汽轮发电机碳刷故障引起轴电流报警原因分析和应急处理

 王建涛1，张法朝2，赵  乾1，徐超3，陈俊达1，吴永涛1，张文军1

（1．中广核核电运营有限公司大修中心电气分部，深圳518124;2．河南省渑池县电业

  局，河南渑池472400;3．大亚湾核电运营管理有限公司电气处，深圳518124）

[摘要]某核电厂3号汽轮发电机在大修并网后出现轴电流高一段报警，其时间段与转子接地保护举刷时间吻合。检查发现发电机转子接地保护大轴碳刷在举刷状态下存在接地故障，引起8号瓦大轴处出现第2个接地点，轴电压形成环流导致轴电流报警。因在运行中无法更换大轴碳刷，采用了断开其电源线和信号线，使其不再举刷从而消除故障点的临时应急处理措施；通过将接地保护继电器连接至大轴碳刷的引线直接接地来维持信号构成转子接地保护回路，成功消除了报警，转子接地保护和发电机轴电流监测装置工作正常。经设备大修解体检查大轴碳刷，发现信号引线在碳刷内部破皮，直接接触到碳刷本体，引起接地故障，导致了

轴电流报警。经实践证明，可增加在举刷状态及引线晃动状态下的绝缘测量项目，有效地避免这类故障的发生，对类似发电机监测装置故障有较好的借鉴作用。

[关键词]发电机；轴电流；报警；转子接地保护；碳刷；故障

[中图分类号] TM311[文章编号]1000-3983(2016)03-0046-04

0  引言

 2014年4月19日，某核电厂3号汽轮发电机（额定功率1086 MW，定子额定电压24kV）在机组第4次大修后并网发电，凌晨2:06出现轴电流高一段报警，不到1s后消失。在接下来的几天均在2:06出现报警。其报警时间与发电机转子接地保护举刷测量时间吻合。

 经对发电机轴电流进行录波测量表明，在报警期间，轴电流从正常运行的0.04A升高到约1.6A，持续时间约10s，确实超过了轴电流高一段报警整定值，为真实报警。

 第一次大修后本机也曾出现过2次轴电流报警与转子接地保护举刷时间相吻合的现象，但之后报警未再次出现，未找到故障原因。本次轴电流报警连续出现，为寻找报警原因提供了可解决的方案。

1原因分析

1.1轴电流监测和报警装置

 发电机在正常运行中，会因各种原因在转子大轴上产生对地电压。为防止过高的轴电压对轴承部件的损坏，在转子汽端安装大轴接地碳刷来钳制电位。为防止轴电压通过励端轴瓦形成两点接地引起环流，励端轴瓦采用对地绝缘设计。

 本机汽端轴瓦为7号瓦，安装了接地碳刷。励端轴瓦为8号瓦，采用绝缘设计。如果8号瓦在运行中绝缘过低，两点接地引起环流增加，过大的电流则会损坏轴瓦。安装轴电流监测装置（如图1所示）可通过测量7号瓦轴接地回路电流来反映8号瓦的绝缘情况。供货商Alstom公司规定：当轴电流超过0.2A且持续10 s时，发一段报警，此时应查明原因，关注发电机状态。轴电流超过2A时，无延时发二段报警，确认8号瓦绝缘故障、电流升高，应尽快安排停机。

1.2发电机转子接地保护装置

 本机采用Alstom公司MX31PG2A交流注入式转子接地保护，将40 V，50 Hz信号通过碳刷和滑环注入到大轴滑环和转子负极绕组之间，如图2、3所示。正常运行期间，在电磁铁控制下，碳刷每间隔24 h举刷1次，每次持续10 s，测量转子对地绝缘电阻，实现发电机转子绝缘定期监测功能。

1.3轴电流报警原因分析

 轴电流报警呈现规则的24 h间隔，可能与转子接地保护举刷有关。通过检查发现转子接地保护举刷时间与轴电流报警时间吻合。

 如图4所示，转子接地保护装置的大轴碳刷在举刷状态下与8号瓦处大轴相连接，若大轴碳刷在举刷状态下存在接地故障，则会在8号瓦大轴处引起第2个接地点，等同于轴绝缘失效，从而引起轴电流增加、监测装置报警。

