一起水轮发电机轴电流超标故障的分析与处理过程

一起水轮发电机轴电流超标故障的分析与处理过程

金华峰1，2，伏虹润1

（1.大唐国际彭水水电开发有限公司，重庆市彭水县，409600；2.重庆大学电气工程学院）

概要：观察分析了彭水水电站3#发电机轴电流的变化特点，推断出故障原因后，经返厂处理后消除缺陷。目前天津阿尔斯特水轮发电机组在国内投运的较多，可供同类型机组在处理轴电流时参考。

关键词：轴电流；超标；分析；处理

0 引言

乌江彭水水电站设计单机容量350MW，水轮发电机组采用天津阿尔斯通公司生产的三相立轴双导半伞式、单路径向密闭自循环无风扇空冷同步发电机。发电机转子轴分为三段，即上端轴、转子中心体、下端轴，上端轴由轴身、滑转子组成，下端轴为三段焊接而成。由于发电机上端轴采用阿尔斯通公司新型滑转子结构，有别于常见的轴领结构，从而对发电机轴电流的防护提出了新的课题。

1 发电机轴电流运行情况描述

彭水水电站自2008年2月机组陆续投产以来，3#和5#发电机在运行期间有不同程度的轴电流存在。轴电流的大小随发电机输出功率的增加而增大，且在零功率输出加励磁工况下即有轴电流存在,此时3#机轴电流为0.42A,5#机轴电流为0.42A。在输出功率为300MW时3#机轴电流为1.36A,5#机轴电流为1.05A.在输出功率相同工况下,不存在轴电流的大小随发电机运行时间的增加而增大的现象。严重影响机组安全运行。针对3号机组进行现场机验，发现3号机组轴电流与发电机定子磁场关系密切，定子电流越大轴电流越大，再从机组状态监测数据发现，3号机组上导摆度超标，达到0.35mm，以上两因素表明3号机组存在定转子磁场旋转中心严重偏移缺陷，并且3号机组投产以来转子绝缘一直偏低，500V绝缘测试表测试绝缘值为0，因此需进一步采取综合措施限制轴电流的上升，保证机组的安全运行。

表1 3号机组轴电流记录

图1 3号机组轴电流与有功功率关系曲线

2 产生轴电压和轴电流的原因分析

大型水轮发电机组在运行过程中，由于结构、运行环境的影响，不可避免的将在发电机主轴上产生轴电压，如不采取措施相应措施，就会在发电机主轴与轴瓦（推力瓦）间产生轴电流，轴电流的长期存在，将侵蚀轴领与轴瓦，将严重缩短轴承使用寿命，轻微的可运行上千小时，严重的甚至只能运行几小时，严重威胁水轮发电机组的安全运行，由此带来的直接和间接经济损失巨大。

产生轴电流的前提是要产生轴电压，而产生轴电压原因主要有以下几种：

(1) 电磁不平衡产生轴电压

发电机定子铁芯在结构上有对缝，加上铁芯槽、通风孔等的存在，不可能是真正理想的圆。加上安装原因造成发电机定、转子之间的空气间隙不均匀，造成磁阻不一致从而磁路不对称。且机组在运行中主轴又有一定范围的摆动，这样使发电机定子产生的旋转磁场不均匀，而不平衡的磁力线磁束与回转大轴相切产生轴电压。

(2) 静电感应产生轴电压

发电机转子主轴在强电场下运转，在强电场作用下，在转子主轴的两端感应出轴电压。

(3) 自动化元件故障产生轴电压

大型水轮发电机组自动化元件较多，运行现场接线繁杂，元件故障造成带电线头搭接在转轴上，产生轴电压。

以上各种因素共同作用，进一步增强了轴电压。

对于彭水的机组，理论上说只有上端轴或旋转补气管接地轴电流才会有回路，轴电流才会存在。

基于上述理论查找3#发电机上端轴或旋转补气管是否有接地点。从结构上看,有三处具有接地可能性:

