大型燃機(jī)軸電壓軸電流異常原因分析及措施

李剛 李祥苓 于俊章 王樹(shù)春 郭英達(dá)

[摘 ? ?要]通過(guò)對(duì)大型燃機(jī)機(jī)組軸電壓、軸電流產(chǎn)生的原因分析，結(jié)合實(shí)際工程案例，提出了防止大型燃機(jī)軸電壓、軸電流偏高報(bào)警的幾種措施，通過(guò)實(shí)際案例分析，消除事故隱患，值得推廣。

[關(guān)鍵詞]軸電壓;軸電流;異常;措施

[中圖分類(lèi)號(hào)]TM357 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]Through the analysis of the causes of shaft voltage and shaft current of large gas turbine unit， combined with the actual engineering case， several measures to prevent the alarm of high shaft voltage and shaft current of large gas turbine are proposed. Through the actual case analysis， the hidden danger of accident is eliminated， which is worthy of promotion.

[Keywords]shaft voltage; shaft current; abnormality; measure

大型燃機(jī)機(jī)組在啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)在大軸上產(chǎn)生嚴(yán)重的軸電壓和大的軸負(fù)荷電流，如果不對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視和測(cè)量并采取一定的預(yù)防措施，當(dāng)其軸負(fù)荷電流增大到能夠完全擊穿軸和滾動(dòng)器之間的油膜后，就可能會(huì)在啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生大規(guī)模的放電。輕則可能造成機(jī)械性的磨損，嚴(yán)重者可能導(dǎo)致主軸瓦燒毀。

1 故障現(xiàn)象

某大型發(fā)電廠930 MW級(jí)的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組啟動(dòng)投入使用后，#1、#2號(hào)燃機(jī)在DCS盤(pán)上報(bào)“軸電壓、軸電流高報(bào)警”報(bào)警信號(hào)。

2 產(chǎn)生軸電壓的原因分析

2.1 磁路不對(duì)稱(chēng)

制造及設(shè)備安裝時(shí)磁路不對(duì)稱(chēng)可以不影響燃機(jī)的正常運(yùn)行，一般燃機(jī)的軸承都經(jīng)過(guò)絕緣處理，因此這種軸電壓產(chǎn)生的軸電流很小，不會(huì)對(duì)燃機(jī)正常運(yùn)行造成影響。但當(dāng)燃機(jī)發(fā)生其他故障（例如偏心、轉(zhuǎn)子匝間短路）使磁路不對(duì)稱(chēng)，從而產(chǎn)生的軸電流很大，對(duì)大型燃機(jī)正常運(yùn)行影響很大。

2.2 轉(zhuǎn)子大軸磁化

磁通可以通過(guò)軸、軸承以及機(jī)座閉合。當(dāng)它通過(guò)軸承時(shí)，由于垂直于軸，會(huì)在兩軸承間產(chǎn)生軸電壓，從而產(chǎn)生有害的渦流。由于燃機(jī)處于非穩(wěn)定正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況時(shí)，在大軸、本體外殼處產(chǎn)生永久磁化現(xiàn)象。在特定條件下，軸向的剩磁會(huì)產(chǎn)生自勵(lì)，從而生成較大的軸電流，對(duì)大軸造成不可預(yù)計(jì)的損傷。

2.3 勵(lì)磁系統(tǒng)中高次諧波的影響

現(xiàn)在大多數(shù)大型燃機(jī)機(jī)組勵(lì)磁方式為靜止勵(lì)磁，靜止勵(lì)磁工作系統(tǒng)是導(dǎo)致軸電壓變化產(chǎn)生的重要原因。靜止勵(lì)磁系統(tǒng)主要是將脈動(dòng)式交流電壓經(jīng)靜態(tài)可控硅整流后輸出的直流電壓進(jìn)行工作，其中包含相應(yīng)的高次諧波分量，所以脈動(dòng)電壓不可避免地出現(xiàn)在勵(lì)磁系統(tǒng)的輸出中。這種脈動(dòng)電壓是產(chǎn)生軸電流的主要原因，軸電流會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油膜造成損傷，并對(duì)軸的各個(gè)接觸面產(chǎn)生電極性的腐蝕。

2.4 靜電效應(yīng)

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，其表面的毛刺、軸上的螺栓和冷卻風(fēng)扇會(huì)與周?chē)臍怏w摩擦而產(chǎn)生電能，產(chǎn)生靜電。高速?lài)娚涞娜細(xì)庠谌紮C(jī)轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生靜電。靜電荷會(huì)積累在軸承油膜上，在一定程度會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，導(dǎo)致軸承損壞。

