1、精選優質文檔-傾情為你奉上一起水輪發電機軸電流超標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有限公司，重慶市彭水縣，；2.重慶大學電氣工程學院）概 要：觀察分析了彭水水電站3#發電機軸電流的變化特點，推斷出故障原因后，經返廠處理后消除缺陷。目前天津阿爾斯特水輪發電機組在國內投運的較多，可供同類型機組在處理軸電流時參考。關鍵詞：軸電流；超標；分析；處理0 引言烏江彭水水電站設計單機容量350MW，水輪發電機組采用天津阿爾斯通公司生產的三相立軸雙導半傘式、單路徑向密閉自循環無風扇空冷同步發電機。發電機轉子軸分為三段，即上端軸、轉子中心體、下端軸，上端軸由軸身、滑轉子組成，

2、下端軸為三段焊接而成。由于發電機上端軸采用阿爾斯通公司新型滑轉子結構，有別于常見的軸領結構，從而對發電機軸電流的防護提出了新的課題。1 發電機軸電流運行情況描述彭水水電站自2008年2月機組陸續投產以來，3#和5#發電機在運行期間有不同程度的軸電流存在。軸電流的大小隨發電機輸出功率的增加而增大，且在零功率輸出加勵磁工況下即有軸電流存在,此時3#機軸電流為0.42A,5#機軸電流為0.42A。在輸出功率為300MW時3#機軸電流為1.36A,5#機軸電流為1.05A.在輸出功率相同工況下,不存在軸電流的大小隨發電機運行時間的增加而增大的現象。嚴重影響機組安全運行。針對3號機組進行現場機驗，發現3

3、號機組軸電流與發電機定子磁場關系密切，定子電流越大軸電流越大，再從機組狀態監測數據發現，3號機組上導擺度超標，達到0.35mm，以上兩因素表明3號機組存在定轉子磁場旋轉中心嚴重偏移缺陷，并且3號機組投產以來轉子絕緣一直偏低，500V絕緣測試表測試絕緣值為0，因此需進一步采取綜合措施限制軸電流的上升，保證機組的安全運行。表1 3號機組軸電流記錄有功功率(MW)軸電流(A)備 注00空轉時00.42空載時1500.8218012001.12301.212701.323001.36圖1 3號機組軸電流與有功功率關系曲線2 產生軸電壓和軸電流的原因分析大型水輪發電機組在運行過程中，由于結構、運行環境的

4、影響，不可避免的將在發電機主軸上產生軸電壓，如不采取措施相應措施，就會在發電機主軸與軸瓦（推力瓦）間產生軸電流，軸電流的長期存在，將侵蝕軸領與軸瓦，將嚴重縮短軸承使用壽命，輕微的可運行上千小時，嚴重的甚至只能運行幾小時，嚴重威脅水輪發電機組的安全運行，由此帶來的直接和間接經濟損失巨大。產生軸電流的前提是要產生軸電壓，而產生軸電壓原因主要有以下幾種：(1) 電磁不平衡產生軸電壓發電機定子鐵芯在結構上有對縫，加上鐵芯槽、通風孔等的存在，不可能是真正理想的圓。加上安裝原因造成發電機定、轉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。且機組在運行中主軸又有一定范圍的擺動，這樣使發電機定子產生的

5、旋轉磁場不均勻，而不平衡的磁力線磁束與回轉大軸相切產生軸電壓。(2) 靜電感應產生軸電壓 發電機轉子主軸在強電場下運轉，在強電場作用下，在轉子主軸的兩端感應出軸電壓。(3) 自動化元件故障產生軸電壓大型水輪發電機組自動化元件較多，運行現場接線繁雜，元件故障造成帶電線頭搭接在轉軸上，產生軸電壓。以上各種因素共同作用，進一步增強了軸電壓。對于彭水的機組，理論上說只有上端軸或旋轉補氣管接地軸電流才會有回路，軸電流才會存在。基于上述理論查找3#發電機上端軸或旋轉補氣管是否有接地點。從結構上看,有三處具有接地可能性:（1）上端軸與擋油管接觸,通過上機架接地（見圖 所示15、16處）；（2）上端軸與滑轉子

