超超临界机组转子轴电压分析
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超超临界机组转子轴电压分析
作者：谢小强
来源：《城市建设理论研究》2013年第05期
摘要：针对某电厂1000MW超超临界机组运行中由汽轮发电机组转子大轴产生磁化及轴电压的引发的事故。从设计、基建、运行、检修等过程中可能引起大轴磁化及轴电压的原因进行分析，并提出相应的技术措施。
关键词：事故分析；汽轮机机组；轴电压；磁化
中图分类号：TM311文献标识码：A文章编号：
前言：
大型汽轮发电机在运行中发生轴电压及磁化是常见的故障，该类故障的发生给设备造成损坏，有时为了消除缺陷而迫使大型机组长期停运。随着大机组的投运，轴电压与轴电流危及设备安全运行的事故也会频繁发生。
事故简介
某电厂的2号机组为超超临界1000MW、一次中间再热、四缸四排汽、单轴、双背压凝汽式汽轮机机组，该汽轮机为单轴四缸四排汽型式，从机头到机尾依次串联，一个单流高压缸、一个双流中压缸及两个双流低压缸。该机组在2012年5月28日7时55分，运行中7号、8号、9号轴承振动大(超出300)，9时05分振动超出400，被迫降负荷至670MW后，振动才逐渐减小至170，与此同时，在同样工况下，转子电流有明显增大，振动随无功大小而变化。拆下护环发现转子严重匝间短路而烧护环， 19号、20号大包线圈短路，槽间梯形绝缘垫块及环氧瓦块烧坏。通过检查发现大轴严重磁化，大轴静电电荷积累产生电压高达130V～160V，造成调速系统振动，发电机大轴、调速器蜗母轮、轴承、密封瓦等处被电弧灼伤，机组长时间不能稳定运行。
事故分析
2.1磁路不平衡引起的轴电压
在汽轮发电机中，大轴、轴承和基础底座组成了电和磁的回路，构成回路的这些部件均属导电和导磁性材料。当回路中存在交变磁通时，大轴中将产生轴电压，回路中将产生轴电流。发电机大轴此时可以看作一根导线，它与外面轴承、底座等构成回路，当磁路对称时，回路中磁通总和等于零。对于有接缝的铁芯，当接缝数/极对数的最小公约数的分子为奇数时，总会存在轴电压，而转子产生偏心的后果如同铁芯增加接缝一样，会产生轴电压。因此可通过分析其轴电压的频率及大小来判断其故障的性质。1000MW机组在设计中有较大气隙磁通、结构上龙源期刊网
的不对称(包括定子凹凸不平等因素)、磁场中有较高的三次谐波分量而造成铁芯易饱和以及采用静态励磁装置等，因而使得大型机组通常有较高的轴电压存在。机组运行中快速投入静态励磁时，由于磁场等值回路相当于一个分布电感、电容和电导的复杂网络，励磁电流的脉冲会在发电机磁场中依次造成脉冲。若上述磁场不对称，则会产生与这些脉冲相同性质的轴电压。静态励磁引起的轴电压具有以下特点：
（1）满负荷下，产生的轴电压低于轻负荷时的轴电压。
（2）静态励磁引起的轴电压具有快速上升的时间特性，因而对轴承油膜更具有破坏性。通常采取加强轴承绝缘的方法以减轻这些脉冲电压的危害，因为该部分绝缘作为阻抗极低的电容，对油膜保护作用甚微。
（3）大轴通常出现均等分的(如六等分)的电弧烧伤痕迹。
2.2转子绕组匝间短路引起的单极电动势
单极电动势一般是由于转子绕组安匝数不平衡所引起。产生单极电动势的磁通方向是随大轴轴向的。若上述磁路不平衡，则产生的磁通方向也不同。单极电动势具有下列特点：
（1）单极电动势出现在每个轴承两端。所以单极电流经过轴承两端，轴电流有时高达数百安培，使轴瓦乌金烧坏。单极电动势的大小取决于。
式中为常数；为磁通；为转数。
根据以往此类事故分析统计得知，单极电动势有时高达十几伏。