2.5 傳輸回路的電磁干擾

從發(fā)電機(jī)本體測(cè)量裝置到控制系統(tǒng)的電纜屏蔽效果不好，控制系統(tǒng)卡件之間連接的線路受到其他電磁干擾，造成系統(tǒng)誤報(bào)，發(fā)出軸電壓、軸電流報(bào)警。

3 軸電壓、軸電流異常的危害

軸電壓異常后，如果大軸軸承的絕緣被損壞，就會(huì)產(chǎn)生很大的軸電流。軸電流是對(duì)燃機(jī)產(chǎn)成危害的主要原因。

軸流對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的危害主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）軸電流通過(guò)軸承時(shí)，軸承溫度急劇上升，不利于正常工作。

（2）軸向電流引起傳動(dòng)機(jī)械軸承與潤(rùn)滑油之間的電離，破壞傳動(dòng)油膜的高速穩(wěn)定性，加速傳動(dòng)機(jī)械潤(rùn)滑油老化，降低其潤(rùn)滑性能及傳動(dòng)機(jī)械介電力學(xué)強(qiáng)度。

（3）當(dāng)產(chǎn)生的軸電流較大時(shí)，軸瓦表面產(chǎn)生電弧放電，造成軸承局部燒損。軸承表面產(chǎn)生不平整小坑，破壞了表面光潔度。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，軸承會(huì)因機(jī)械磨損加速而損壞，使軸承無(wú)法工作，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒壞軸瓦。

4 大型燃機(jī)軸電壓、軸電流的在線監(jiān)測(cè)裝置

大型燃機(jī)一般均配備在線的軸電壓、軸電流裝置。下面以某廠930 MW燃機(jī)電廠為例（圖1）介紹說(shuō)明。

該設(shè)備是由燃機(jī)MARKⅥ控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具有監(jiān)視功能。在燃機(jī)MARKⅥ控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸電壓并發(fā)出報(bào)警及跳閘信號(hào)。9FB型燃機(jī)發(fā)電機(jī)（勵(lì)磁釆用靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，雙通道互為備用）所選擇的GE軸電壓電流監(jiān)視器裝置。

該裝置在發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端轉(zhuǎn)軸上安裝了四組接地碳刷，其中第2、第4組接地碳刷并聯(lián)連接后經(jīng)低阻抗分流器進(jìn)行接地，監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)直接測(cè)量該接地回路中的電阻兩端的電壓從而間接獲得了該接地回路電流的信號(hào)，若軸承電流大于超過(guò)了監(jiān)測(cè)回路的整定值4 A（有效值），說(shuō)明了發(fā)電機(jī)軸承油膜存在被擊穿的可能，導(dǎo)致主軸電流變大，監(jiān)控裝置會(huì)自動(dòng)向DCS控制盤(pán)上發(fā)出一個(gè)報(bào)警或者是跳閘的信號(hào)，以便及時(shí)檢查發(fā)電機(jī)軸電壓電流異常情況。另外第1、第3組碳刷并聯(lián)連接測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的對(duì)地電壓，當(dāng)該電壓的峰值大于整定值5 V時(shí)，計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，到達(dá)計(jì)數(shù)器整定數(shù)值后，通過(guò)記錄電壓峰值出現(xiàn)的時(shí)間間隔計(jì)算得到軸頻率并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。軸電壓的報(bào)警信號(hào)是一個(gè)軸頻率大于15 Hz的直流脈沖信號(hào)或者是一個(gè)可能小于15 Hz，大約在8 Hz以上的交流信號(hào)。

5 故障判斷情況

（1）由于燃機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行，制造工藝合格，并沒(méi)有發(fā)生偏心或轉(zhuǎn)子匝間短路故障，首先排除了磁路不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致的軸電壓升高因素。這不是產(chǎn)生報(bào)警的原因。

（2）一般在靜止整流裝置的作用下，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)過(guò)程中，由于整流裝置產(chǎn)出高頻信號(hào)，軸電壓、軸電流裝置能夠檢測(cè)到高頻信號(hào)進(jìn)行報(bào)警。定速3000r/min以后，高頻裝置退出運(yùn)行，軸電壓、軸電流裝置能夠檢測(cè)到高頻信號(hào)自動(dòng)消失。并網(wǎng)以后此時(shí)產(chǎn)生的磁通量在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行工況下已被消除，不會(huì)造成軸電壓過(guò)高報(bào)警。這不是產(chǎn)生報(bào)警的原因。

