一起水轮发电机轴电流超标故障的分析与处理(彭水).doc

一起水轮发电机轴电流超标故障的分析与处理
金华峰 伏虹润 谢卓健
重庆大唐国际彭水水电开发有限公司 重庆市 409600
[摘 要]：观察分析了彭水水电站3号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。供同类型机组在处理轴电压、轴电流问题时参考。
[关键词]：水轮发电机；轴电流；超标；处理；彭水水电站
0 引言
乌江彭水水电站水轮发电机组单机容量350MW，采用天津阿尔斯通水电设备有限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 发电机轴电流情况描述
彭水水电站自2008年2月机组陆续投产以来，3号和5号发电机在运行期间均有不同程度的轴电流存在。经观察，空载工况下即有轴电流存在，且电流大小随发电机输出功率的增加而增大。在输出功率保持不变时，未发现轴电流的大小随发电机运行时间的增加而增大的现象。对3号发电机进行现场测试，发现3号发电机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，查看机组状态监测数据发现，3号发电机上导摆度超标，达到0.35mm，以上两因素表明3号发电机存在定转子磁场旋转中心严重偏移缺陷，并且3号发电机投产以来转子绝缘一直偏低，500V绝缘测试仪测试绝缘值接近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号发电机轴电流记录
有功功率(MW)
轴电流(A)
运行概况
0
0.00
空转
0
0.42
空载
150
0.82

180
1.00

200
1.10

230
1.21

270
1.32

300
1.36

2 产生轴电压和轴电流的原因
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间产生轴电流。轴电流的长期存在，将侵蚀轴领与轴瓦，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，而产生轴电压的原因主要有以下几种：
（1）静电荷产生的轴电压。发电机转动时，润滑油与轴瓦相互摩擦，产生静电荷，对转子充电，产生轴电压，当电势逐渐增大时，油膜被击穿，形成轴电流。这种轴电流的特点是随机性较强，没有固定的频率。对于水轮发电机来说，这种电荷积累不会太大，并且能量较小，因此它对地放电而产生的轴电流也很小，仅为几个毫安。
（2）发电机制造安装或运行中因磁路不对称引起的轴电压。由于发电机定子与转子不同心，即气隙不均匀，转子的硅钢片厚度、位置不合理，转子绕组匝间短路等原因，可能在转子－轴承－外壳的环路中感应出交流电势。除了转子绕组匝间短路外这种交流电势一般不大，产生的轴电流也不大，但在转子匝间短路，或发电机推力瓦承座、导瓦承座、油管、地脚螺栓、销钉等对外壳之间由于某种原因绝缘损坏时，就会产生很大的轴电流。这种轴电压的特点是有相对比较固定的频率，可以用示波器观察到。
（3）静止励磁系统脉动分量引起的轴电压。这种轴电压和轴电流的特点是有固定的频率，其中300Hz的分量较为明显。
（4）转子发生磁化而产生的单极电势。当干燥定子时采用过大的直流电、在机组附近使用电焊机或磁力起重机等设备时或发电机故障时，磁通通过机壳和转子使转子发生磁化，之后产生并保留一定的剩磁。磁力线在轴瓦处产生幅向支流，当机组转动时，就会以发电机或涡流制动的方式产生电势，从而产生轴电流。这些电势和电流的大小取决于剩磁的大小、气隙、回路的绝缘等因素。正常时，微弱的剩磁所生产的单极电势仅为毫伏级，不会产生大的轴电流。但在转子发生转子绕组匝间短路时，就可能产生很大的轴电流。这种电流一部分以转子－轴承－外壳为回路，轴电流传感器可以反映出来，另一部分在轴瓦上以涡流的形式产生，轴电流传感器检测不到，但对轴瓦的破坏也比较大。检修时可以用精密的高斯计来检测转子或大轴的剩磁，如转子或大轴被磁化严重，应进行退磁处理。
（5）转子绕组一点接地而产生的轴电压。这种轴电压产生的电流通常比较大，并且伴随着转子一点接地信号出现，通常会引起发电机剧烈振动和大轴磁化烧轴、烧轴瓦等严重后果。但转子绕组接地常常为不稳定性接地，即接地的出现与发电机的转速和负荷状态等因素有关(如由于制造或检修时转子未清理干净遗留的金属屑)，接地呈现为一下子通一下子又断开，接通的时间很短，转子一点接地信号不出现，产生的轴电流为随机的瞬时脉冲，因此比较隐蔽，可以通过轴电流信号来检测这种潜在故障。
（6）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。
以上各种因素若共同作用，会进一步增强轴电压。
对于彭水的机组，理论上说只有上端轴或旋转补气管接地才会形成回路，轴电流才可能存在。
基于上述理论查找3号发电机上端轴或旋转补气管是否有接地点。从结构上看,有以下三处具有接地可能性:
（1）上端轴与挡油板接触,通过上机架接地（见图1所示1、2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1所示3、4、5处）；
（3）旋转补气管与集水槽接触,通管路接地（见图1所示6处）。

