發電機大軸接地不良對軸振動檢測影響問題的分析及處理

摘 要：發電機大軸由于各種原因，會在軸與大地之間形成軸電壓，可能對發電機軸瓦造成燒蝕損傷，也會對軸系保護儀表造成干擾，大軸接地碳刷的作用就是構成大軸對地放電通路，抑制軸電壓。文章介紹了一次因發電機大軸接地不良引起軸振動檢測失準故障的分析處理過程。

關鍵詞：發電機；碳刷；軸振動檢測；接地不良

萊鋼銀前區5號TRT發電機組近期發生一次因發電機大軸接地不良引起軸振動檢測失準的故障。該機組為8兆瓦機組，大軸接地保護方式為一點接地，軸系檢測采用本特利3500在線監測系統，軸振動及軸位移各測點均采用本特利配套監測探頭和前置器。

1 故障現象

發生故障當日16時27分，四個軸振動測量值突然增大，比此前機組運行的正常值增大30-50μm左右，持續觀察40分鐘，振動值有緩慢增加趨勢，至20時10分，透平機側軸振動X向和發電機側軸振動X向振動值超過報警值，至21時，振動值趨于穩定不再增加，在90-130μm之間波動，機組軸系保護頻繁報警，尚未超過跳機值，機組維持運行。

表1 軸振動測點參數正常值與故障值對照表 表中單位：μm

2 故障排查處理

針對故障現象進行分析，認為四個測點同時出現異常，測量元件損壞的可能性不大，問題的原因主要從兩個方面考慮：一、機組軸振動確實增大；二、檢測系統故障。對這兩個方面進行排查。

2.1 運行狀態檢查

用手持式振動測試儀測量各軸振測點附近機殼，測值均在40-65μm左右，與日常點檢的測試結果沒有異常差異，排除機組本身振動增大的原因。屏蔽一瓦X向振動連鎖停機信號，測量前置器電氣參數，供電電壓為-24.2V，信號電壓-14.7V，排除測量元件供電問題，同時證明測量信號的實際值偏大。連接本特利主機，觀察測量值也偏大。檢查信號系統屏蔽及接地也沒有發現異常，同時觀察處于同一PLC的其他模擬量信號沒有發現異常，因此排除本特利3500在線監測系統和PLC部分的故障。在本特利3500的備用通道上連接一組前置器和檢測探頭并按照在用振動探頭的參數進行組態，把前置器和探頭置于本特利3500的安裝柜內，用磁性螺絲刀快速靠近和遠離探頭，本特利3500處理后的數據反應正常，至此，檢測系統及元件原因排除。機組處于運行狀態已無法進一步測試排查故障原因。

2.2 停機檢查

為徹底排查故障，避免機組意外跳機，造成高爐頂壓波動，影響高爐生產，機組進行停機檢修。停機后，四個振動點的檢測值均大于30μm，二瓦X向振動示值最大為47μm，遠大于本底噪聲的干擾值?；谶@一現象，初步判斷故障原因為引入了電磁干擾，提高了本底噪聲所致。經排查，故障時間段內附近沒有運行大型變頻裝置或者大功率無線電發射裝置，空間電磁干擾的可能性排除。隨后對機組軸系檢測元件及線路進行拆卸檢查并重新安裝調校，故障現象未消除。檢查至大軸接地碳刷時，發現兩只并聯使用的碳刷的公共引出線接線松脫，用萬用表測量透平端軸體表面與機組基礎間直流電壓為7.7-12.2伏跳變，緊固碳刷接線后電壓基本消失，最后穩定在0.2伏左右，四個振動點的檢測值恢復到正常的本底噪聲干擾水平，故障現象消失。至此，確認本次故障主要原因是碳刷接線不良，無法構成對地釋放通路，靜電荷積累造成軸電壓升高，進而通過大軸表面和振動檢測探頭間的電容耦合到振動探頭的感應線圈，抬高了軸振動測量系統的本底噪聲，引起測量值偏大。

