核電TA1100-78型半速發電機軸電流檢測系統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型半速發電機軸電流檢測系統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測裝置本體的正確性，提高軸電流監測系統在機組起動后的可靠性。同時結合現場實踐經驗，對該機型軸電流出現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型半速發電機；軸電流監測；在線測試；異常診斷

0 前言

核電TA1100-78型半速發電機為CPR1000在役或在建核電項目的主流機型，單機額定容量1150MW。在調試起動與帶功率運行期間該機型曾多次觸發軸電流報警，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電機軸承造成電腐蝕[1]，導致軸承溫度上升，嚴重時威脅發電機組的安全運行，被迫停機檢修。現場調試過程發現，發電機首次投入運行后，大軸從靜態或盤車轉速過渡至額定轉速，因接地碳刷裝配工藝的偏差或碳刷與轉軸磨合初期的影響，轉軸長期振動過程中可能出現碳刷接觸電阻增大導致發電機組配套的軸電流檢測系統無法有效檢測軸電流的問題，靜態下的離線試驗無法有效識別檢驗系統的可靠性。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用的角度出發，重點分析核電TA1100-78型的發電機勵端軸承絕緣結構及與之配套的軸電流檢測系統原理，針對軸電流檢測系統在機組起動后可能因測量回路故障，振動動態過程中接地碳刷接觸不良，接地電阻過大導致的軸電流監測偏差等問題，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。同時結合現場實際軸電流故障診斷的經驗[3，4]，形成一套核電發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型發電機軸電流監測系統

1.1 發電機軸電流檢測回路與原理

TA1100-78型發電機組配套的軸電流檢測系統原理如圖1所示。

發電機勵端軸承為轉軸絕緣端（標9），其絕緣結構詳見1.2節，發電機轉軸在汽側經接地碳刷(標7)與DIP裝置（標10）內的檢測CT相連后接地，汽輪機側的其他軸承為非絕緣結構，轉軸與軸承之間的絕緣為油膜絕緣，可等效為經過渡電阻接地（標8）。發電機空載或負載運行后，發電機勵端轉軸存在軸電壓，當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—發電機轉子；2—汽輪機；3—勵磁機；4、5—發電機兩側軸承；6—汽輪機側軸承；7—接地碳刷；8—汽輪機側軸承等效接地電阻；9—發電機勵端絕緣；10—軸電流監測裝置（DIP）

圖1 軸電流檢測原理示意圖

1.2 發電機勵端軸承絕緣結構

發電機勵端為不接地端，是隔絕軸電流形成通路的絕緣端。發電機勵端軸承絕緣指轉軸與上下半軸承套、油密封過渡環、內外部油檔，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實現絕緣，保證發電機轉軸只有碳刷單點接地，其絕緣值要求0.2MW以上。發電機勵端軸承總體絕緣結構如圖2所示。

注：1—轉子；2—油密封絕緣；3—內油檔絕緣；4—外油檔絕緣；5、6—軸承外套絕緣；7、8—軸承內套絕緣

圖2 發電機勵端軸承絕緣結構

為監測發電機軸承絕緣情況，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 發電機軸電流現行試驗方法分析

發電機正式起動前，一般在靜態下進行軸電流檢測系統的檢查及單體試驗，如接地碳刷接觸電阻及接地連續性檢查，測量回路通流試驗及軸電流報警測試等。根據同類型機組的調試經驗，現行試驗方法可能存在如下不確定因素：1）發電機首次運行后，發電機轉軸從靜態或盤車轉速過渡至額定轉速運行，若接地碳刷裝配工藝存在偏差及碳刷與轉軸磨合初期的影響，在轉軸振動過程中可能出現碳刷與轉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構，僅通過油膜絕緣，對地阻值相對較小，當碳刷接地阻值達到一定值時，軸電流將存在分流效應，導致軸電流監測出現偏差；3）發電機輔助潤滑油系統的投運，高壓油管中可能存在金屬性雜質，使除碳刷外的其他軸承與轉軸等效接地阻值（圖1標8）下降，同樣導致軸電流檢測不準確甚至失效。以上分析情況在發電機靜態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測裝置的可靠性。