報(bào)警信號(hào)發(fā)出后在就地發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)軸電壓，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，燃機(jī)軸電壓、軸電流正常，發(fā)電設(shè)備無(wú)故障，判斷就地發(fā)電機(jī)軸電壓監(jiān)測(cè)裝置發(fā)生故障。

（3）燃?xì)獍l(fā)電機(jī)裝設(shè)的接地碳刷是消除靜止勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的軸電壓以及靜電效應(yīng)產(chǎn)生的軸電壓的重要組成部分，同時(shí)接地碳刷也是軸電壓現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)接線原理圖，對(duì)發(fā)電機(jī)軸電壓測(cè)量回路進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)接地碳刷進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)部分接地碳刷端部過(guò)短，更換新的接地碳刷，清理接地碳刷周?chē)奈酃讣稗D(zhuǎn)子大軸接觸面，使其與接地碳刷有良好的接觸。軸電壓報(bào)警未消除。排除此項(xiàng)產(chǎn)生報(bào)警的原因。

（4）根據(jù)接線原理圖，應(yīng)檢查控制回路的電壓及在線監(jiān)測(cè)設(shè)備控制的電纜，該控制回路的電纜必須帶有屏蔽層并進(jìn)行接地，需要可靠性的接地。就地檢查該設(shè)備的電纜屏蔽層是否能夠可靠的進(jìn)行接地，接地電阻值為0.06Ω，符合不大于1Ω的規(guī)定。接地系統(tǒng)良好，這不是造成軸電壓升高報(bào)警的原因。

具體如圖2所示。

（5）通常在靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)中采用RC濾波元件的方式來(lái)過(guò)濾換相產(chǎn)生的高次諧波，整流橋由6個(gè)可控硅管橋臂元件構(gòu)成，可控硅的阻容保護(hù)并聯(lián)在RC兩端，主要作用是吸收可控硅換相時(shí)的過(guò)電壓，限制可控硅兩端的電壓上升率，有效防止誤導(dǎo)通。但由于功率大，過(guò)電壓的影響大，電阻功率過(guò)載，溫度很高，電容擊穿的可能還是存在的，這將導(dǎo)致交流電串入直流，產(chǎn)生較高的軸電壓頻率。在勵(lì)磁系統(tǒng)中存在兩個(gè)整流橋M1、M2，就地切換M1、M2整流橋分別工況運(yùn)行時(shí)，軸電壓報(bào)警依舊存在，這也不是造成報(bào)警的原因。

（6）檢查就地在線監(jiān)測(cè)裝置控制回路，通過(guò)信號(hào)監(jiān)測(cè)裝置發(fā)現(xiàn)有其他信號(hào)傳入裝置，將此類(lèi)信號(hào)屏蔽后，軸電壓報(bào)警消失。

6 防護(hù)措施

通過(guò)本案例，總結(jié)大型燃機(jī)機(jī)組預(yù)防及處置軸電壓、軸電流報(bào)警問(wèn)題，需要進(jìn)行以下防范措施。

（1）發(fā)電機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)子所有被磁化的部件都需要進(jìn)行退磁，以避免剩磁而引起轉(zhuǎn)子的單極軸上高電壓。

（2）定期檢查接地碳刷長(zhǎng)度，對(duì)過(guò)短的碳刷及時(shí)更換。

（3）檢查監(jiān)測(cè)軸電流軸電壓信號(hào)的電纜屏蔽層是否可靠接地。電纜屏蔽層必須與主接地系統(tǒng)具有良好的連接，接地電阻值應(yīng)不大于1Ω。連接線截面面積應(yīng)高于4m2。

（4）增加軸對(duì)地電容，減少電容與電壓之間的比值，減少勵(lì)磁系統(tǒng)在高頻電壓時(shí)峰值的頻率，這樣就解決了勵(lì)磁系統(tǒng)中產(chǎn)生的高次諧波引起軸對(duì)地電壓過(guò)高的問(wèn)題。

（5）注意屏蔽在線檢測(cè)裝置中控制回路的信號(hào)干擾。

7 結(jié)束語(yǔ)

軸電壓異常在通常情況下不會(huì)出現(xiàn)，但如果不對(duì)軸電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的危害，對(duì)電力安全生產(chǎn)造成隱患。所以監(jiān)測(cè)軸電壓的監(jiān)測(cè)裝置是十分重要的，軸電壓在線監(jiān)測(cè)裝置可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，從而快速準(zhǔn)確的處理故障點(diǎn)。所以保證設(shè)備的穩(wěn)定和運(yùn)行是至關(guān)重要的。定期檢查接地碳刷，及時(shí)做好預(yù)防措施，使燃機(jī)機(jī)組能更高效、更安全地運(yùn)行，從而產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.