(hù)，將此原因引起的軸電流降低到最低限度。

圖5 轉(zhuǎn)子與基礎(chǔ)臺(tái)板間構(gòu)成的閉合回路Fig.5 Closed loop formed by the rotor and base panel

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)390H發(fā)電機(jī)裝置在啟停和運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的發(fā)電機(jī)軸電流異常情況，從4個(gè)方面分析了電流異常的原因，最終確定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與勵(lì)磁罩殼氣封碰磨是引起軸電流異常的主要原因，并導(dǎo)致發(fā)電機(jī)接地電刷處軸頸電蝕損傷。針對(duì)軸電流產(chǎn)生的原因，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行針對(duì)性處理，消除了設(shè)備隱患，為發(fā)電機(jī)運(yùn)行維護(hù)積累了經(jīng)驗(yàn)。