6、短路, 通過滑轉子、導瓦、上機架接地（見圖2所示12、13、14處）；（3）旋轉補氣管與集水槽接觸,通管路接地（見圖2所示11處）。圖2 彭水發電機上端軸結構3 軸電流的危害機組正常運行中，在發電機轉子主軸軸領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與軸瓦絕緣要求，因此不會產生軸電流。但當軸電壓增加到一定數值后，尤其在發電機啟動階段，軸瓦與軸領的潤滑油膜還未穩定形成，軸電壓將擊穿油膜而放電，此時軸電壓將通過主軸、軸承、機座、主軸而形成環形短路電流，從而形成軸電流。此電流將從軸瓦和軸領的金屬接觸點通過，由于該金屬接觸面很小

7、，幾乎是點接觸，又由于軸電流回路阻抗很小，因此這些點的電流密度大，在瞬間產生高溫，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，在軸瓦上將會產生純機械磨損。軸領（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（或鏡板）上去，破壞軸瓦工作面，從而引起軸瓦過熱甚至燒損。另外軸電流將使潤滑油變質、發黑，進而降低潤滑油潤滑性能，進而使軸承溫度升高。而軸瓦表面巴氏合金的磨耗會使一部分軸瓦失去對轉子軸領的預負荷作用，轉子在旋轉時容易誘發油膜渦動，造成轉子系統的不穩定。而不穩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域，加劇

8、電火花作用。在各種因素彼此相互激勵下，最終導致軸領或軸瓦的損壞。4 彭水機組軸電流監測手段及防范措施由于軸電流造成的損傷危害大后果嚴重，因此大型發電機組對防止軸電流的產生要求更高。由于完全避免產生軸電壓難度太大，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，根據水輪發電機的結構特點，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

9、絕緣等兩方面采取措施。在水電廠生產現場常采用防護軸電流的主要措施有：(1) 在發電機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，并且與轉軸可靠接觸，保證轉軸電位為零電位，以此限制轉子下部軸電壓，從而消除軸電流的傷害。圖3 常規上導瓦絕緣防護措施(2) 對于傘式機組，則采取提高上導軸承絕緣水平的方法阻斷軸電流回路。對于懸式機組，除了提高上導軸承絕緣水平外，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一體的上導軸承絕緣防護措施。由圖可見，常規軸領與軸身一體的軸承結構，防護軸電流的措施是在上導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

10、法實現的。彭水水電站上端軸采用阿爾斯通新型結構，即上端軸由軸身、滑轉子、絕緣材料等組成，如圖4所示： 軸身和滑轉子在工廠分別精加工后，滑轉子熱套在軸身上，在熱套前在軸身與滑轉子接觸立面，貼上一層阿爾斯通專用絕緣紙，在接觸上平面墊上絕緣環。熱套完成后用1000V絕緣電阻測試儀測量軸身與滑轉子之間的絕緣，設計要求絕緣值大于1M。彭水水輪發電機的軸電流防護，正是結合這種特殊的結構，結合常規防護手段，共同實現發電機的軸電流防護目的。根據發電機軸電壓產生的原因，軸電壓主要產生在轉子中心體下平面以上。因此，彭水水電站對水輪發電機組軸電流的防護采用上端軸絕緣阻斷、下端軸接地限制、和裝設軸電流保護裝置三種手段

11、，形成完整的軸電流防護系統。（1）下端軸對下端軸采用常規的接地碳刷接地的防護方式，接地碳刷安裝在下機架下導軸承下部并可靠接地，因此限制了發電機下端軸軸電壓幅值，從而對推力軸承和下導軸承起到了保護作用，并給轉子一點接地保護和轉子電壓測量回路提供了通路。（2）上端軸對上端軸，根據圖4所示可知，阿爾斯通公司已在發電機上端軸軸身與軸領之間加裝特殊絕緣紙。因此，上端軸軸電流的防護就依靠它來實現。即上端軸通過軸身與滑轉子之間的絕緣，實現發電機轉子主軸與滑轉子及上導瓦的絕緣，從而實現了阻斷電流的目的。具體結構見圖4所示：圖4 彭水發電機上端軸絕緣防護結構圖5 彭水上導瓦絕緣防護措施彭水上導軸承絕緣防護（圖5

