一起水輪發(fā)電機(jī)軸電流超標(biāo)故障的分析與處理過程解讀

1、一起水輪發(fā)電機(jī)軸電流超標(biāo)故障的分析與處理過程金華峰1，2，伏虹潤1（1.大唐國際彭水水電開發(fā)有限公司，重慶市彭水縣，409600；2.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院）概 要：觀察分析了彭水水電站3#發(fā)電機(jī)軸電流的變化特點(diǎn)，推斷出故障原因后，經(jīng)返廠處理后消除缺陷。目前天津阿爾斯特水輪發(fā)電機(jī)組在國內(nèi)投運(yùn)的較多，可供同類型機(jī)組在處理軸電流時(shí)參考。關(guān)鍵詞：軸電流；超標(biāo)；分析；處理0 引言烏江彭水水電站設(shè)計(jì)單機(jī)容量350MW，水輪發(fā)電機(jī)組采用天津阿爾斯通公司生產(chǎn)的三相立軸雙導(dǎo)半傘式、單路徑向密閉自循環(huán)無風(fēng)扇空冷同步發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸分為三段，即上端軸、轉(zhuǎn)子中心體、下端軸，上端軸由軸身、滑轉(zhuǎn)子組成，下端軸為三段焊

2、接而成。由于發(fā)電機(jī)上端軸采用阿爾斯通公司新型滑轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，有別于常見的軸領(lǐng)結(jié)構(gòu)，從而對發(fā)電機(jī)軸電流的防護(hù)提出了新的課題。1 發(fā)電機(jī)軸電流運(yùn)行情況描述彭水水電站自2008年2月機(jī)組陸續(xù)投產(chǎn)以來，3#和5#發(fā)電機(jī)在運(yùn)行期間有不同程度的軸電流存在。軸電流的大小隨發(fā)電機(jī)輸出功率的增加而增大，且在零功率輸出加勵(lì)磁工況下即有軸電流存在,此時(shí)3#機(jī)軸電流為0.42A,5#機(jī)軸電流為0.42A。在輸出功率為300MW時(shí)3#機(jī)軸電流為1.36A,5#機(jī)軸電流為1.05A.在輸出功率相同工況下,不存在軸電流的大小隨發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加而增大的現(xiàn)象。嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。針對3號機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場機(jī)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3號機(jī)組軸電流與

3、發(fā)電機(jī)定子磁場關(guān)系密切，定子電流越大軸電流越大，再從機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，3號機(jī)組上導(dǎo)擺度超標(biāo)，達(dá)到0.35mm，以上兩因素表明3號機(jī)組存在定轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)中心嚴(yán)重偏移缺陷，并且3號機(jī)組投產(chǎn)以來轉(zhuǎn)子絕緣一直偏低，500V絕緣測試表測試絕緣值為0，因此需進(jìn)一步采取綜合措施限制軸電流的上升，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。表1 3號機(jī)組軸電流記錄有功功率(MW)軸電流(A)備 注00空轉(zhuǎn)時(shí)00.42空載時(shí)1500.8218012001.12301.212701.323001.36圖1 3號機(jī)組軸電流與有功功率關(guān)系曲線2 產(chǎn)生軸電壓和軸電流的原因分析大型水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，由于結(jié)構(gòu)、運(yùn)行環(huán)境的影響，不可避免

4、的將在發(fā)電機(jī)主軸上產(chǎn)生軸電壓，如不采取措施相應(yīng)措施，就會在發(fā)電機(jī)主軸與軸瓦（推力瓦）間產(chǎn)生軸電流，軸電流的長期存在，將侵蝕軸領(lǐng)與軸瓦，將嚴(yán)重縮短軸承使用壽命，輕微的可運(yùn)行上千小時(shí)，嚴(yán)重的甚至只能運(yùn)行幾小時(shí)，嚴(yán)重威脅水輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，由此帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失巨大。產(chǎn)生軸電流的前提是要產(chǎn)生軸電壓，而產(chǎn)生軸電壓原因主要有以下幾種：(1) 電磁不平衡產(chǎn)生軸電壓發(fā)電機(jī)定子鐵芯在結(jié)構(gòu)上有對縫，加上鐵芯槽、通風(fēng)孔等的存在，不可能是真正理想的圓。加上安裝原因造成發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙不均勻，造成磁阻不一致從而磁路不對稱。且機(jī)組在運(yùn)行中主軸又有一定范圍的擺動(dòng)，這樣使發(fā)電機(jī)定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場不均勻