（1）上端轴与挡油管接触,通过上机架接地（见图所示15、16处）；

（2）上端轴与滑转子短路, 通过滑转子、导瓦、上机架接地（见图2所示12、13、14处）；

（3）旋转补气管与集水槽接触,通管路接地（见图2所示11处）。

图2 彭水发电机上端轴结构

3 轴电流的危害

机组正常运行中，在发电机转子主轴轴领与轴瓦之间有油膜存在，油膜起到润滑作用，在一定电压下也能起绝缘的作用。对于较低的轴电压，这层润滑油膜能满足主轴轴领与轴瓦绝缘要求，因此不会产生轴电流。但当轴电压增加到一定数值后，尤其在发电机启动阶段，轴瓦与轴领的润滑油膜还未稳定形成，轴电压将击穿油膜而放电，此时轴电压将通过主轴、轴承、机座、主轴而形成环形短路电流，从而形成轴电流。此电流将从轴瓦和轴领的金属接触点通过，由于该金属接触面很小，几乎是点接触，又由于轴电流回路阻抗很小，因此这些点的电流密度大，在瞬间产生高温，使轴承局部烧熔，在金属表面形成极微小的电蚀凹坑。另外被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅，在轴瓦上将会产生纯机械磨损。轴领（或镜板）和轴瓦间在小电弧侵蚀作用下，轴瓦表面合金逐渐吸到轴领（或镜板）上去，破坏轴瓦工作面，从而引起轴瓦过热甚至烧损。另外轴电流将使润滑油变质、发黑，进而降低润滑油润滑性能，进而使轴承温度升高。而轴瓦表面巴氏合金的磨耗会使一部分轴瓦失去对转子轴领的预负荷作用，转子在旋转时容易诱发油膜涡动，造成转子系统的不稳定。而不稳定的油膜反过来又会引起轴承油膜电阻的急剧下降，使更多的轴电流通过该区域，加剧电火花作用。在各种因素彼此相互激励下，最终导致轴领或轴瓦的损坏。

4 彭水机组轴电流监测手段及防范措施

由于轴电流造成的损伤危害大后果严重，因此大型发电机组对防止轴电流的产生要求更高。由于完全避免产生轴电压难度太大，因此减小或消除轴电流引起的损伤，主要手段就是限制轴电压的升高和提高轴承绝缘。一般认为，足以引起轴电流损伤的电压在20V以上，典型的轴承损伤电压在30～100V之间。如果把轴电压降到1V以下，基本上就可以消除轴电流带来的故障。而提高轴承绝缘，可阻断轴电流回路，从而消除轴电流的损伤。

因此，根据水轮发电机的结构特点，从上述两方面分别采取措施，即对下端轴采用限制轴电压的升高，上端轴采用提高轴承的绝缘等两方面采取措施。在水电厂生产现场常采用防护轴电流的主要措施有：

(1) 在发电机下端轴下部安装接地碳刷，以降低轴电位，使接地碳刷可靠接地，并且与转轴可靠接触，保证转轴电位为零电位，以此限制转子下部轴电压，从而消除轴电流的伤害。

图3 常规上导瓦绝缘防护措施

(2) 对于伞式机组，则采取提高上导轴承绝缘水平的方法阻断轴电流回路。对于悬式机组，除了提高上导轴承绝缘水平外，还在推力头与镜板间加一层绝缘。以切断轴电流的回路。

图3所示为上端轴与轴领一体的上导轴承绝缘防护措施。由图可见，常规轴领与轴身一体的轴承结构，防护轴电流的措施是在上导瓦与轴承支座间加装绝缘材料（一般为0.5～2 毫米厚酚醛玻璃板）的方法实现的。

彭水水电站上端轴采用阿尔斯通新型结构，即上端轴由轴身、滑转子、绝缘材料等组成，如图4所示：

轴身和滑转子在工厂分别精加工后，滑转子热套在轴身上，在热套前在轴身与滑转子接触立面，贴上一层阿尔斯通专用绝缘纸，在接触上平面垫上绝缘环。热套完成后用1000V 绝缘电阻测试仪测量轴身与滑转子之间的绝缘，设计要求绝缘值大于1MΩ。

彭水水轮发电机的轴电流防护，正是结合这种特殊的结构，结合常规防护手段，共同实现发电机的轴电流防护目的。

根据发电机轴电压产生的原因，轴电压主要产生在转子中心体下平面以上。因此，彭水水电站对水轮发电机组轴电流的防护采用上端轴绝缘阻断、下端轴接地限制、和装设轴电流保护装置三种手段，形成完整的轴电流防护系统。

（1）下端轴