12、）與常規絕緣防護相比，有以下幾個特點：a.通常規絕緣防護相比，由于不在上導瓦與軸承支座間加裝絕緣墊板，從而簡化了上導瓦安裝與調整工作，且使上導軸承運行穩定可靠。b.由于滑轉子與軸身間的絕緣紙是熱套進去后再加工，使得軸身與滑轉子結合緊密，且運行中滑轉子只承受徑向力，從而降低了絕緣紙磨損損壞的可能，運行可靠性得到提高。目前在我國運行的阿爾斯通公司機組基本上是此類結構，未有此類絕緣損壞事故的發生。但由于結構特殊，對機組檢修和維護也帶來新問題，主要有：a.一旦絕緣紙故障，現場無法修復，必需返廠修復，使得修復時間相對較長，且必需在機組大修時進行。因此，考慮正常時電廠將阿爾斯通特種絕緣紙作為備品考慮，絕緣

13、損壞時，臨時用絕緣紙做軸瓦防護，待機組大修處理。b.檢查滑轉子與軸身絕緣工作困難。由于結構特殊，進行絕緣檢查工作，必需將上導瓦、集電環碳刷拆除后，方可進行檢查工作，帶來工作量的成倍增加。由于此種結構可靠性高，所以如軸電流監測正常，此工作可以放在機組大修時進行，一般性檢修可不檢查。（3）軸電流保護裝置（D為發電機軸直徑，D+20為互感器內徑）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軸承，彭水水電站在上導軸承油箱下部裝設BZL10B型軸電流保護裝置，軸電流保護安裝情況如圖6所示：該裝置能檢測軸電流一次側0.12.0A 的軸電流。因此一旦上端軸絕緣受損，產生軸電流，保護

14、裝置將動作與機組跳閘停機，從而達到保護機組軸承安全的目的。保護裝置針對軸電流大小設置兩級輸出，一級軸電流達到0.5A報警，二級軸電流達到1.5A跳閘。5 檢查及處理方案排空油槽內潤滑油按圖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, 檢查旋轉補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子至110維持5小時后（以防由于潮濕造成絕緣電

15、阻降低）測絕緣電阻, 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、上端軸熱套滑轉子準備過程工作1.1、按圖1示位置焊接吊耳和工裝導向環，PT探傷；1.2、找正工件按工藝尺寸車成工裝導向塊內圓。 圖1 圖22、上端軸拆卸滑轉子工藝過程2.1、在上端軸上平面點焊掛鉤（嚴禁在外圓點焊）；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（升溫時間要控制在8小時以上）；2.5、溫度加熱至180200，保溫8小時同時檢測絕緣電阻進行反饋；2.6、加熱溫度控制在300內，直至千斤頂能頂動

16、滑轉子為止；2.7、天車輔助將滑轉子吊出，拆除加熱片后清理現場；2.8、將滑轉子吊起懸空，以滑轉子內圓為基準用手拉葫蘆將滑轉子調至水平，在繩索和吊耳上做好對應標記；2.9、將滑轉子水平吊入電爐內加熱至400。保溫4小時以上，用調好的繩索吊滑轉子出爐。清理好內圓準備熱套。3、上端軸熱套滑轉子工藝工程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、將調好水平的滑轉子沿導向塊迅速下套至預定位置；3.5、在滑轉子下腔進行目測，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

17、絕緣電阻；3.8、絕緣檢測合格后涂封口環氧膩子；3.9、割掉上平面吊耳和導向塊、修磨、回裝起吊工具。圖3 圖4 滑轉子熱套過程 圖5 滑轉子熱套工裝4、上端軸熱套后修復工作4.1、嚴格按大法蘭外圓和法蘭背面調平找正；4.2、檢查滑轉子有效部位需要加工去除的最小量；4.3、滑轉子加工部位衍磨；4.4、完工后，再次檢查絕緣。圖6四、處理結果 上端軸與滑轉子之間的絕緣值 出廠檢測：用1000V表連續檢測1分鐘，R>1000M歐，滿足設計要求的10k 現場檢測：用500V表測1分鐘，R>500M歐7 小結近年國內投產阿爾斯通公司生產的水輪發電機組較多，其上端軸結構基本類同，其采用的軸電流防護手段也基本一樣，從運行反饋表明此結構防護軸電流效果良好。因此對滑轉子結構上端軸，采用滑轉子與軸身絕緣技術阻斷軸電流是完全可行和有效的。從彭水水電站實際情況來看，加裝軸電壓監測裝置，便于及時掌握上端軸絕緣發展情況，及時處理絕緣降低故障，保證機組安全是今后此類機組需要考慮的重點問題。專心-專注-專業書是我