2 軸電流監測有效性在線測試方法分析

2.1 發電機軸電流監測有效性在線測試原理

針對上述軸電流監測系統在發電機功率運行后可能存在的監測偏差或失效問題，可以在功率平臺下在線測試軸電流檢測的有效性。總體思路是利用發電機的勵端軸電壓，構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。

從發電機軸電流監測原理可知，當發電機空載或負載運行后，發電機轉軸在勵端處存在軸電壓，可等效為電源，通過手動舉刷，串入可調節電阻及電流表，與接地碳刷所在的軸電流檢測支路組成測試回路，當緩慢降低可調電阻的阻值，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 軸電流檢測系統在線測試方法分析

發電機轉軸可等效成電源，根據等效電路圖4可知，存在如下關系：

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

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

2）當汽輪機側油膜絕緣良好時，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）當檢測回路及裝置正常，而汽輪機側油膜絕緣降低導致1阻值變小時，1支路存在分流（0），從式（2）可知，DIP監測儀表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是否正常，同時可根據測試情況分析軸電流出現偏差的故障類型。設計手冊要求，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備的安全。

注：1—發電機轉子；2—汽輪機；3—勵磁機；4、5—發電機兩側軸承；6—汽輪機側軸承；7—接地碳刷；8—手動舉刷裝置；9—汽輪機側軸承等效接地電阻； 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；—可調電阻；—軸電壓；1—汽輪機側軸承等效接地電阻；—等效軸電勢；R—軸電勢內阻；—軸電流；1—軸電流監測電流；2—汽輪機側軸承分流

圖4 軸電流在線測試等效電路

2.3 現場實際案例驗證

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

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

圖5 檢查發電機接地碳刷及接地電阻

表1 軸電流裝置在線測試結果

現場通過改變可調電阻值，測量多組數據。表1數據說明測量電流表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，說明軸電流監測裝置能可靠檢測軸電流，且不存在分流效應，從而驗證了軸電流監測裝置檢測有效。

圖6 測量電流A1與監測電流A2比較

根據公式（1），選取測試數據中的兩組數值（第6、10組），構成如下方程組。

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，軸電流不斷增大，因發電機轉軸內阻壓降的存在，軸電壓從0.78V下降至0.6V，這一現象與上述理論分析的結果一致，同時也佐證了軸電流系統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

軸電流出現后的故障診斷現場排查較為困難，機組帶功率運行后，現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增多，帶來發電損失，且停機狀態下也無有效的排查手段。本文結合TA1100-78型發電機組軸電流檢測裝置原理，結合現場診斷實踐總結出一套核電軸電流系統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。現場故障診斷流程如圖8所示。

（1）軸電流出現后，首先應確認軸電流監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阻電流表進行輔助確認。

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

（3）接地碳刷在發電機運行時因轉軸高速旋轉，可能導致轉軸與碳刷物理接觸不良，或者碳刷未進行有效打磨導致電氣接觸不良，可以通過逐步分段測量對地電阻以確認接地的可靠性，并利用碳刷測量轉軸電壓及轉軸對地電阻，以確認轉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）發電機運行過程中，轉軸與潤滑油直接接觸，存在電導率不合格，或轉軸與高壓油管、軸瓦等部件的接觸導致絕緣降低，可結合潤滑油油樣報告進行輔助判斷。

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

（6）對發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電機的可靠運行，也需制定響應的監視手段及應急預案，避免情況惡化，造成事故。

4 結論

本文提出了一種在線驗證TA1100-78型發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進行全面檢驗并發現問題。因該機型汽輪機側軸瓦對地阻值的較低，機組起動后接地碳刷接觸狀態的變化可能引起軸電流監測裝置檢測發生偏差，而功率平臺下進行在線測試可有效規避上述問題。該方法簡單易實施，具有推廣價值。同時結合核電現場軸電流故障診斷經驗，對軸電流出現后的在線故障診斷基本流程進行了總結，在確保機組安全運行的前提下，盡量減少停機次數，在線開展軸電流的診斷與處理。

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

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

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

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

[5] 張學延. 汽輪發電機組軸電壓（流）對軸系振動的影響[J].熱力發電，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年畢業于東北電力大學電力系統及其自動化專業，中廣核工程有限公司，發變電系統調試起動，電氣工程師。

審稿人：畢純輝