5、，而不平衡的磁力線磁束與回轉(zhuǎn)大軸相切產(chǎn)生軸電壓。(2) 靜電感應(yīng)產(chǎn)生軸電壓 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子主軸在強(qiáng)電場下運(yùn)轉(zhuǎn)，在強(qiáng)電場作用下，在轉(zhuǎn)子主軸的兩端感應(yīng)出軸電壓。(3) 自動(dòng)化元件故障產(chǎn)生軸電壓大型水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)化元件較多，運(yùn)行現(xiàn)場接線繁雜，元件故障造成帶電線頭搭接在轉(zhuǎn)軸上，產(chǎn)生軸電壓。以上各種因素共同作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了軸電壓。對于彭水的機(jī)組，理論上說只有上端軸或旋轉(zhuǎn)補(bǔ)氣管接地軸電流才會有回路，軸電流才會存在?；谏鲜隼碚摬檎?#發(fā)電機(jī)上端軸或旋轉(zhuǎn)補(bǔ)氣管是否有接地點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上看,有三處具有接地可能性:（1）上端軸與擋油管接觸,通過上機(jī)架接地（見圖 所示15、16處）；（2）上端軸與滑轉(zhuǎn)子短路, 通過滑

6、轉(zhuǎn)子、導(dǎo)瓦、上機(jī)架接地（見圖2所示12、13、14處）；（3）旋轉(zhuǎn)補(bǔ)氣管與集水槽接觸,通管路接地（見圖2所示11處）。圖2 彭水發(fā)電機(jī)上端軸結(jié)構(gòu)3 軸電流的危害機(jī)組正常運(yùn)行中，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子主軸軸領(lǐng)與軸瓦之間有油膜存在，油膜起到潤滑作用，在一定電壓下也能起絕緣的作用。對于較低的軸電壓，這層潤滑油膜能滿足主軸軸領(lǐng)與軸瓦絕緣要求，因此不會產(chǎn)生軸電流。但當(dāng)軸電壓增加到一定數(shù)值后，尤其在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)階段，軸瓦與軸領(lǐng)的潤滑油膜還未穩(wěn)定形成，軸電壓將擊穿油膜而放電，此時(shí)軸電壓將通過主軸、軸承、機(jī)座、主軸而形成環(huán)形短路電流，從而形成軸電流。此電流將從軸瓦和軸領(lǐng)的金屬接觸點(diǎn)通過，由于該金屬接觸面很小，幾乎是點(diǎn)接觸

7、，又由于軸電流回路阻抗很小，因此這些點(diǎn)的電流密度大，在瞬間產(chǎn)生高溫，使軸承局部燒熔，在金屬表面形成極微小的電蝕凹坑。另外被燒熔的軸承合金在碾壓力的作用下飛濺，在軸瓦上將會產(chǎn)生純機(jī)械磨損。軸領(lǐng)（或鏡板）和軸瓦間在小電弧侵蝕作用下，軸瓦表面合金逐漸吸到軸領(lǐng)（或鏡板）上去，破壞軸瓦工作面，從而引起軸瓦過熱甚至燒損。另外軸電流將使?jié)櫥妥冑|(zhì)、發(fā)黑，進(jìn)而降低潤滑油潤滑性能，進(jìn)而使軸承溫度升高。而軸瓦表面巴氏合金的磨耗會使一部分軸瓦失去對轉(zhuǎn)子軸領(lǐng)的預(yù)負(fù)荷作用，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)容易誘發(fā)油膜渦動(dòng)，造成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不穩(wěn)定。而不穩(wěn)定的油膜反過來又會引起軸承油膜電阻的急劇下降，使更多的軸電流通過該區(qū)域，加劇電火花作用。在

