国华准电汽轮机轴瓦电腐蚀原因分析及处理
2016-08-05宋峰 王铁军
（内蒙古国华准格尔发电有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯，010300）
摘 要：汽轮发电机组轴电压引起的轴电流会造成很大的危害，自准电三、四号发电机投入商业运行以来，近几年的检修过程中均发现因轴电压引起的汽轮机轴颈、轴瓦接触点电烧伤的事件。如果不加以处理，严重的甚至烧毁轴瓦，造成较大的经济损失。准电汽轮机轴瓦电腐蚀的根本原因是，由于静止半导体励磁，而产生的高频电压，且轴电压较高，根据可能产生轴电压的原因逐项排查分析，并采用无源RC吸收回路限制轴电压的措施，取得了理想的效果，这种对策在准电三、四号汽轮发电机上试验成功，优点如下：所有的轴电势，甚至高频峰值，都降到了无害的范围。在励磁机端的接地RC电路通用性好，维护费用低且电刷寿命长。无论发电机汽轮机端有无接地电刷都可以正常运行且易于监控。
【关键词】：电腐蚀；轴电压；无源RC吸收回路
准电三、四号汽轮发电机组是北京重型电机厂生产的单轴、三缸、亚临界、中间一次再热、双排气式汽轮机和北京重型电机厂引进阿尔斯通技术生产的T225.460型发电机采用静止半导体励磁发电机。三、四号汽轮机在近年来的检修中均发现轴瓦不同程度的电腐蚀现象。
经测量准电三、四号汽轮发电机转子轴电压较高，是引起汽轮发电机轴瓦出现电腐蚀的故障的主要原因。轴瓦出现电腐蚀给机组检修增加了工作量及检修费用，并且给机组运行带来了较大的隐患。由于发电机汽轮机端转轴表面旋转的速度很高，使得现有的接地电刷经常失效。经验表明：传统的接地装置不能消除高频轴电压峰值。根据轴电压产生的原因及特点，在发电机的励磁端通过接地电刷对地接人一个新型无源RC电路的防范措施。这套新的防范措施显示出以下优点：轴电压降到了无害的水平；通用性好；维护费用低；电刷寿命长；不管发电机的汽轮机端有无接地电刷都可正常运行，易于监控。采用新的接地装置后，三、四号发电机的轴电压稳定在10V以内。
1 轴电压产生的原因及危害
汽轮发电机组轴电压引起的轴电流会造成很大的危害，自准电三、四号发电机投入商业运行以来，近几年的检修过程中均发现因轴电压引起的汽轮机轴颈、轴瓦接触点电烧伤的事件。如果不加以处理，严重的甚至烧毁轴瓦，造成较大的经济损失。准电四号汽轮机发电机轴电压较高，根据可能产生轴电压的原因逐项排查分析。
1.1静电效应产生的轴电压
由于大型汽轮发电机组汽轮机低压缸内的干蒸汽与汽轮机叶片摩擦，高速蒸汽在汽轮机转子上产生静电电荷，或由于与发电机同轴相连的汽轮机的轴封不好，沿轴的高速蒸汽泄漏或蒸汽在汽缸内高速喷射等原因使轴带静电电荷，该静电电荷对接地状况有关的轴电容充电，从而产生轴电压。
1.2发电机磁路不对称引起的轴电压
1.2.1磁通不对称引起的轴电压
发电机的制造不可能保证其磁路对称。由此，发电机在运行中大轴、轴承、台板所构成的回路交链的磁通发生交替变化，在大轴上会产生交变电势，且该电势具有基波特性。当大轴、轴颈、轴瓦、轴承座和台板所构成的回路因某种原因接通时，由于回路电阻很低，就会产生很大的轴电流，引起相关轴电流回路部件的损坏。
1.2.2发电机转子线圈匝间短路产生的轴电压
若发生匝间短路，则由两组线圈产生的轴向磁通不能全部抵消，而产生轴向不平衡磁通，短路匝数越多，则不平衡轴向磁通也越大。当这个磁通和轴向磁通叠加到一起或轴向磁通本身数值达到一定程度后，将会在轴颈对油膜之间产生较高的单极电压，一旦击穿油膜，很有可能造成轴瓦烧损。
1.2.3电机大轴被磁化产生的轴电压
汽轮发电机组因某种原因被磁化后，存在着周向和轴向剩磁，由剩磁在转子和轴承部件中感应产生单极电压。同上所述，该感应电压将在轴承和轴密封中，即从轮叶经过隔板、隔板套、汽缸、油膜破坏的轴承、大轴回到轮叶，由此大电流可引起相应的部件损坏，该电流引起的磁通还可能使汽轮机周向磁化。
