核电厂汽轮发电机组轴电压的危害与防范措施

摘要：汽轮发电机组是一种将机械能转化为电能的装备，在能量转换过程中，一些简单的、复杂的因素都有可能导致汽轮发电机不同程度的产生轴电压，特别是核电厂这种百万千瓦的大型电机，因为轴电压的问题导致汽轮发电机组轴承烧毁失效的案例时有发生。为保证核电厂汽轮发电机组安全可靠运行，必须采取有效措施防范和消除轴电压。

关键词：核电厂 轴电压 防范和消除

1、汽轮发电机组轴电压形成机理

轴电压是指由于汽轮发电机制造和运行过程中引起的磁场不对称，汽轮发电机大轴被磁化，静电充电等原因在发电机轴上感应出的电压，即汽轮发电机运行过程中在转轴两端、转轴局部以及转轴对地的电位差。这种轴电压的频率成分很复杂，其中基波分量的幅值最大，3次和5次谐波幅值稍小，更高次谐波的分量幅值更小。核电厂汽轮发电机组轴电压幅值一般为1-10V左右，但它具有较大能量。如果不采取措施将其释放掉，会在汽轮发电机大轴—轴承—基础台版形成一个电流回路，产生一个很大的轴电流。轴电压是核电厂汽轮发电机运行过程中普遍存在的一种电气现象，大型、高速发电机尤为严重。

2、汽轮发电机组轴电压的危害

当轴电压较低时，由于汽轮发电机润滑油油膜的绝缘作用，放电是不容易发生的。然而，当轴电压较高，加上轴瓦表面有缺陷，润滑油油质或流量不达标以及发电机异常振动等都可能造成油膜击穿，导致汽轮发电机大轴与轴瓦形成金属性接触，产生相当大的轴电流，可达到几百安甚至上千安，足以烧损轴颈和轴瓦，导致烧瓦事件发生。同时轴电压会加速轴承腐蚀，一次放电就可能使轴瓦表面金属局部融化，在油膜内形成金属颗粒并破坏油膜绝缘，使得放电更易发生，形成连锁反应，引起发机组振动加大，轴承温度上升，最终导致机组非计划停机，直接影响核电厂的全年经济利润指标。

某核电厂大修后汽轮发电机按计划进行冲转并网工作，当汽机冲转到100rpm平台进行参数检查时，主控人员发现2瓦轴承温度斜率异常爬升，且无下降拐点，主控人员保守决策，迅速打闸停机。通过逐步降低反应堆功率，使机组安全停运，冲转过程汽轮发电机组各轴承温度见下图。

为定位原因，电厂决策将汽轮发电机组2号轴承进行解体操作。现场将2号轴承下瓦翻出，检查结果显示：上瓦状态良好，轴承轴颈略有浅划痕，最深划痕约0.03mm；下瓦有明显碾压刮划痕迹，有小片焦烤痕迹、电蚀痕迹，PT检查下瓦未受损区域乌金无异常，UT检查上下瓦未见异常。结合轴承检查情况及厂家的分析，初步原因分析为：机组大修后汽机冲转期间，偶发汽轮发电机组大轴接地不良，轴电压升高引起轴瓦电蚀，击穿油膜、局部放电后击出点坑，导致下瓦表面凹凸不平，在冲转低转速和盘车期间因油膜变薄造成2瓦轴承下瓦电蚀坑的凸点与轴颈摩擦，致使轴承碾瓦、发热损伤。

3、汽轮发电机组轴电压的防范措施

目前核电厂百万千瓦汽轮发电机组对轴电压的防范措施主要分为在设计阶段从结构上采取措施降低轴电压的产生和在机组日常运行阶段采取在线监测措施，通过这两种手段达到防范轴电压目的。

（1）设计阶段采取防范轴电压措施：

a.汽轮发电机设计时采用全新电磁材料和布局，减少电磁不对称，从结构上降低3次和5次谐波幅度。

b.发电机励端轴承和油密封座设置绝缘，以避免轴电流形成循环回路。绝缘发生故障时轴电流将通过绝缘故障处与汽端转子接地电刷形成回路。

c.在汽轮发电机大轴上安装接地碳刷，将大轴上的静电荷经过碳刷引入大地，碳刷是预防轴电压最有效的措施；该装置结构比较简单，本质是一个接地作用，没有其他测量，大概结构是碳刷后面有一个弹簧，用弹簧的弹力将碳刷压紧接触在轴上，达到接地效果

（2）汽轮发电机组日常运行期间防范轴电压措施：

一般来说核电厂汽轮发电机组没有轴电压在线检测装置，轴电压需要通过万用表日常手动测量，测量位置在发电机八瓦励端，一般在发电机满功率时励端电压值为1-2V左右（电力行业标准规定“汽轮发电机大轴对地电压一般小于10V”）；由于发电机碳刷安装在发电机七瓦，因此七瓦处测量的轴电压几乎为0。

轴电压虽然没有在线监视手段，但可以通过轴电流检测装置（DIP）监测汽轮发电机轴电流，轴电流的在线监测间接用来表征轴电压的幅值情况。DIP包括滤波器，变压器，继电器，电路板，电流传感器连接到非隔离轴承接地回路。DIP检测的轴电流可以在就地控制柜装置读取，以便运行人员能随时监测汽轮发电机组轴电压变化趋势，它通过监测进入发电机轴接地回路的轴电流故障的存在来运行的。该装置有两个功能，分别对应两个电流的检测定值。

a.报警信号：电流阈值0.2A（日常巡检数据要求小于0.2A），给DSC发出报警信号，提醒运行人员机组轴电压可能升高，需及时安排电气人员就地测量轴电压数值，判断是否存在真实故障。

b.跳闸信号：电流阈值2A跳闸保护是通过接触器动作断开一个开关，使故障电流不通过轴电流探测器而分流到接地装置。为避免对发电机转子和轴瓦等造成伤害，应尽快安排在下一次停机检修期间对故障进行处理。

针对DIP监测装置日常运行有巡检项目，继保专业也会每周定期巡检，同时一阶段/二阶段报警也会送到DCS（DIP报警， DIP跳闸，DIP跳闸信号出现后，若是永久报警为避免大轴损坏有必要停机处理）。

4结论

轴电压过高会导致核电厂汽轮发电机组轴瓦发生电蚀，严重情况下可能导致轴瓦烧毁，机组被迫停机检修。百万千瓦核电机组一般作为电网基荷运行，非计划停机会给电网造成较大冲击。同时汽轮发电机轴瓦解体工期较长，直接影响核电厂全年的经济效益。因此核电厂汽轮发电机组在设计和运行阶段，采取有效防范措施抑制轴电压、轴电流的产生，是非常重要的。

参考文献：

[1] 《发电机轴电压产生原因、危害及处理措施》，华能洛阳热电运行部

[2] 《汽轮发电机组发电机本体竣工文件》，东方汽轮机有限公司

[3]《FQY-GEX-DWMAEC-0004 GEX发电机轴电流检测柜原理接线图》，福建福清核电有限公司

[4]《三门1号机汽机冲转时，2#轴承温度高事件调查报告》，三门核电有限公司