图1 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的绝缘要求，因此不会产生轴电流。但当轴电压增加到一定数值后，尤其在发电机起动阶段，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。轴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 彭水发电机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。完全避免产生轴电压是几乎不可能的，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10V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2 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2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0.5～2.0 mm厚酚醛玻璃板）来实现的。
彭水水电站发电机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3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。彭水水电站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
对下端轴采用常规的接地碳刷接地的防护方式，接地碳刷安装在下机架下导轴承下部并可靠接地，因此限制了发电机下端轴轴电压幅值，从而对推力轴承和下导轴承起到了保护作用，并给转子一点接地保护和转子电压测量回路提供了通路。
（2）上端轴
根据图3所示可知，阿尔斯通公司已在发电机上端轴轴身与轴领之间加装特殊绝缘纸。因此，上端轴轴电流的防护就依靠它来实现，即上端轴通过轴身与滑转子之间的绝缘，实现发电机转子主轴与滑转子及上导瓦的绝缘，从而实现了阻断电流的目的。

图3 彭水发电机上端轴绝缘防护结构

图4 彭水发电机上导瓦绝缘防护措施

彭水水电站发电机上导轴承绝缘防护（图4）与常规绝缘防护相比，有以下几个特点：
1）由于不在上导瓦与轴承支座间加装绝缘垫板，从而简化了上导瓦安装与调整工作，且使上导轴承运行稳定可靠。
2）由于滑转子与轴身间的绝缘纸是热套进去后再加工，使得轴身与滑转子结合紧密，且运行中滑转子只承受径向力，从而降低了绝缘纸磨损损坏的可能，运行可靠性得到提高。目前在我国运行的阿尔斯通公司机组基本上是此类结构。
但由于结构特殊，对机组检修和维护也带来新问题，主要有：
1）一旦绝缘纸故障，现场无法修复，必需返厂修复，且修复时间相对较长。因此，考虑正常时电厂将阿尔斯通特种绝缘纸作为备品考虑，绝缘损坏时，临时用绝缘纸做轴瓦防护，待机组大修处理。
2）检查滑转子与轴身绝缘工作困难。由于结构特殊，进行绝缘检查工作，必需将上导瓦、集电环碳刷拆除后，方可进行检查工作，带来工作量的成倍增加。当然如果轴电流监测正常，此工作可以放在机组大修时进行，一般性检修可不检查。
（3）轴电流保护装置

