核電TA1100-78型半速發(fā)電機軸電流檢測系統(tǒng)在線測試與診斷分析

歐小高，莊 重，劉 洋，徐慶慶

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核電TA1100-78型半速發(fā)電機軸電流檢測系統(tǒng)在線測試與診斷分析

歐小高，莊 重，劉 洋，徐慶慶

（中廣核工程有限公司，深圳518124）

針對CPR1000 TA1100-78型半速發(fā)電機軸電流檢測裝置，提出了一種在功率平臺下在線進行系統(tǒng)有效性測試的方法，該方法簡單實用，可全面校驗檢測回路與監(jiān)測裝置本體的正確性，提高軸電流監(jiān)測系統(tǒng)在機組起動后的可靠性。同時結(jié)合現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，對該機型軸電流出現(xiàn)后的異常診斷流程進行了分析，為同類型機組類似問題的處理提供參考。

TA1100-78型半速發(fā)電機；軸電流監(jiān)測；在線測試；異常診斷

0 前言

核電TA1100-78型半速發(fā)電機為CPR1000在役或在建核電項目的主流機型，單機額定容量1150MW。在調(diào)試起動與帶功率運行期間該機型曾多次觸發(fā)軸電流報警，給機組安全運行帶來隱患。高密度軸電流的形成可能會給發(fā)電機軸承造成電腐蝕[1]，導(dǎo)致軸承溫度上升，嚴重時威脅發(fā)電機組的安全運行，被迫停機檢修。現(xiàn)場調(diào)試過程發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機首次投入運行后，大軸從靜態(tài)或盤車轉(zhuǎn)速過渡至額定轉(zhuǎn)速，因接地碳刷裝配工藝的偏差或碳刷與轉(zhuǎn)軸磨合初期的影響，轉(zhuǎn)軸長期振動過程中可能出現(xiàn)碳刷接觸電阻增大導(dǎo)致發(fā)電機組配套的軸電流檢測系統(tǒng)無法有效檢測軸電流的問題，靜態(tài)下的離線試驗無法有效識別檢驗系統(tǒng)的可靠性。因此，在機組起動后的功率平臺下進行軸電流裝置檢測在線測試可確保裝置運行的可靠性。

發(fā)電機軸電壓與軸電流的形成機理已有較為成熟的理論[2]，不再贅述。本文主要從工程實際應(yīng)用的角度出發(fā)，重點分析核電TA1100-78型的發(fā)電機勵端軸承絕緣結(jié)構(gòu)及與之配套的軸電流檢測系統(tǒng)原理，針對軸電流檢測系統(tǒng)在機組起動后可能因測量回路故障，振動動態(tài)過程中接地碳刷接觸不良，接地電阻過大導(dǎo)致的軸電流監(jiān)測偏差等問題，提出了一種在功率平臺下進行在線有效性測試的分析方法。同時結(jié)合現(xiàn)場實際軸電流故障診斷的經(jīng)驗[3，4]，形成一套核電發(fā)電機軸電流故障診斷的基本流程[5]，為同類型機組軸電流故障診斷提供參考。

1 TA1100-78型發(fā)電機軸電流監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 發(fā)電機軸電流檢測回路與原理

TA1100-78型發(fā)電機組配套的軸電流檢測系統(tǒng)原理如圖1所示。

發(fā)電機勵端軸承為轉(zhuǎn)軸絕緣端（標9），其絕緣結(jié)構(gòu)詳見1.2節(jié)，發(fā)電機轉(zhuǎn)軸在汽側(cè)經(jīng)接地碳刷(標7)與DIP裝置（標10）內(nèi)的檢測CT相連后接地，汽輪機側(cè)的其他軸承為非絕緣結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)軸與軸承之間的絕緣為油膜絕緣，可等效為經(jīng)過渡電阻接地（標8）。發(fā)電機空載或負載運行后，發(fā)電機勵端轉(zhuǎn)軸存在軸電壓，當(dāng)勵端絕緣嚴重下降或失效時，軸電流形成并在裝置上被檢測到。

注：1—發(fā)電機轉(zhuǎn)子；2—汽輪機；3—勵磁機；4、5—發(fā)電機兩側(cè)軸承；6—汽輪機側(cè)軸承；7—接地碳刷；8—汽輪機側(cè)軸承等效接地電阻；9—發(fā)電機勵端絕緣；10—軸電流監(jiān)測裝置（DIP）

圖1 軸電流檢測原理示意圖

1.2 發(fā)電機勵端軸承絕緣結(jié)構(gòu)