  转子接地保护大轴碳刷接地故障点的等效电路图如图5所示。

1.4大轴碳刷绝缘故障检查

 大轴碳刷与1500 r/min旋转的滑环间隙仅2.5mm，无法拆除检查。如果举刷测量，大轴碳刷与转子大轴直接接触而无法绝缘。在大轴碳刷与滑环间插入1mm厚的环氧树脂绝缘板后测量绝缘，结果为0，用万用表测量对地直阻仅1.6Ω，确认大轴碳刷存在接地故障点。

 由于发电机运行中碳刷支架及碳刷离高速旋转的整流轮和滑环距离过近，不具备更换碳刷条件，需要制定临时的应急处理方案，使轴电流装置恢复正常运行，消除报警。

2处理方案

2.1临时应急处理方案

 分析轴电流装置和转子接地保护等效原理图及连接图，可断开大轴碳刷在端子箱中的电源线和信号线，使其不再举刷从而消除故障点。对于转子接地保护，可将接地保护继电器连接至大轴碳刷的引线直接接地来维持信号构成回路，如图6所示。

 轴电流监测和转子接地保护原为2个独立回路，临时措施将大轴接地回路作为公用回路，即转子接地保护的电流通过大轴接地碳刷回路和转子接地保护继电器的地端构成回路，等效电气图如图6所示。

 如图7所示，接地保护继电器中流过的电流与处理方案实施前无变化，对转子接地保护测量无影响。轴电流监测装置方面，转子接地保护继电器的注入电流将流过发电机大轴接地电缆，从而叠加到轴电流中。根据现场实际测量，转子接地保护继电器注入电流有效值为12mA。当转子接地保护举刷的10s内，轴电流将有约12 m A的上升，即从40 m A左右上升

到52mA左右，远小于轴电流一段报警值200mA。另外，转子接地保护继电器内部有限流电阻与电容，可保证保护继电器出口短路时电流约24 m A。即使万一运行中发生转子绕组接地故障，亦可保证轴电流仅会增加至64 m A左右，设备不会报警。

2.2临时应急处理方案实施效果

 临时应急处理方案实施后，进行了3次手动举刷测量发电机转子绝缘试验，测量结果表明：发电机转子接地保护注入波形录波正常，读数稳定。轴电流测量电流基本无变化，工作正常。

 从临时方案实施到大修停机7个多月间，轴电流再未出现报警，转子接地保护工作正常。

2.3大轴碳刷接地故障的根本原因

 岭澳核电站二期1号机组第5次大修( L305)停机后对大轴碳刷进行了解体检查，发现信号引线在碳刷内部破皮，碰到了碳刷本体引起接地，如图8所示。

 破皮处在直线段，呈现明显刮痕而非摩擦痕迹，刮痕与引线拐角痕迹同侧；另外，直线段内壁光滑，没有摩擦外皮的部位，如果在运行中晃动摩擦，应先磨破拐角而非直线段。引线一端由航空插头固定，另一端由环氧螺钉固定，两端均无松动现象。引线截面约4mm2，硬度较高，在运行中不会晃动。

 结合以上信息可判断此故障原因为制造期间，穿信号线人孔时，孔的拐角刮破了线外皮，导致线芯与本体失去绝缘而接地。

 第1次大修后报警2次就消失，原因是引线与碳刷本体有小的间隙，未完全接地。

2.4大轴碳刷接地故障反馈

 由于引号线长度有限，检查内部引线必须剪断航空接头背面的接线，对更换的负极碳刷及新更换的备件大轴碳刷引线的检查方法可采用：拆开航空插头，将内部引线在各个方向上晃动，同时测量举刷状态下的绝缘。如果绝缘稳定，可判断无破皮。如引线在晃动过程中绝缘有变化，可断定外表有破皮。

3结论

 发电机转子接地保护大轴碳刷在举刷状态下存在接地故障，引起8号瓦大轴处出现第2个接地点，轴电压形成环流导致轴电流报警。

 由于在运行中无法更换大轴碳刷，只好通过断开其电源线和信号线，使其不再举刷从而消除故障点。对于转子接地保护，通过将接地保护继电器连接至大轴碳刷的引线直接接地以维持信号构成回路。采用上述临时措施处理后，报警消除，并且能保证转子接地保护装置和发电机轴电流监测装置正常工作。

 大修中解体检查大轴碳刷，发现信号引线在碳刷内部破皮，碰到了碳刷本体，引起接地故障。通过增加在举刷状态下及对引线在晃动状态下的绝缘测量项目，能够准确地发现这种故障，对发电机监测装置类似故障有较好的借鉴价值。