汽轮发电机轴电压分析及一例故障处理_高志强

收稿日期:20040405作者简介:高志强(1973),男,工程师,主要从事电力系统继电保护与控制工作。

汽轮发电机轴电压分析及一例故障处理
Analysis on Shaft Voltage of Turbo -generator and A Case of Fault Treatment
高志强1,郝晓光1,杨子林2,赵　洋3
(1.河北省电力研究院,河北　石家庄　050021;2.华北电力科学研究院有限责任公司,北京　100045;
3.河北热电有限责任公司,河北　石家庄　050041)
摘要:介绍了汽轮发电机轴电压的产生原因、防护措施、测量方法和一例轴电压故障的处理。

关键词:轴电压;轴承绝缘;防护;故障处理
Abstract :T his paper explains why the shaft voltage can develop o n turbo -generato r shaf t ,and provides the prevention mea -sures and measuring method .A case of treatment of shaft volt -age is also presented .
Keywords :shaf t voltage ;bearing insulation ;prevention ;fault treatment
中图分类号:T M 307文献标识码:B
文章编号:10019898(2004)06001603
汽轮发电机在运行中,由于某些原因引起发电机组大轴上产生了电压,称为轴电压。

随着汽轮发
电机组单机容量的增大和静态励磁系统的广泛采用,轴电压问题应引起足够的重视。

如果对轴电压的抑制和防护措施不当,将会在发电机轴承、轴瓦、齿轮等部件产生有害的轴电流,造成这些部件在电弧、电解或氧化作用下损伤,严重时还会引起停机事故,造成不必要的检修和发电损失。

下面介绍轴电压的产生机理、防护措施及测量方法,并对实际工作中遇到的故障实例进行介绍。

1　轴电压产生的原因1.1　磁不对称引起的轴电压
它是存在于汽轮发电机轴两端的交流型电压。

由于定子铁芯采用扇形冲压片、转子偏心率、扇形片的导磁率不同,以及冷却和夹紧用的轴向导槽等发电机制造和运行原因引起的磁不对称,结果产生包括轴、轴承和基础台板在内的交变磁链回路。

由此在发电机大轴两端产生电压差。

每一种磁不对称都会引起相应幅值和频率的轴电压分量,各个轴电压
分量叠加在一起,使这种轴电压的频率成分很复杂,其中基波分量的幅值最大,3次和5次谐波幅值稍小,更高次谐波分量幅值很小。

这种交流轴电压一般为1～10V ,它具有较大的能量。

如果不采取有效措施,此种轴电压经过轴———轴承———基础台板等处形成一个回路,产生一个很大的轴电流。

轴电流引起的电弧加在轴承和轴表面之间,其主要后果是引起轴承上的钨金和轴表面的磨损,并使润滑油迅速劣化。

由此会加速轴承的机械磨损,严重者会使轴瓦烧坏。

1.2　静电电荷引起的轴电压
这种出现在轴和接地台板之间的直流型电压,是在一定条件下高速流动的湿蒸汽与汽轮机低压缸叶片摩擦出的静电电荷产生的。

这种静电效应仅仅偶然在某种蒸汽条件下才能出现,并非经常存在。

随着运行工况的不同,这种性质的轴电压有时会很高,电位达到上百伏,当人触及时会感到麻手。

它不易传导至励磁机侧,但如果不采取措施将该静电电荷导入大地,它将在发电机汽机侧轴承油膜上聚集并且最终在油膜上放电而导致轴承损坏。

1.3　静态励磁系统引起的轴电压
目前,大型汽轮发电机组普遍采用静态励磁系统。

静态励磁系统因可控硅换弧的影响,引入了一个新的轴电压源。

静态励磁系统将交流电压通过静态可控硅整流输出直流电压供给发电机励磁绕组,此直流电压为脉动型电压。

对于采用三相全控桥的静态励磁系统,其励磁输出电压的波形在1个周期内有6个脉冲。

这个快速变化的脉动电压通过发电机的励磁绕组和转子本体之间的电容耦合在轴对地之间产生交流电压。

此种轴电压呈脉动尖峰状,其频率为300H z (当励磁系统交流侧电压频率为50Hz 时),它叠加到磁不对称引起的轴电压上,从而使
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油膜承受更高的尖峰电压。