發(fā)電機勵端為不接地端，是隔絕軸電流形成通路的絕緣端。發(fā)電機勵端軸承絕緣指轉(zhuǎn)軸與上下半軸承套、油密封過渡環(huán)、內(nèi)外部油檔，以及跟外部連接的測振支架、高壓油管之間的絕緣，一般通過絕緣墊等絕緣材質(zhì)實現(xiàn)絕緣，保證發(fā)電機轉(zhuǎn)軸只有碳刷單點接地，其絕緣值要求0.2MW以上。發(fā)電機勵端軸承總體絕緣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

注：1—轉(zhuǎn)子；2—油密封絕緣；3—內(nèi)油檔絕緣；4—外油檔絕緣；5、6—軸承外套絕緣；7、8—軸承內(nèi)套絕緣

圖2 發(fā)電機勵端軸承絕緣結(jié)構(gòu)

為監(jiān)測發(fā)電機軸承絕緣情況，每個絕緣部件通過引線集中引出至專門的測試端子，可定期進行勵端絕緣情況檢查。

1.3 發(fā)電機軸電流現(xiàn)行試驗方法分析

發(fā)電機正式起動前，一般在靜態(tài)下進行軸電流檢測系統(tǒng)的檢查及單體試驗，如接地碳刷接觸電阻及接地連續(xù)性檢查，測量回路通流試驗及軸電流報警測試等。根據(jù)同類型機組的調(diào)試經(jīng)驗，現(xiàn)行試驗方法可能存在如下不確定因素：1）發(fā)電機首次運行后，發(fā)電機轉(zhuǎn)軸從靜態(tài)或盤車轉(zhuǎn)速過渡至額定轉(zhuǎn)速運行，若接地碳刷裝配工藝存在偏差及碳刷與轉(zhuǎn)軸磨合初期的影響，在轉(zhuǎn)軸振動過程中可能出現(xiàn)碳刷與轉(zhuǎn)軸接觸不良及接觸電阻增大的情況；2）因汽輪機的其他軸承為非實體絕緣結(jié)構(gòu)，僅通過油膜絕緣，對地阻值相對較小，當(dāng)碳刷接地阻值達到一定值時，軸電流將存在分流效應(yīng)，導(dǎo)致軸電流監(jiān)測出現(xiàn)偏差；3）發(fā)電機輔助潤滑油系統(tǒng)的投運，高壓油管中可能存在金屬性雜質(zhì)，使除碳刷外的其他軸承與轉(zhuǎn)軸等效接地阻值（圖1標8）下降，同樣導(dǎo)致軸電流檢測不準確甚至失效。以上分析情況在發(fā)電機靜態(tài)下的試驗無法有效驗證，機組起動后，在線進行軸電流有效性的測試可大大提供軸電流監(jiān)測裝置的可靠性。

2 軸電流監(jiān)測有效性在線測試方法分析

2.1 發(fā)電機軸電流監(jiān)測有效性在線測試原理

針對上述軸電流監(jiān)測系統(tǒng)在發(fā)電機功率運行后可能存在的監(jiān)測偏差或失效問題，可以在功率平臺下在線測試軸電流檢測的有效性。總體思路是利用發(fā)電機的勵端軸電壓，構(gòu)建測試回路真實模擬軸電流的生成，通過比較測試回路電流與軸電流監(jiān)測裝置（DIP）檢測到的電流是否一致，來判斷軸電流檢測裝置是否有效和準確。其試驗原理如圖3所示。

從發(fā)電機軸電流監(jiān)測原理可知，當(dāng)發(fā)電機空載或負載運行后，發(fā)電機轉(zhuǎn)軸在勵端處存在軸電壓，可等效為電源，通過手動舉刷，串入可調(diào)節(jié)電阻及電流表，與接地碳刷所在的軸電流檢測支路組成測試回路，當(dāng)緩慢降低可調(diào)電阻的阻值，即可生成軸電流完成在線測試，其等效電路如圖4所示。

2.2 軸電流檢測系統(tǒng)在線測試方法分析

發(fā)電機轉(zhuǎn)軸可等效成電源，根據(jù)等效電路圖4可知，存在如下關(guān)系：

其中，為軸電壓，為軸電勢，為軸電流，結(jié)合公式（1），（2），對軸電流在線測試分析如下：

1）在碳刷接觸良好，監(jiān)測回路及裝置正常，汽輪機側(cè)油膜絕緣良好的情況下，因1遠大于測試回路電阻，1支路相當(dāng)于開路（2=0），從式（2）可得=1，即流過測量電流表A1與DIP監(jiān)測儀表的電流A2應(yīng)該相同，因此測試時只需記錄并比較測量電流表與監(jiān)測儀表的電流是否一致即可判斷檢測系統(tǒng)是否正常。

2）當(dāng)汽輪機側(cè)油膜絕緣良好時，即1阻值較大不存在分流，若檢測回路存在故障或碳刷接觸不良時，測試回路電阻過大，軸電流將可能無法生成，此時DIP裝置將檢測不到電流。