1.3外部电压引起的轴电压及危害
1.3.1静止励磁装置的影响
自并励励磁系统的晶闸管换相时产生的高频电压脉冲会在轴瓦、轴颈的油膜之间产生高频电压脉冲，一旦击穿油膜，很有可能造成相应轴电流流经部位烧损。
1.3.2有源转子绕组保护装置产生的轴电压
在发电机转子保护装置中，采用迭加直流式一点接地保护、迭加交流电压式导纳原理一点接地励磁保护以及迭加方波电压式励磁回路一点接地保护等转子接地保护，在原理设计上会通过与接地状况有关的绝缘电容和电阻的耦合在轴瓦、轴颈油膜之间产生轴电压，一旦击穿油膜，很有可能造成相应轴电流流经部位烧损。
轴电压出现在轴承和地之间，是由于静电荷（转子绕组）、绝缘不对称或静止励磁系统产生的。它虽然不会产生很大的低频电流，但是它的值达到很高。从而，在发电机运行几周到几月后，引起的电腐蚀会严重损伤轴承，使得必须提前对轴承进行检修。
2、轴电压的防范措施
大部分减小轴电压的对策都是针对轴电压的出现。对于前两种轴电压，必须防止感应电路短路产生的大电流，即这些电路的电阻至少要有30-50Q。在所有可能产生轴电流的路径上采用高电阻绝缘设计就可实现。由静电荷或静止励磁系统产生的，通过油膜、轴密封等的轴电压必须其电压过高，不得超过20V。这是能防止电腐蚀发生的途径。薄的绝缘层不能提供的保护，它只能作为容性分压器。静电荷能够被小于lkQ的接地电阻有效消除。解决由静止励磁系统所产生的轴电压Z有效的方法是增加轴对地电容至10μF左右。这可以减小（轴对地）电容电压的比值，减小高频电压峰值的频率，且几乎可旁路更高频的轴电压。因为在发电机汽轮机端使用接地电刷遇到过许多难题，根据上述研究的成果，现在提出一些针对采用静止励磁的大型汽轮机组产生轴电压的防范措施，必须保留能对感应轴电压所产生轴电流进行有效防护的励磁机端轴承绝缘；如果需要，只要汽轮机端的接地电刷功能正常，可以保留；励磁机端通过接地电刷接入一种新型无源RC电路。即使汽轮机端没有接地电刷或电刷没有正常工作，500Q的电阻已经高到足够将电流限制在无害的mA范围内，且建立的直流电势也被限制在足够低的数值内。10μF的并联电容可以有效地防止所有由静止励磁产生的轴电压。
准电三、四号汽轮发电机组是北京重型电机厂生产的单轴、三缸、亚临界、中间一次再热、双排气式汽轮机和北京重型电机厂引进阿尔斯通技术生产的T225.460型发电机采用静止半导体励磁发电机。三、四号汽轮机在近年来的检修中均发现轴瓦不同程度的电腐蚀现象。
经测量准电三、四号汽轮发电机转子轴电压较高，是引起汽轮发电机轴瓦出现电腐蚀的故障的主要原因。轴瓦出现电腐蚀给机组检修增加了工作量及检修费用，并且给机组运行带来了较大的隐患。由于发电机汽轮机端转轴表面旋转的速度很高，使得现有的接地电刷经常失效。经验表明：传统的接地装置不能消除高频轴电压峰值。根据轴电压产生的原因及特点，在发电机的励磁端通过接地电刷对地接人一个新型无源RC电路的防范措施。这套新的防范措施显示出以下优点：轴电压降到了无害的水平；通用性好；维护费用低；电刷寿命长；不管发电机的汽轮机端有无接地电刷都可正常运行，易于监控。采用新的接地装置后，三、四号发电机的轴电压稳定在10V以内。
1 轴电压产生的原因及危害
汽轮发电机组轴电压引起的轴电流会造成很大的危害，自准电三、四号发电机投入商业运行以来，近几年的检修过程中均发现因轴电压引起的汽轮机轴颈、轴瓦接触点电烧伤的事件。如果不加以处理，严重的甚至烧毁轴瓦，造成较大的经济损失。准电四号汽轮机发电机轴电压较高，根据可能产生轴电压的原因逐项排查分析。
1.1静电效应产生的轴电压
由于大型汽轮发电机组汽轮机低压缸内的干蒸汽与汽轮机叶片摩擦，高速蒸汽在汽轮机转子上产生静电电荷，或由于与发电机同轴相连的汽轮机的轴封不好，沿轴的高速蒸汽泄漏或蒸汽在汽缸内高速喷射等原因使轴带静电电荷，该静电电荷对接地状况有关的轴电容充电，从而产生轴电压。