在增大到一定程度时,击穿油膜,形成电流而造成机械部件的灼伤和损坏。

1.4　剩磁引起的轴电压
当发电机严重短路或其他异常工况下,经常会使大轴、轴瓦、机壳等部件磁化并保留一定的剩磁。

磁力线在轴瓦处产生纵向支路,当机组大轴转动时,就会产生电势,称为单极电势。

正常情况下,微弱的剩磁所产生的单极电势仅为毫伏级。

但在转子绕组匝间短路或两点接地时,单极电势将达到几伏至十几伏,会产生很大的轴电流,沿轴向经轴、轴承和基础台板回路流通,不仅烧损大轴、轴瓦等部件,而且会使这些部件严重磁化,给机组检修工作带来困难。

2　轴电压的防护
在发电机大轴、轴承及转子回路中采取一定措施,能够有效抑制过高轴电压及有害轴电流的产生。

2.1　发电机励侧轴承加绝缘
由于电磁感应产生的轴电压能量很强,且在发电机大轴两端建立,因此必须切断回路以防止轴电流产生。

在汽轮发电机组中往往采用将发电机励磁机侧轴承座下加垫绝缘板,以阻止轴、轴承座、基础台板形成电流回路。

绝缘材料一般用酚醛层压布或环氧酚醛层压玻璃布板。

垫绝缘处一定要做到完全垫开,包括固定轴承座的地脚螺栓和定位销钉,与轴承连接的油管路、水管路的法兰盘等处均需加装绝缘垫圈和套管。

对于氢冷发电机,还要保证密封瓦使发电机外壳之间绝缘良好。

这种方法对防止由电磁感应型轴电压产生的轴电流是非常有效的。

2.2　汽侧大轴接引接地碳刷
发电机汽侧轴承处无绝缘,运行中轴承油膜是唯一的绝缘。

但由静电电荷引起的轴电压能量较弱,一旦提供合适的回路使电荷释放,电压会迅速衰减。

因此常规做法是在发电机的汽侧大轴上安装大轴接地碳刷,将静电电荷导入大地,从而抑制直流静电电压的建立,并且它也防止沿着发电机轴产生的电压影响汽侧的其他轴。

汽侧大轴表面速度很高,而且运行环境中油雾和尘土的污染会消弱接地碳刷的效果。

如果在轴承或氢密封等处出现轴的故障接地时,接地碳刷就被旁路,这就会在故障接地点发生放电,最后损坏构成故障接地通路的部件。

因此,大轴接地碳刷应定期检查、清扫和维护,防止出现碳刷接触不良。

2.3　励侧大轴安装RC轴接地模件
在发电机汽侧有常规大轴接地碳刷的情况下,励侧大轴再安装1接地碳刷经1套无源RC电路接地,构成一种新型大轴接地系统,如图1所示。

图1　应用R C轴接地模件的大轴接地系统
常规汽侧大轴接地碳刷不能消除轴电压中由静态励磁系统产生的高频尖峰分量。

近些年提出的在励侧安装新型无源RC轴接地模件的方法,能有效抑制轴电压的这一分量。

RC模件中电阻R要选配合适,一般为500Ψ左右,这样既可将轴电流限制在几个毫安内,又足以防止直流电势的建立。

并联电容C一般取10μF左右,这个值能有效降低轴电压高频脉冲分量。

阻值很小的分流电阻r用来测量轴电流。

保险丝F用来防止事故时大轴流过较大的环流。

在国外进口机组中,已有应用这种RC轴接地模件的例子。

它和转子轴电压在线监测装置配套使用,能够实时监测轴电压、轴电流及大轴接地情况,并且能监测转子绕组匝间绝缘情况。

2.4　静态励磁系统中设轴电压抑制回路
在励磁装置内部设置专用轴电压抑制回路,可有效降低静态励磁系统产生的高频尖峰轴电压分量的方法也已应用于实际。

其中最常用的方法是在励磁绕组上加对称的阻容滤波器。

需注意的是,此阻容回路对发电机转子接地保护检测转子绕组对地阻值时有影响,所以在现场调试过程中应对转子接地保护检测装置重新进行整定。

2.5　修改设计与提高制造工艺
在设计选择定子扇形冲片的数目时,尽量减少轴电压中的3次和5次谐波分量,避免产生磁路不对称;提高制造和安装工艺,尽量防止转子的偏心率;汽轮机的设计应加以改进,不允许在低压段中形成水雾。