3）當(dāng)檢測回路及裝置正常，而汽輪機側(cè)油膜絕緣降低導(dǎo)致1阻值變小時，1支路存在分流（0），從式（2）可知，DIP監(jiān)測儀表A2電流將小于測量電流表A1（1<），檢測的軸電流小于實際軸電流，裝置檢測將存在偏差。

綜上分析，通過實際模擬生成軸電流，只需比較測量回路電流表A1與裝置檢測儀表A2的電流值是否一致即可判斷軸電流檢測系統(tǒng)是否正常，同時可根據(jù)測試情況分析軸電流出現(xiàn)偏差的故障類型。設(shè)計手冊要求，軸電流一段報警定值為0.2A，二段跳閘定值為2A，以一段報警值0.2A為上限進行試驗可確保試驗及設(shè)備的安全。

注：1—發(fā)電機轉(zhuǎn)子；2—汽輪機；3—勵磁機；4、5—發(fā)電機兩側(cè)軸承；6—汽輪機側(cè)軸承；7—接地碳刷；8—手動舉刷裝置；9—汽輪機側(cè)軸承等效接地電阻； A1—測量用交流電流表；A2— 軸電流裝置檢測電流表；R—可調(diào)電阻箱

圖3 軸電流在線模擬試驗示意圖

注：R—測試接線電阻；—可調(diào)電阻；—軸電壓；1—汽輪機側(cè)軸承等效接地電阻；—等效軸電勢；R—軸電勢內(nèi)阻；—軸電流；1—軸電流監(jiān)測電流；2—汽輪機側(cè)軸承分流

圖4 軸電流在線測試等效電路

2.3 現(xiàn)場實際案例驗證

在某核電廠4號發(fā)電機起動后的15%功率平臺按上述分析方法進行模擬試驗，試驗前測量發(fā)電機機端軸電壓為0.78V。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)可調(diào)電阻從3000Ω降至2Ω時，軸電流監(jiān)視裝置一直顯示為零，說明檢測回路存在故障，軸電流在監(jiān)測裝置上未形成通路。

對發(fā)電機汽側(cè)的接地碳刷與轉(zhuǎn)軸接觸的部位進行檢查，發(fā)現(xiàn)存在碳刷接觸不良的情況，取下碳刷檢查發(fā)現(xiàn)碳刷接觸部位存在明顯偏差的現(xiàn)象，手動舉刷測量轉(zhuǎn)軸對地的阻值已達678Ω（圖5）。現(xiàn)場對碳刷重新進行打磨和調(diào)整后，再次進行模擬試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

圖5 檢查發(fā)電機接地碳刷及接地電阻

表1 軸電流裝置在線測試結(jié)果

現(xiàn)場通過改變可調(diào)電阻值，測量多組數(shù)據(jù)。表1數(shù)據(jù)說明測量電流表A1與DIP裝置檢測到的軸電流A2基本一致，兩者測量曲線（圖6）基本吻合，說明軸電流監(jiān)測裝置能可靠檢測軸電流，且不存在分流效應(yīng)，從而驗證了軸電流監(jiān)測裝置檢測有效。

圖6 測量電流A1與監(jiān)測電流A2比較

根據(jù)公式（1），選取測試數(shù)據(jù)中的兩組數(shù)值（第6、10組），構(gòu)成如下方程組。

將表1中測量的軸電流值依次代入公式（4），可計算出對應(yīng)的軸電壓，將其與表1實際測量的軸電壓進行比較（如圖7所示），兩者高度吻合。說明隨著電阻下調(diào)，軸電流不斷增大，因發(fā)電機轉(zhuǎn)軸內(nèi)阻壓降的存在，軸電壓從0.78V下降至0.6V，這一現(xiàn)象與上述理論分析的結(jié)果一致，同時也佐證了軸電流系統(tǒng)在線測試電路模型的正確性。

圖7 軸電壓實際測量值與理論計算值比較

3 軸電流在線故障診斷方法探討

軸電流出現(xiàn)后的故障診斷現(xiàn)場排查較為困難，機組帶功率運行后，現(xiàn)場實際排查的可操作性低，而盲目的停機檢查將造成機組檢修次數(shù)增多，帶來發(fā)電損失，且停機狀態(tài)下也無有效的排查手段。本文結(jié)合TA1100-78型發(fā)電機組軸電流檢測裝置原理，結(jié)合現(xiàn)場診斷實踐總結(jié)出一套核電軸電流系統(tǒng)在線排查與診斷的基本流程。在確保機組安全運行的條件下在線開展軸電流問題的排查與處理，盡量減少停機次數(shù)。現(xiàn)場故障診斷流程如圖8所示。