1.2发电机磁路不对称引起的轴电压
1.2.1磁通不对称引起的轴电压
发电机的制造不可能保证其磁路对称。由此，发电机在运行中大轴、轴承、台板所构成的回路交链的磁通发生交替变化，在大轴上会产生交变电势，且该电势具有基波特性。当大轴、轴颈、轴瓦、轴承座和台板所构成的回路因某种原因接通时，由于回路电阻很低，就会产生很大的轴电流，引起相关轴电流回路部件的损坏。
1.2.2发电机转子线圈匝间短路产生的轴电压
若发生匝间短路，则由两组线圈产生的轴向磁通不能全部抵消，而产生轴向不平衡磁通，短路匝数越多，则不平衡轴向磁通也越大。当这个磁通和轴向磁通叠加到一起或轴向磁通本身数值达到一定程度后，将会在轴颈对油膜之间产生较高的单极电压，一旦击穿油膜，很有可能造成轴瓦烧损。
1.2.3电机大轴被磁化产生的轴电压
汽轮发电机组因某种原因被磁化后，存在着周向和轴向剩磁，由剩磁在转子和轴承部件中感应产生单极电压。同上所述，该感应电压将在轴承和轴密封中，即从轮叶经过隔板、隔板套、汽缸、油膜破坏的轴承、大轴回到轮叶，由此大电流可引起相应的部件损坏，该电流引起的磁通还可能使汽轮机周向磁化。
1.3外部电压引起的轴电压及危害
1.3.1静止励磁装置的影响
自并励励磁系统的晶闸管换相时产生的高频电压脉冲会在轴瓦、轴颈的油膜之间产生高频电压脉冲，一旦击穿油膜，很有可能造成相应轴电流流经部位烧损。
1.3.2有源转子绕组保护装置产生的轴电压
在发电机转子保护装置中，采用迭加直流式一点接地保护、迭加交流电压式导纳原理一点接地励磁保护以及迭加方波电压式励磁回路一点接地保护等转子接地保护，在原理设计上会通过与接地状况有关的绝缘电容和电阻的耦合在轴瓦、轴颈油膜之间产生轴电压，一旦击穿油膜，很有可能造成相应轴电流流经部位烧损。
轴电压出现在轴承和地之间，是由于静电荷（转子绕组）、绝缘不对称或静止励磁系统产生的。它虽然不会产生很大的低频电流，但是它的值达到很高。从而，在发电机运行几周到几月后，引起的电腐蚀会严重损伤轴承，使得必须提前对轴承进行检修。
2、轴电压的防范措施
大部分减小轴电压的对策都是针对轴电压的出现。对于前两种轴电压，必须防止感应电路短路产生的大电流，即这些电路的电阻至少要有30-50Q。在所有可能产生轴电流的路径上采用高电阻绝缘设计就可实现。由静电荷或静止励磁系统产生的，通过油膜、轴密封等的轴电压必须其电压过高，不得超过20V。这是能防止电腐蚀发生的途径。薄的绝缘层不能提供的保护，它只能作为容性分压器。静电荷能够被小于lkQ的接地电阻有效消除。解决由静止励磁系统所产生的轴电压Z有效的方法是增加轴对地电容至10μF左右。这可以减小（轴对地）电容电压的比值，减小高频电压峰值的频率，且几乎可旁路更高频的轴电压。因为在发电机汽轮机端使用接地电刷遇到过许多难题，根据上述研究的成果，现在提出一些针对采用静止励磁的大型汽轮机组产生轴电压的防范措施，必须保留能对感应轴电压所产生轴电流进行有效防护的励磁机端轴承绝缘；如果需要，只要汽轮机端的接地电刷功能正常，可以保留；励磁机端通过接地电刷接入一种新型无源RC电路。即使汽轮机端没有接地电刷或电刷没有正常工作，500Q的电阻已经高到足够将电流限制在无害的mA范围内，且建立的直流电势也被限制在足够低的数值内。10μF的并联电容可以有效地防止所有由静止励磁产生的轴电压。
2.1加装接地装置
2.1.1、接地碳刷装在四号汽机#9瓦靠近发电机侧。
2.2.2、在9瓦轴颈中心两侧相对180°安装两组刷架与电刷。
2.2.3、为使刷握对地绝缘，刷握通过10mm环氧树脂板固定在刷架上，刷架安装完毕后用500V摇表测量刷握绝缘电阻应该值≥0.5MΩ。
2.2.4、通过加装无源RC阻容吸收回路来消除静止可控硅励磁引起的三次高频谐波分量以及其他运行因素引起的轴电压。阻容吸收回路接地端接地可靠。