3　轴电压的测量
3.1　原理
发电机在运行中,由于安装原因或绝缘垫可能因油污堆积、损坏或老化等原因而失去作用,使轴电流能够流通而造成设备损坏。

为了检查运行中发电
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机励侧轴承与底座的绝缘状况,应定期测量发电机的轴电压。

常规测量发电机轴电压的接线见图2。

图2　轴电压测量接线示意图
因为轴电压的频率成分较复杂,测量时必须采用高内阻的交流电压表,否则会产生很大的测量误差。

在发电机的各种工况,即空转无励磁、空载额定电压、短路额定电流以及各种负荷情况下进行测量。

测量时,用交流电压表先测量发电机大轴两端之间的电压U 1。

然后将发电机轴瓦与大轴经铜丝刷短路,消除轴瓦与大轴之间的油膜压降,再测量励磁机侧轴瓦与地之间的电压U 。

根据U 1和U 2的大小来判断励侧轴承对地绝缘好坏。

a .当U 1≈U 2时,说明绝缘垫绝缘情况良好。

b .当U 1>U 2时(U 2≤10%),说明绝缘垫绝缘被破坏,有轴电流流过。

由于轴电流会在转轴内部和底座上产生压降,从而使U 1>U 2。

c .当U 1<U 2时,说明测量不正确,应检查测量方法及仪表。

3.2　故障处理实例
某厂1台型号为QFS 1252的125M W 新安装汽轮发电机组,采用静态励磁系统,在整套启动试验后进行轴电压测量。

测量时,机组负荷P =115M W ,Q =48MV ·A ,定子电压U =13.8kV ,定子电流I S =4890A ,励侧电流I L =1300A 。

测量结果为:U 1=5.85V ,U 2=0.01V ,从测量结果可以看出:U 1>>U 2,说明励磁机侧绝缘垫板未起到绝缘作用,轴电压都施加在油膜上,有很大的轴电流流过。

首先对励侧绝缘垫板进行检查,用500V 兆欧表测量夹在绝缘板中间的金属板对地绝缘,结果大于0.5M Ψ,说明绝缘垫板绝缘良好。

在机组停机进一步检查时,发现固定励侧轴承座的地脚螺栓的绝缘筒垫破损,造成励侧轴承
座与大地连接为一体,绝缘垫板失去作用。

更换破损绝缘筒垫后,重新启动发电机,在励磁电流、机组负荷等与上次测量近似相同情况下,重新测量轴电压,测量结果为:U 1=5.9V ,U 2=5.8V ,可见U 1≈U 2,说明绝缘已恢复良好,切断了轴电流回路。

4　结束语
我国电力工业正处于大电网和大机组发展时期,随着发电机组单机容量的增大和静态励磁系统的广泛采用,采取有效防护措施抑制轴电压及有害轴电流的产生,已成为保证发电机组安全的重要研究方向。

除常规励侧轴承绝缘、汽侧大轴接地、励磁绕组加对称阻容滤波器等轴电压防护方法外,新型RC 轴接地模件以及配套的能够实时监测轴电压、轴电流及转子绕组匝间绝缘情况的在线监测装置的应用,使轴电压的监测和防护进入了一个新阶段。

参考文献:
[1]　李建明,朱　康.高压电气设备试验方法[M ].北京:中国电力
出版社,2001.
[2]　李伟清,刘双宝.大型汽轮发电机常见故障的检查及处理方法
[J ].大电机技术,2000,(3).
(上接第15页)艺,特别是抽真空的时间较长,局部放电试验的结果才会比较理想。

d .经过第一阶段的检验,未发现变压器内部有高能放电;从油中溶解气体色谱分析结果来看,在感应耐压前后色谱结果变化不大,既没有发现有放电指示出现,也没有其他异常,根据检验程序的要求可以中止检验。

其最终的局部放电试验结果符DL
5961996《电力设备预防性试验规程》的要求,缺陷消除。

e .根据该变压器局部放电超标讨论制定的《局部放电超标检验程序》,具有一定的典型性和科学性。

采用中性点接地与支撑2种试验方式下的结果对比、油循环监视局部放电、交流耐压等试验项目及试验顺序,可以进一步排除或确定一些可疑部位。

今后若有类似情况,可参考此程序处理。

元　旦　快　乐 万　事　如　意
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