（1）軸電流出現(xiàn)后，首先應(yīng)確認軸電流監(jiān)視裝置的檢測的可靠性，可利用本文介紹的在線驗證方法檢查測量回路與裝置，同時可利用鉗形電流表或串入低內(nèi)阻電流表進行輔助確認。

（2）發(fā)電機勵端絕緣下降是軸電流形成回路的關(guān)鍵點，應(yīng)通過絕緣引線對勵端絕緣電阻值進行確認。

（3）接地碳刷在發(fā)電機運行時因轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸與碳刷物理接觸不良，或者碳刷未進行有效打磨導(dǎo)致電氣接觸不良，可以通過逐步分段測量對地電阻以確認接地的可靠性，并利用碳刷測量轉(zhuǎn)軸電壓及轉(zhuǎn)軸對地電阻，以確認轉(zhuǎn)軸與地之間是否存在接觸不良的情況。

圖8 軸電流故障診斷與處理流程

（4）發(fā)電機運行過程中，轉(zhuǎn)軸與潤滑油直接接觸，存在電導(dǎo)率不合格，或轉(zhuǎn)軸與高壓油管、軸瓦等部件的接觸導(dǎo)致絕緣降低，可結(jié)合潤滑油油樣報告進行輔助判斷。

（5）如發(fā)現(xiàn)發(fā)電機軸電壓明顯偏高，存在導(dǎo)致軸電流的可能性，可利用發(fā)電機轉(zhuǎn)子間隙波形進行輔助判斷，檢查發(fā)電機是否存在較大的磁路不對稱情況，綜合對發(fā)電機運行進行評價。

（6）對發(fā)電機整體運行情況進行評價，如存在不可接受因素，必須停機檢查，即使軸電流不影響發(fā)電機的可靠運行，也需制定響應(yīng)的監(jiān)視手段及應(yīng)急預(yù)案，避免情況惡化，造成事故。

4 結(jié)論

本文提出了一種在線驗證TA1100-78型發(fā)電機軸電流裝置檢測有效性的測試方法，可對整個軸電流檢測系統(tǒng)進行全面檢驗并發(fā)現(xiàn)問題。因該機型汽輪機側(cè)軸瓦對地阻值的較低，機組起動后接地碳刷接觸狀態(tài)的變化可能引起軸電流監(jiān)測裝置檢測發(fā)生偏差，而功率平臺下進行在線測試可有效規(guī)避上述問題。該方法簡單易實施，具有推廣價值。同時結(jié)合核電現(xiàn)場軸電流故障診斷經(jīng)驗，對軸電流出現(xiàn)后的在線故障診斷基本流程進行了總結(jié)，在確保機組安全運行的前提下，盡量減少停機次數(shù)，在線開展軸電流的診斷與處理。

[1] 劉正超, 李福祺. 發(fā)電機氣隙距離、磁場強度和軸電壓的在線監(jiān)測[J]. 大電機技術(shù)，2003,(2):4-7.

[2] 王曉華, 李永剛, 武玉才. 汽輪發(fā)電機軸電壓分析[J].電力科學(xué)與工程，2009，25(11):73-76.

[3] 姜彤,周春陽,徐永金,張志富. 汽輪發(fā)電機中靜止勵磁軸電壓的分析與抑制. 電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(6)：142-146.

[4] 金華峰,付虹潤,謝卓健. 一起水輪發(fā)電機軸電流超標故障的分析與處理. 水電站機電技術(shù)，2011，34(4):57-60.

[5] 張學(xué)延. 汽輪發(fā)電機組軸電壓（流）對軸系振動的影響[J].熱力發(fā)電，2011, 40(12):64-66.

Online Testing and Diagnosis of Shaft Current Detecting System of Nuclear Power TA1100-78 Type Half Speed Generator

OU Xiaogao, ZHUANG Zhong, LIU Yang, XU Qingqing

(China Nuclear Power Engineering Co.Ltd, Shenzhen 518124, China)

For CPR1000 TA1100-78 half speed generator shaft current monitoringdevice, this paper puts forward an online validity test method on power platform. The method is simple and practical, the correctness of the detection circuit and the main body of the monitoring device can be fully checked,the reliability of the shaft current detection system can be improved after the generator start. At the same time, combined with the field practice, the abnormal diagnosis process for the shaft current is analyzed, which can provide reference for solving similar problems of the same type of unit.

TA1100-78 half speed generator; the shaft current monitoring; online test; abnormal diagnosis

TM311

A

1000-3983(2016)06-0022-04

2016-05-10

歐小高(1983-)，2009年畢業(yè)于東北電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，中廣核工程有限公司，發(fā)變電系統(tǒng)調(diào)試起動，電氣工程師。

審稿人：畢純輝