3 故障原因分析

為分析大軸接地碳刷接觸不良影響軸振動檢測的原因，需要考察大軸接地的方式和作用。大軸碳刷和震動探頭安裝位置示意圖如圖1。

圖1 大軸碳刷和震動探頭安裝位置示意圖

圖中1，2，3，4為透平側和發電機側的4個測振傳感器；5為接地碳刷；6為轉子接地保護電路；7為接地裝置。大軸碳刷接地回路的主要作用是提供發電機軸電壓的釋放通路和發電機勵磁的保護監測回路信號。軸電壓的產生主要有以下幾個原因：

（1）磁不對稱引起的軸電壓，在發電機制造、安裝中由于氣隙總是不那么均勻，另外線圈安裝中阻抗也不近相同，發電機運行中會在發電機轉子上感應出軸電壓。這種交流軸電壓一般為1～10V，接地回路良好的情況下，這類因素產生的軸電壓一般較小，對機組的軸系測量不產生明顯影響。

（2）靜電電荷積聚引起的軸電壓，這種出現在軸和接地臺板之間的直流型電壓是在一定條件下高速流動的高爐煤氣與透平機葉片摩擦出的靜電電荷產生的。接地碳刷回路良好的情況下，摩擦產生的靜電電荷會通過電刷接地通路釋放入地，不會造成集聚，形成明顯的軸電壓。如果電刷接地不良，摩擦產生的靜電電荷會逐漸積聚，軸電壓逐漸升高，直到機組大軸對機座在某一絕緣薄弱點放電，釋放靜電電荷為止。這種靜電電壓幅值可能會較高，甚至可以達到百伏以上。不但對軸系檢測儀表造成明顯干擾，還可能形成較大的軸電流，燒損機組軸瓦，造成嚴重事故。

（3）勵磁系統引起的軸電壓，目前發電機組普遍采用可控變流元件整流勵磁系統。勵磁系統因可控硅換向的影響，引入了一個新的軸電壓源。勵磁系統將交流電壓通過靜態可控硅整流輸出直流電壓供給發電機勵磁繞組，此直流電壓為脈動型電壓。這個快速變化的脈動電壓通過發電機的勵磁繞組和轉子本體之間的電容耦合，在軸對地之間產生交流電壓。

（4）剩磁引起的軸電壓，當發電機嚴重短路或其他異常工況下，經常會使大軸、軸瓦、機殼等部件磁化并保留一定的剩磁。當機組大軸轉動時，就會產生電勢。

結合故障現象分析，上述產生軸電壓的四種原因中，第一種和第四種原因只有在軸轉動時才能產生，本例在發電機停機后軸電壓仍然存在，可以排除這兩種原因。第三種原因需要在勵磁繞組中通有勵磁電流時才能產生，機組停機后勵磁已切除，軸電壓仍然存在，說明也不是此種原因。對于第二種原因，由于轉子葉片上積聚的靜電電荷始終沒有對地釋放通路，不論停機與否電荷都沒有有效釋放，軸電壓依然存在，直到接地碳刷被恢復良好接觸后，靜電電荷才被釋放，軸電壓消失。這一情況符合本例的故障現象，因此，本文認為發電機透平側氣體沖刷形成的靜電荷積聚，造成軸電壓升高，對利用電渦流測量原理的軸振動探頭的影響是本次故障的主要原因。

4 結束語

本次故障的主要原因是大軸接地不良造成軸電壓異常引起的，大軸接地是否良好直接影響軸系檢測儀表的正常工作，對發電機組安全穩定運行至關重要。有效避免此類故障的措施是定期檢查大軸接地碳刷及線路狀況，必要時可考慮引入軸電壓實時監控裝置。

參考文獻

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作者簡介：陳宏偉（1973-）男，高級工程師，主要從事冶金自動化儀器儀表方面的研究。