2.2.5、刷架安装后调整刷握与转轴之间的间隙为5mm，保证电刷在刷握内自由移动。
2.2.6、测试接地电刷弹簧压力，保证电刷与转轴接触良好。
2.2.7、接地电刷与阻容吸收装置控制柜之间通过绝缘接地线进行连接。
加装完接地装置后，定期跟踪测量轴电压情况，一直保持在10V以内，运行平稳。
3 结论
由静止励磁系统产生的轴电压是一个3倍于基频的矩形波并叠加了高频电压峰值。这些电压来源于整流器的共模电压和在整流过程中陡峭的电压跳跃。现场试验的结果能够很好地吻合。结果证明发电机汽轮机端传统的接地装置（即使正常工作）也不能消除轴电压的高频峰值。由于轴对地电容对轴电压的频率和幅值有非常大的影响，因此减小由静止励磁系统产生轴电压的Z好方法就是再加上一个10μF的轴对地电容。20V以上的轴电压就可能在轴承和轴密封系统产生电腐蚀。随着电压幅值的增大，腐蚀体积会显著增大。为了保护使用静止励磁系统的大型汽轮机发电机不受所有类型轴电压的影响，提出各种对策，主要是在发电机的励磁机端通过接地电刷接入一个无源RC电路。这种对策在准电三、四号汽轮发电机上试验成功，优点如下：所有的轴电势，甚至高频峰值，都降到了无害的范围。在励磁机端的接地RC电路通用性好，维护费用低且电刷寿命长。无论发电机汽轮机端有无接地电刷都可以正常运行且易于监控。
参考文献
[1]静止励磁的发电机中产生的轴电压问题和解决方法（瑞士）C.Ammanl
[2]虞永斌.125MW发电机组的轴电压与转子接地保护.华东电力[J].2002，（2）：50-51.
[3]李延军.连续羹整装置3ZOOKW压缩机组电气系统完善.电机技术
2.1.1、接地碳刷装在四号汽机#9瓦靠近发电机侧。
2.2.2、在9瓦轴颈中心两侧相对180°安装两组刷架与电刷。
2.2.3、为使刷握对地绝缘，刷握通过10mm环氧树脂板固定在刷架上，刷架安装完毕后用500V摇表测量刷握绝缘电阻应该值≥0.5MΩ。
2.2.4、通过加装无源RC阻容吸收回路来消除静止可控硅励磁引起的三次高频谐波分量以及其他运行因素引起的轴电压。阻容吸收回路接地端接地可靠。
2.2.5、刷架安装后调整刷握与转轴之间的间隙为5mm，保证电刷在刷握内自由移动。
2.2.6、测试接地电刷弹簧压力，保证电刷与转轴接触良好。
2.2.7、接地电刷与阻容吸收装置控制柜之间通过绝缘接地线进行连接。
加装完接地装置后，定期跟踪测量轴电压情况，一直保持在10V以内，运行平稳。
3 结论
由静止励磁系统产生的轴电压是一个3倍于基频的矩形波并叠加了高频电压峰值。这些电压来源于整流器的共模电压和在整流过程中陡峭的电压跳跃。现场试验的结果能够很好地吻合。结果证明发电机汽轮机端传统的接地装置（即使正常工作）也不能消除轴电压的高频峰值。由于轴对地电容对轴电压的频率和幅值有非常大的影响，因此减小由静止励磁系统产生轴电压的Z好方法就是再加上一个10μF的轴对地电容。20V以上的轴电压就可能在轴承和轴密封系统产生电腐蚀。随着电压幅值的增大，腐蚀体积会显著增大。为了保护使用静止励磁系统的大型汽轮机发电机不受所有类型轴电压的影响，提出各种对策，主要是在发电机的励磁机端通过接地电刷接入一个无源RC电路。这种对策在准电三、四号汽轮发电机上试验成功，优点如下：所有的轴电势，甚至高频峰值，都降到了无害的范围。在励磁机端的接地RC电路通用性好，维护费用低且电刷寿命长。无论发电机汽轮机端有无接地电刷都可以正常运行且易于监控。
参考文献
[1]静止励磁的发电机中产生的轴电压问题和解决方法（瑞士）C.Ammanl
[2]虞永斌.125MW发电机组的轴电压与转子接地保护.华东电力[J].2002，（2）：50-51.
[3]李延军.连续羹整装置3ZOOKW压缩机组电气系统完善.电机技术
来源：《科技资讯》2015年第2月