8、各種因素彼此相互激勵(lì)下，最終導(dǎo)致軸領(lǐng)或軸瓦的損壞。4 彭水機(jī)組軸電流監(jiān)測手段及防范措施由于軸電流造成的損傷危害大后果嚴(yán)重，因此大型發(fā)電機(jī)組對防止軸電流的產(chǎn)生要求更高。由于完全避免產(chǎn)生軸電壓難度太大，因此減小或消除軸電流引起的損傷，主要手段就是限制軸電壓的升高和提高軸承絕緣。一般認(rèn)為，足以引起軸電流損傷的電壓在20V以上，典型的軸承損傷電壓在30100V之間。如果把軸電壓降到1V以下，基本上就可以消除軸電流帶來的故障。而提高軸承絕緣，可阻斷軸電流回路，從而消除軸電流的損傷。因此，根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從上述兩方面分別采取措施，即對下端軸采用限制軸電壓的升高，上端軸采用提高軸承的絕緣等兩方面采

9、取措施。在水電廠生產(chǎn)現(xiàn)場常采用防護(hù)軸電流的主要措施有：(1) 在發(fā)電機(jī)下端軸下部安裝接地碳刷，以降低軸電位，使接地碳刷可靠接地，并且與轉(zhuǎn)軸可靠接觸，保證轉(zhuǎn)軸電位為零電位，以此限制轉(zhuǎn)子下部軸電壓，從而消除軸電流的傷害。圖3 常規(guī)上導(dǎo)瓦絕緣防護(hù)措施(2) 對于傘式機(jī)組，則采取提高上導(dǎo)軸承絕緣水平的方法阻斷軸電流回路。對于懸式機(jī)組，除了提高上導(dǎo)軸承絕緣水平外，還在推力頭與鏡板間加一層絕緣。以切斷軸電流的回路。圖3所示為上端軸與軸領(lǐng)一體的上導(dǎo)軸承絕緣防護(hù)措施。由圖可見，常規(guī)軸領(lǐng)與軸身一體的軸承結(jié)構(gòu)，防護(hù)軸電流的措施是在上導(dǎo)瓦與軸承支座間加裝絕緣材料（一般為0.52 毫米厚酚醛玻璃板）的方法實(shí)現(xiàn)的。彭水

10、水電站上端軸采用阿爾斯通新型結(jié)構(gòu)，即上端軸由軸身、滑轉(zhuǎn)子、絕緣材料等組成，如圖4所示： 軸身和滑轉(zhuǎn)子在工廠分別精加工后，滑轉(zhuǎn)子熱套在軸身上，在熱套前在軸身與滑轉(zhuǎn)子接觸立面，貼上一層阿爾斯通專用絕緣紙，在接觸上平面墊上絕緣環(huán)。熱套完成后用1000V絕緣電阻測試儀測量軸身與滑轉(zhuǎn)子之間的絕緣，設(shè)計(jì)要求絕緣值大于1M。彭水水輪發(fā)電機(jī)的軸電流防護(hù)，正是結(jié)合這種特殊的結(jié)構(gòu)，結(jié)合常規(guī)防護(hù)手段，共同實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的軸電流防護(hù)目的。根據(jù)發(fā)電機(jī)軸電壓產(chǎn)生的原因，軸電壓主要產(chǎn)生在轉(zhuǎn)子中心體下平面以上。因此，彭水水電站對水輪發(fā)電機(jī)組軸電流的防護(hù)采用上端軸絕緣阻斷、下端軸接地限制、和裝設(shè)軸電流保護(hù)裝置三種手段，形成完整的軸

11、電流防護(hù)系統(tǒng)。（1）下端軸對下端軸采用常規(guī)的接地碳刷接地的防護(hù)方式，接地碳刷安裝在下機(jī)架下導(dǎo)軸承下部并可靠接地，因此限制了發(fā)電機(jī)下端軸軸電壓幅值，從而對推力軸承和下導(dǎo)軸承起到了保護(hù)作用，并給轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)和轉(zhuǎn)子電壓測量回路提供了通路。（2）上端軸對上端軸，根據(jù)圖4所示可知，阿爾斯通公司已在發(fā)電機(jī)上端軸軸身與軸領(lǐng)之間加裝特殊絕緣紙。因此，上端軸軸電流的防護(hù)就依靠它來實(shí)現(xiàn)。即上端軸通過軸身與滑轉(zhuǎn)子之間的絕緣，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子主軸與滑轉(zhuǎn)子及上導(dǎo)瓦的絕緣，從而實(shí)現(xiàn)了阻斷電流的目的。具體結(jié)構(gòu)見圖4所示：圖4 彭水發(fā)電機(jī)上端軸絕緣防護(hù)結(jié)構(gòu)圖5 彭水上導(dǎo)瓦絕緣防護(hù)措施彭水上導(dǎo)軸承絕緣防護(hù)（圖5）與常規(guī)絕緣防

