核電站用發電機軸電流高報警問題分析及實例修復

柳 菲，宋 波，徐 超，袁振亞，趙 成

(蘇州熱工研究院有限公司，廣東深圳 518026)

0 引言

通常來說，發電機轉子軸電壓達到幾伏時便會產生軸電流，但有時在更低的電壓時也能產生軸電流。這是因為轉軸軸系整個回路電阻極小，軸電流數值有時可高達數安培，引起發電機軸承電弧，軸承鎢金因電弧灼燒破壞油膜剛度，導致軸瓦合金上出現放電點，俗稱放電腐蝕[1]。發電機持續運行，放電腐蝕不斷積累惡性循環，軸電流會很快破壞軸承表面，進一步發展可能燒毀軸瓦，磨損轉子主軸，造成核電廠主設備非計劃停機，突然停機的沖擊甚至可能導致停堆。

1 軸電壓和軸電流的故障原因分析[2-7]

由于發電機組結構特點決定，發電機在運行中軸電壓的產生是不可避免的，其產生原因主要有以下幾個方面：1)發電機轉子始終在交變的磁場下運行，轉軸即使屬于低導磁材料，也容易磁化而產生單極電壓。2)發電機鐵心由于硅鋼片制造和裝配工藝的限制，導致不均衡疊壓而引起不對稱電壓。3)汽輪機轉軸表面高速流過的水汽無法避免、導致在整個轉動軸系部件上聚集靜電荷，產生靜電電壓。4)勵磁系統阻抗耦合產生的電壓也會作用到轉軸軸系上。

雖然軸電壓不可避免，但是在規程允許范圍內不應產生軸電流，產生軸電流可能的原因如下：1)發電機組在運行過程中，本應絕緣的軸承座絕緣系統受到損壞，比如絕緣受潮、臟污、特殊的機械損傷；應絕緣的軸承座油管絕緣因各種原因損壞，導致軸承座或者油管與大地導通形成回路，在軸電壓的作用下產生軸電流。2)接地碳刷由于松脫、接觸點氧化、線路絕緣破損、導線短接等接觸不良原因使觸膜電阻增大，軸電壓也隨之提高，當高于底板接地點電位時，導致軸承內部產生軸電流。

2 軸電壓與軸電流的相關要求和規定

發電機在交接試驗和預防性試驗規程中規定：測軸承座的絕緣電阻用1 000 V兆歐表，在油管接好后的絕緣電阻值大于0.5 MΩ，對軸電壓的要求是，軸承油膜被短接時，發電機轉子兩端軸上的電壓一般應等于軸承與機座間的電壓，汽輪發電機轉子對地軸電壓一般應小于12 V。發電機制造廠要求：如果軸瓦的絕緣電阻小于0.5 MΩ或軸電壓突然增大時要注意防止軸電流會燒傷轉軸及軸瓦鎢金的表面，為此，要盡快安排停機、查明原因并消缺。

發電機軸電流一級預警值選取范圍一般為0.2 ～1 A，二級預警值大多選用2 A。部分核電廠軸電流報警定值詳見表1。

表1 軸電流報警定值

3 實例修復分析

以某核電廠項目為實例，對發電機轉子軸電流高報警事件進行了分析。該核電廠汽輪發電機型號是QFSN-1100-4型四極百萬等級核電發電機，主參數見表2。

表2 發電機主參數

2015年該核電廠2#發電機組出現軸電流高報警，現場檢查發電機軸電流在0.16 A附近波動，峰值為1.2 A。電氣連接圖見圖1，根據相關研究結果，當通過軸瓦的電流密度超過2 A/cm2時，將會引起軸瓦燒，應該盡快將發電機停機，避免設備損壞。由于干擾機組正常運行，軸電流高報警出現時，根據報警手冊要求，需要運行人員對機組參數、現場狀態進行檢查，電氣、機械人員到現場對電流進行測量、對軸和軸瓦進行檢查。

圖1 電氣連接圖

為確認報警原因，在3#和4#汽輪發電機大軸上進行相關驗證：模擬試驗當模擬至3瓦大軸直接接地時，7瓦對應的軸電流開始波動，檢查此時的軸電流波形與前期報警波形相似(頻率接近25 Hz且接近正弦波)，具體波形見圖2。

圖2 3瓦接地時7瓦軸電流波形圖

當模擬至1瓦接地時，7瓦再次出現軸電流波動，此時的軸電流波形與前期報警波形基本一致(25 Hz)，具體波形見圖3。

圖3 1瓦接地時7瓦軸電流波形

機組升功率到253 MW時，出現軸電流報警，現場錄取7瓦處接地電流和6瓦處軸電流，確認接地電流和大軸電流來自汽側大小約0.25 A且波形相同。具體波形見圖4。

圖4 6瓦和7瓦的軸電流

從前期模擬試驗結果和GRE(汽機調節系統)試驗期間錄波結果可以確定，造成頻繁出現報警原因是汽輪機側大軸某處發生接地，接地點可能靠近汽輪機前端(1瓦至3瓦之間)。據此分析結果，在大修期間解體中關注前述部件，在對檢查汽輪機推力瓦的浮油環檢查中，發現其有輕微變形(見圖5)，導致與轉子大軸配合間隙超標，存在局部碰摩痕跡，基本確認是誘發日常軸電流的原因，對其處理后，至今未再出現汽機側引起的軸電流報警。

圖5 汽輪機推力瓦的浮油環

4 結論

為了保證機組穩定運行，從技術管理維護的角度建議如下：

定期對發電機轉軸接地電刷部位清潔，以降低接觸電阻，保證轉軸接地點的零電位。發電機軸承檢修后，要保證軸承絕緣合格。定期對發電機軸承座絕緣、軸承相關部件、油管絕緣部位進行清潔，保證其絕緣良好。定期測量運行中的軸電壓，判斷其發電機軸承的絕緣情況。

此外應該積極收集不同故障下發電機軸電流波形曲線，以及與之相關部件的電壓波形曲線。為快速判斷故障位置，提供有效幫助。