（D为发电机轴直径，D+20为互感器内径）

图5 轴电流互感器安装图

为防止一旦上端轴绝缘损坏，形成轴电流损伤上导轴承，彭水水电站在上导轴承油箱下部装设BZL－10B型轴电流保护装置，轴电流保护安装情况如图5所示，该装置能检测轴电流一次侧0.1～2.0A的轴电流。因此一旦上端轴绝缘受损产生轴电流，保护装置将进行在线检测，并根据轴电流大小设置两级输出，一级轴电流达到0.5A报警，二级轴电流达到1.5A跳闸。
5 检查与处理方案
排空油槽内润滑油。按图1所示依次拆除盖板、阀体，检查旋转补气管与集水槽是否有接触。然后拆除上导油槽下油盆（拆之前检查下油盆立面部分与上端轴轴领否有接触；拆除下油盆之后检查下油盆立面部分是否有摩擦痕迹）。拆除上导油槽下油盆后，清理滑转子与上端轴接触部位，并检查上端轴与滑转子之间绝缘电阻。若绝缘电阻合格则在滑转子与上端轴接触部位的上、下端部处喷9130红磁漆，若绝缘电阻不合格则加热滑转子至110℃维持5小时后（以防由于潮湿造成绝缘电阻降低）测绝缘电阻，若绝缘电阻合格同上处理，若绝缘电阻不合格则须返厂处理。对3号发电机根据本方案进行检查，最终测得绝缘电阻几乎为0，必须返厂处理。
6 返厂后处理过程
6.1上端轴热套滑转子准备工作
首先焊接吊耳和工装导向环，对焊接部位进行PT探伤。然后将工件找正后按工艺尺寸加工好导向块内圆。

图6 滑转子加热过程示意图
6.2上端轴拆卸滑转子工艺过程
在上端轴上平面点焊挂钩（严禁在外圆点焊），将电加热片挂在挂钩上（尽量保证电加热片在圆周方向均匀布置且少留间隙）并按图6所示位置安放好千斤顶。做好安全措施后通电加热，直至千斤顶能顶动滑转子为止。将滑转子吊起悬空，以滑转子内圆为基准用手拉葫芦将滑转子调至水平，在绳索和吊耳上做好对应标记备回装用。调平后将滑转子水平吊入电炉内加热至400℃并保温4小时以上，用调好的绳索吊滑转子出炉。清理好内圆准备热套。
6.3上端轴热套滑转子工艺过程
拆下上端轴起吊工具、安装热套工装，并将轴与热套工装调整同心与水平然后压紧轴和工装。将轴身清理干净，然后包上绝缘材料。在将滑转子调好水平后沿导向块迅速下套至预定位置。套装过程中应在滑转子下腔进行目测绝缘纸是否下滑，在绝缘纸没有下滑的情况下迅速拆除热套工装。待轴冷却到室温后检查绝缘电阻，绝缘检测合格后涂封口环氧腻子，割掉上平面吊耳和导向块，修磨、回装起吊工具。

图7 滑转子热套工装 图8 滑转子热套过程
6.4上端轴热套后修复工作
严格按大法兰外圆和法兰背面调平找正，在车床上按滑转子有效部位需要加工去除的最小量进行加工。加工完成后研磨滑转子加工部位。完工后，再次检查绝缘。
6.5处理结果
测量上端轴与滑转子之间的绝缘值，出厂检测＞1000MΩ，满足设计要求的10kΩ；现场检测＞500MΩ，检修后3号发电机带额定负荷时轴电流监测保持在0.1A左右，轴电流超标故障至此消除。
7 小结
近年国内投产阿尔斯通公司生产的水轮发电机组较多，其上端轴结构基本类同，采用的轴电流防护手段也基本一样，从运行反馈表明此结构防护轴电流效果良好。因此对滑转子结构上端轴，采用滑转子与轴身绝缘技术阻断轴电流是完全可行和有效的。从彭水水电站实际情况来看，加装轴电压监测装置，便于及时掌握上端轴绝缘发展情况，及时处理绝缘降低故障，保证机组安全是今后此类机组需要考虑的重点问题。

作者简介：
金华峰（1983－），助理工程师，工程硕士生，从事大型水电厂电气设备管理工作。jin.hf@
伏虹润（1981－），助理工程师，从事大型水电厂机械设备管理工作。