12、護(hù)相比，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：a.通常規(guī)絕緣防護(hù)相比，由于不在上導(dǎo)瓦與軸承支座間加裝絕緣墊板，從而簡化了上導(dǎo)瓦安裝與調(diào)整工作，且使上導(dǎo)軸承運(yùn)行穩(wěn)定可靠。b.由于滑轉(zhuǎn)子與軸身間的絕緣紙是熱套進(jìn)去后再加工，使得軸身與滑轉(zhuǎn)子結(jié)合緊密，且運(yùn)行中滑轉(zhuǎn)子只承受徑向力，從而降低了絕緣紙磨損損壞的可能，運(yùn)行可靠性得到提高。目前在我國運(yùn)行的阿爾斯通公司機(jī)組基本上是此類結(jié)構(gòu)，未有此類絕緣損壞事故的發(fā)生。但由于結(jié)構(gòu)特殊，對機(jī)組檢修和維護(hù)也帶來新問題，主要有：a.一旦絕緣紙故障，現(xiàn)場無法修復(fù)，必需返廠修復(fù)，使得修復(fù)時(shí)間相對較長，且必需在機(jī)組大修時(shí)進(jìn)行。因此，考慮正常時(shí)電廠將阿爾斯通特種絕緣紙作為備品考慮，絕緣損壞時(shí)，臨時(shí)用

13、絕緣紙做軸瓦防護(hù)，待機(jī)組大修處理。b.檢查滑轉(zhuǎn)子與軸身絕緣工作困難。由于結(jié)構(gòu)特殊，進(jìn)行絕緣檢查工作，必需將上導(dǎo)瓦、集電環(huán)碳刷拆除后，方可進(jìn)行檢查工作，帶來工作量的成倍增加。由于此種結(jié)構(gòu)可靠性高，所以如軸電流監(jiān)測正常，此工作可以放在機(jī)組大修時(shí)進(jìn)行，一般性檢修可不檢查。（3）軸電流保護(hù)裝置（D為發(fā)電機(jī)軸直徑，D+20為互感器內(nèi)徑）圖6 軸電流互感器安裝圖為了防止一旦上端軸絕緣損壞，形成軸電流損傷上導(dǎo)軸承，彭水水電站在上導(dǎo)軸承油箱下部裝設(shè)BZL10B型軸電流保護(hù)裝置，軸電流保護(hù)安裝情況如圖6所示：該裝置能檢測軸電流一次側(cè)0.12.0A 的軸電流。因此一旦上端軸絕緣受損，產(chǎn)生軸電流，保護(hù)裝置將動(dòng)作與機(jī)

14、組跳閘停機(jī)，從而達(dá)到保護(hù)機(jī)組軸承安全的目的。保護(hù)裝置針對軸電流大小設(shè)置兩級輸出，一級軸電流達(dá)到0.5A報(bào)警，二級軸電流達(dá)到1.5A跳閘。5 檢查及處理方案排空油槽內(nèi)潤滑油按圖2所示順序拆除各部件，各部件拆除前與其相連部件做標(biāo)記。（1）拆除圖2所示1蓋板；（2）拆除圖2所示2蓋板, 檢查旋轉(zhuǎn)補(bǔ)氣管與集水槽是否有接觸；（3）拆除擋油管之前檢查擋油管與上端軸是否有接觸; 拆除擋油管之后檢查擋油管是否有摩擦痕跡；（4）清理圖2所示12、14處,檢查上端軸與滑轉(zhuǎn)子之間電阻. 若絕緣電阻合格在12、14處噴9130紅磁漆，若絕緣電阻不合格加熱滑轉(zhuǎn)子至110維持5小時(shí)后（以防由于潮濕造成絕緣電阻降低）測絕緣

