发电机大轴接地不良对轴振动检测影响问题的分析及处理

摘 要：发电机大轴由于各种原因，会在轴与大地之间形成轴电压，可能对发电机轴瓦造成烧蚀损伤，也会对轴系保护仪表造成干扰，大轴接地碳刷的作用就是构成大轴对地放电通路，抑制轴电压。文章介绍了一次因发电机大轴接地不良引起轴振动检测失准故障的分析处理过程。

关键词：发电机；碳刷；轴振动检测；接地不良

莱钢银前区5号TRT发电机组近期发生一次因发电机大轴接地不良引起轴振动检测失准的故障。该机组为8兆瓦机组，大轴接地保护方式为一点接地，轴系检测采用本特利3500在线监测系统，轴振动及轴位移各测点均采用本特利配套监测探头和前置器。

1 故障现象

发生故障当日16时27分，四个轴振动测量值突然增大，比此前机组运行的正常值增大30-50μm左右，持续观察40分钟，振动值有缓慢增加趋势，至20时10分，透平机侧轴振动X向和发电机侧轴振动X向振动值超过报警值，至21时，振动值趋于稳定不再增加，在90-130μm之间波动，机组轴系保护频繁报警，尚未超过跳机值，机组维持运行。

表1 轴振动测点参数正常值与故障值对照表 表中单位：μm

2 故障排查处理

针对故障现象进行分析，认为四个测点同时出现异常，测量元件损坏的可能性不大，问题的原因主要从两个方面考虑：一、机组轴振动确实增大；二、检测系统故障。对这两个方面进行排查。

2.1 运行状态检查

用手持式振动测试仪测量各轴振测点附近机壳，测值均在40-65μm左右，与日常点检的测试结果没有异常差异，排除机组本身振动增大的原因。屏蔽一瓦X向振动连锁停机信号，测量前置器电气参数，供电电压为-24.2V，信号电压-14.7V，排除测量元件供电问题，同时证明测量信号的实际值偏大。连接本特利主机，观察测量值也偏大。检查信号系统屏蔽及接地也没有发现异常，同时观察处于同一PLC的其他模拟量信号没有发现异常，因此排除本特利3500在线监测系统和PLC部分的故障。在本特利3500的备用通道上连接一组前置器和检测探头并按照在用振动探头的参数进行组态，把前置器和探头置于本特利3500的安装柜内，用磁性螺丝刀快速靠近和远离探头，本特利3500处理后的数据反应正常，至此，检测系统及元件原因排除。机组处于运行状态已无法进一步测试排查故障原因。

2.2 停机检查

为彻底排查故障，避免机组意外跳机，造成高炉顶压波动，影响高炉生产，机组进行停机检修。停机后，四个振动点的检测值均大于30μm，二瓦X向振动示值最大为47μm，远大于本底噪声的干扰值。基于这一现象，初步判断故障原因为引入了电磁干扰，提高了本底噪声所致。经排查，故障时间段内附近没有运行大型变频装置或者大功率无线电发射装置，空间电磁干扰的可能性排除。随后对机组轴系检测元件及线路进行拆卸检查并重新安装调校，故障现象未消除。检查至大轴接地碳刷时，发现两只并联使用的碳刷的公共引出线接线松脱，用万用表测量透平端轴体表面与机组基础间直流电压为7.7-12.2伏跳變，紧固碳刷接线后电压基本消失，最后稳定在0.2伏左右，四个振动点的检测值恢复到正常的本底噪声干扰水平，故障现象消失。至此，确认本次故障主要原因是碳刷接线不良，无法构成对地释放通路，静电荷积累造成轴电压升高，进而通过大轴表面和振动检测探头间的电容耦合到振动探头的感应线圈，抬高了轴振动测量系统的本底噪声，引起测量值偏大。

3 故障原因分析

为分析大轴接地碳刷接触不良影响轴振动检测的原因，需要考察大轴接地的方式和作用。大轴碳刷和震动探头安装位置示意图如图1。

图1 大轴碳刷和震动探头安装位置示意图

图中1，2，3，4为透平侧和发电机侧的4个测振传感器；5为接地碳刷；6为转子接地保护电路；7为接地装置。大轴碳刷接地回路的主要作用是提供发电机轴电压的释放通路和发电机励磁的保护监测回路信号。轴电压的产生主要有以下几个原因：

（1）磁不对称引起的轴电压，在发电机制造、安装中由于气隙总是不那么均匀，另外线圈安装中阻抗也不近相同，发电机运行中会在发电机转子上感应出轴电压。这种交流轴电压一般为1～10V，接地回路良好的情况下，这类因素产生的轴电压一般较小，对机组的轴系测量不产生明显影响。

（2）静电电荷积聚引起的轴电压，这种出现在轴和接地台板之间的直流型电压是在一定条件下高速流动的高炉煤气与透平机叶片摩擦出的静电电荷产生的。接地碳刷回路良好的情况下，摩擦产生的静电电荷会通过电刷接地通路释放入地，不会造成集聚，形成明显的轴电压。如果电刷接地不良，摩擦产生的静电电荷会逐渐积聚，轴电压逐渐升高，直到机组大轴对机座在某一绝缘薄弱点放电，释放静电电荷为止。这种静电电压幅值可能会较高，甚至可以达到百伏以上。不但对轴系检测仪表造成明显干扰，还可能形成较大的轴电流，烧损机组轴瓦，造成严重事故。

（3）励磁系统引起的轴电压，目前发电机组普遍采用可控变流元件整流励磁系统。励磁系统因可控硅换向的影响，引入了一个新的轴电压源。励磁系统将交流电压通过静态可控硅整流输出直流电压供给发电机励磁绕组，此直流电压为脉动型电压。这个快速变化的脉动电压通过发电机的励磁绕组和转子本体之间的电容耦合，在轴对地之间产生交流电压。

（4）剩磁引起的轴电压，当发电机严重短路或其他异常工况下，经常会使大轴、轴瓦、机壳等部件磁化并保留一定的剩磁。当机组大轴转动时，就会产生电势。

结合故障现象分析，上述产生轴电压的四种原因中，第一种和第四种原因只有在轴转动时才能产生，本例在发电机停机后轴电压仍然存在，可以排除这两种原因。第三种原因需要在励磁绕组中通有励磁电流时才能产生，机组停机后励磁已切除，轴电压仍然存在，说明也不是此种原因。对于第二种原因，由于转子叶片上积聚的静电电荷始终没有对地释放通路，不论停机与否电荷都没有有效释放，轴电压依然存在，直到接地碳刷被恢复良好接触后，静电电荷才被释放，轴电压消失。这一情况符合本例的故障现象，因此，本文认为发电机透平侧气体冲刷形成的静电荷积聚，造成轴电压升高，对利用电涡流测量原理的轴振动探头的影响是本次故障的主要原因。

4 结束语

本次故障的主要原因是大轴接地不良造成轴电压异常引起的，大轴接地是否良好直接影响轴系检测仪表的正常工作，对发电机组安全稳定运行至关重要。有效避免此类故障的措施是定期检查大轴接地碳刷及线路状况，必要时可考虑引入轴电压实时监控装置。

参考文献

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作者简介：陈宏伟（1973-）男，高级工程师，主要从事冶金自动化仪器仪表方面的研究。