（2）产生单极电动势的磁通，是从大轴的一端进入而从另一端出去，进出磁通大小相等方向相反，，故大轴总的电压接近于零。对于单极电动势引起的大轴磁化这类故障，采用改进大轴的接地电刷或监视大轴的对地电压，效果不大。
另外，汽轮机内蒸汽和汽机叶片之间摩擦而产生的静电电荷，电荷产生静电场而导致产生轴电压值有时可高达500V～700V。
根据调查分析，此次事故主要原因从总体上讲，产品结构不合理（结构上不对称）、绝缘施工及端部固定工艺不良、检验不严格、铜线焊接工艺差和材料选用不适宜等因素为事故的主导原因，其中以引线手包绝缘整体性差、鼻端绝缘盒填充不满、绝缘盒与线棒主绝缘末端及引水管搭接处绝缘处理不当、绑扎涤玻绳固化不良以及端部固定薄弱(包括引线存在100Hz固有频率和铜线疲劳断裂)等问题尤为突出。事故中暴露的问题与两次调查涉及的定子端部线圈设计、施工工艺与材料选用存在问题及管理不善完全相符。事故机组存在密封瓦漏油、轴封漏汽及机内氢气湿度达不到标准，甚至机组内出现结露等问题，这些问题使先天有制造缺陷的薄弱部件，其绝缘水平进一步降低，引发了事故，这是事故的外因。 龙源期刊网
3．预防轴电压及磁化的技术对策
3.1防止设计不良及运行中漏油而造成转子严重匝间短路。运行中应加强转子电流及机组振动的监视，对于1000MW机组应采取动态匝间短路探测方法。大轴磁化后，应及时采取退磁措施。为了消除缺陷，转子可抽出后退磁，对于汽机低压缸转子及主励磁机转子可以在不抽转子的状态下退磁；转子护环也可在拔后状态下退磁。采用上述方式可以大大提高工作效率，缩短故障检修时间。为了达到上述目的，对于大型发电机非转子匝间短路故障引起的大轴磁化，可以在不抽出转子方式下退磁，此时只要采取防止退磁中磁通分流及增大安匝数等措施。
3.2对于容量为1000MW及以上定子采用水内冷冷却方式的汽轮发电机，在制造厂出厂试验与安装交接试验时，建议进行发电机定子内冷水系统热水流试验。
3.3汽轮发电机组各部分测温元件，大修时应认真校验，保证测温元件的准确性；值班人员要定时监盘并作好记录。当槽内线棒间温度指示发生异常时，首先判断测温元件及引线有无虚接、短路、断线等现象。而当测温元件指示温度偏高时，可采取降低负荷的方式来作出判断。堵塞严重的发电机，除测温元件温度出现异常外，有时还伴随定子接地、绝缘膨胀过热流胶，致使“绝缘热报警装置”动作。运行中定子线棒间温差经检查确定达到8℃时应引起重视，当温差确定达到12℃且槽内测温元件温度超过90℃时，应立即停机检查。
3.4为了防止过滤网破损杂质进入内冷水系统，应采用不锈钢的过滤网。机组在安装起动时必须采用专门的清洗过滤网。每次大修中除检查过滤网有无破损外，还应及时清除过滤网上的杂质以保证水路的畅通。每当定子水回路通水时，要及时通过定子排污管排气，确保定子引水管内不残留气体，以防止定子引水管汽化过热烧损。
3.5加强定子内冷水泵的运行维护，备用水泵要求处在正常状态，防止切换过程中因备用水泵故障而造成定子水回路断水，运行中要严格控制汽轮发电机定子内冷水的PH值，防止冷水铜管中产生的氧化铜堵塞水路、水箱水位过低或水量波动而发生断水故障。
3.6保证滑环侧轴承密封、氢封及励磁机对地绝缘良好。对于采用静态励磁的机组，对于交变轴电压起限制作用的不是电阻而是容抗，应在回路上增加电容元件等抑制措施。对于1000MW机组，油膜和轴承绝缘等效容抗仅16Ω，而绝缘电阻为90MΩ左右，说明此时提高轴承绝缘水平并不是防止励磁系统产生脉冲电压的唯一有效措施。
参考文献：
[1]张征平.大型发电机转子故障分析与诊断.[M].北京.中国电力出版社，2011.
[2]李永刚.发电机转子绕组匝间短路故障特性分析与识别.[M].北京.中国电力出版社，2011.