15、電阻, 若絕緣電阻合格同上處理。若絕緣電阻不合格則須返廠處理。-6 返廠后處理過程1、上端軸熱套滑轉(zhuǎn)子準(zhǔn)備過程工作1.1、按圖1示位置焊接吊耳和工裝導(dǎo)向環(huán)，PT探傷；1.2、找正工件按工藝尺寸車成工裝導(dǎo)向塊內(nèi)圓。 圖1 圖22、上端軸拆卸滑轉(zhuǎn)子工藝過程2.1、在上端軸上平面點(diǎn)焊掛鉤（嚴(yán)禁在外圓點(diǎn)焊）；2.2、掛好電加熱片（盡量保證電加熱片在圓周方向均勻布置且少留間隙）；2.3、按圖2所示位置安放好千斤頂；2.4、做好安全措施后通電加熱（升溫時(shí)間要控制在8小時(shí)以上）；2.5、溫度加熱至180200，保溫8小時(shí)同時(shí)檢測絕緣電阻進(jìn)行反饋；2.6、加熱溫度控制在300內(nèi)，直至千斤頂能頂動(dòng)滑轉(zhuǎn)子為止；2

16、.7、天車輔助將滑轉(zhuǎn)子吊出，拆除加熱片后清理現(xiàn)場；2.8、將滑轉(zhuǎn)子吊起懸空，以滑轉(zhuǎn)子內(nèi)圓為基準(zhǔn)用手拉葫蘆將滑轉(zhuǎn)子調(diào)至水平，在繩索和吊耳上做好對應(yīng)標(biāo)記；2.9、將滑轉(zhuǎn)子水平吊入電爐內(nèi)加熱至400。保溫4小時(shí)以上，用調(diào)好的繩索吊滑轉(zhuǎn)子出爐。清理好內(nèi)圓準(zhǔn)備熱套。3、上端軸熱套滑轉(zhuǎn)子工藝工程3.1、拆下上端軸起吊工具，安裝熱套工裝；3.2、將軸與熱套工裝調(diào)整同心與水平，壓緊軸和工裝；3.3、清理好軸身，包裝絕緣；3.4、將調(diào)好水平的滑轉(zhuǎn)子沿導(dǎo)向塊迅速下套至預(yù)定位置；3.5、在滑轉(zhuǎn)子下腔進(jìn)行目測，絕緣紙是否下滑；3.6、在絕緣紙沒有下滑的情況下迅速拆除熱套工裝；3.7、待軸冷卻到室溫后檢查絕緣電阻；3.

17、8、絕緣檢測合格后涂封口環(huán)氧膩?zhàn)樱?.9、割掉上平面吊耳和導(dǎo)向塊、修磨、回裝起吊工具。圖3 圖4 滑轉(zhuǎn)子熱套過程 圖5 滑轉(zhuǎn)子熱套工裝4、上端軸熱套后修復(fù)工作4.1、嚴(yán)格按大法蘭外圓和法蘭背面調(diào)平找正；4.2、檢查滑轉(zhuǎn)子有效部位需要加工去除的最小量；4.3、滑轉(zhuǎn)子加工部位衍磨；4.4、完工后，再次檢查絕緣。圖6四、處理結(jié)果 上端軸與滑轉(zhuǎn)子之間的絕緣值 出廠檢測：用1000V表連續(xù)檢測1分鐘，R>1000M歐，滿足設(shè)計(jì)要求的10k 現(xiàn)場檢測：用500V表測1分鐘，R>500M歐7 小結(jié)近年國內(nèi)投產(chǎn)阿爾斯通公司生產(chǎn)的水輪發(fā)電機(jī)組較多，其上端軸結(jié)構(gòu)基本類同，其采用的軸電流防護(hù)手段也基本一樣，從運(yùn)行反饋表明此結(jié)構(gòu)防護(hù)軸電流效果良好。因此對滑轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上端軸，采用滑轉(zhuǎn)子與軸身絕緣技術(shù)阻斷軸電流是完全可行和有效的。從彭水水電站實(shí)際情況來看，加裝軸電壓監(jiān)測裝置，便于及時(shí)掌握上端軸絕緣發(fā)展情況，及時(shí)處理絕緣降低故障，保證機(jī)組安全是今后此類機(jī)組需要考慮的重點(diǎn)問題。書是我們