核电站用发电机轴电流高报警问题分析及实例修复

柳 菲，宋 波，徐 超，袁振亚，赵 成

(苏州热工研究院有限公司，广东深圳 518026)

0 引言

通常来说，发电机转子轴电压达到几伏时便会产生轴电流，但有时在更低的电压时也能产生轴电流。这是因为转轴轴系整个回路电阻极小，轴电流数值有时可高达数安培，引起发电机轴承电弧，轴承钨金因电弧灼烧破坏油膜刚度，导致轴瓦合金上出现放电点，俗称放电腐蚀[1]。发电机持续运行，放电腐蚀不断积累恶性循环，轴电流会很快破坏轴承表面，进一步发展可能烧毁轴瓦，磨损转子主轴，造成核电厂主设备非计划停机，突然停机的冲击甚至可能导致停堆。

1 轴电压和轴电流的故障原因分析[2-7]

由于发电机组结构特点决定，发电机在运行中轴电压的产生是不可避免的，其产生原因主要有以下几个方面：1)发电机转子始终在交变的磁场下运行，转轴即使属于低导磁材料，也容易磁化而产生单极电压。2)发电机铁心由于硅钢片制造和装配工艺的限制，导致不均衡叠压而引起不对称电压。3)汽轮机转轴表面高速流过的水汽无法避免、导致在整个转动轴系部件上聚集静电荷，产生静电电压。4)励磁系统阻抗耦合产生的电压也会作用到转轴轴系上。

虽然轴电压不可避免，但是在规程允许范围内不应产生轴电流，产生轴电流可能的原因如下：1)发电机组在运行过程中，本应绝缘的轴承座绝缘系统受到损坏，比如绝缘受潮、脏污、特殊的机械损伤；应绝缘的轴承座油管绝缘因各种原因损坏，导致轴承座或者油管与大地导通形成回路，在轴电压的作用下产生轴电流。2)接地碳刷由于松脱、接触点氧化、线路绝缘破损、导线短接等接触不良原因使触膜电阻增大，轴电压也随之提高，当高于底板接地点电位时，导致轴承内部产生轴电流。

2 轴电压与轴电流的相关要求和规定

发电机在交接试验和预防性试验规程中规定：测轴承座的绝缘电阻用1 000 V兆欧表，在油管接好后的绝缘电阻值大于0.5 MΩ，对轴电压的要求是，轴承油膜被短接时，发电机转子两端轴上的电压一般应等于轴承与机座间的电压，汽轮发电机转子对地轴电压一般应小于12 V。发电机制造厂要求：如果轴瓦的绝缘电阻小于0.5 MΩ或轴电压突然增大时要注意防止轴电流会烧伤转轴及轴瓦钨金的表面，为此，要尽快安排停机、查明原因并消缺。

发电机轴电流一级预警值选取范围一般为0.2 ～1 A，二级预警值大多选用2 A。部分核电厂轴电流报警定值详见表1。

表1 轴电流报警定值

3 实例修复分析

以某核电厂项目为实例，对发电机转子轴电流高报警事件进行了分析。该核电厂汽轮发电机型号是QFSN-1100-4型四极百万等级核电发电机，主参数见表2。

表2 发电机主参数

2015年该核电厂2#发电机组出现轴电流高报警，现场检查发电机轴电流在0.16 A附近波动，峰值为1.2 A。电气连接图见图1，根据相关研究结果，当通过轴瓦的电流密度超过2 A/cm2时，将会引起轴瓦烧，应该尽快将发电机停机，避免设备损坏。由于干扰机组正常运行，轴电流高报警出现时，根据报警手册要求，需要运行人员对机组参数、现场状态进行检查，电气、机械人员到现场对电流进行测量、对轴和轴瓦进行检查。

图1 电气连接图

为确认报警原因，在3#和4#汽轮发电机大轴上进行相关验证：模拟试验当模拟至3瓦大轴直接接地时，7瓦对应的轴电流开始波动，检查此时的轴电流波形与前期报警波形相似(频率接近25 Hz且接近正弦波)，具体波形见图2。

图2 3瓦接地时7瓦轴电流波形图

当模拟至1瓦接地时，7瓦再次出现轴电流波动，此时的轴电流波形与前期报警波形基本一致(25 Hz)，具体波形见图3。

图3 1瓦接地时7瓦轴电流波形

机组升功率到253 MW时，出现轴电流报警，现场录取7瓦处接地电流和6瓦处轴电流，确认接地电流和大轴电流来自汽侧大小约0.25 A且波形相同。具体波形见图4。

图4 6瓦和7瓦的轴电流

从前期模拟试验结果和GRE(汽机调节系统)试验期间录波结果可以确定，造成频繁出现报警原因是汽轮机侧大轴某处发生接地，接地点可能靠近汽轮机前端(1瓦至3瓦之间)。据此分析结果，在大修期间解体中关注前述部件，在对检查汽轮机推力瓦的浮油环检查中，发现其有轻微变形(见图5)，导致与转子大轴配合间隙超标，存在局部碰摩痕迹，基本确认是诱发日常轴电流的原因，对其处理后，至今未再出现汽机侧引起的轴电流报警。

图5 汽轮机推力瓦的浮油环

4 结论

为了保证机组稳定运行，从技术管理维护的角度建议如下：

定期对发电机转轴接地电刷部位清洁，以降低接触电阻，保证转轴接地点的零电位。发电机轴承检修后，要保证轴承绝缘合格。定期对发电机轴承座绝缘、轴承相关部件、油管绝缘部位进行清洁，保证其绝缘良好。定期测量运行中的轴电压，判断其发电机轴承的绝缘情况。

此外应该积极收集不同故障下发电机轴电流波形曲线，以及与之相关部件的电压波形曲线。为快速判断故障位置，提供有效帮助。