吳永智

【摘 要】本文主要介紹了水輪發(fā)電機(jī)組軸電流產(chǎn)生的原因、危害，以及常規(guī)軸電流保護(hù)與小灣軸電流保護(hù)原理。并對(duì)小灣軸電流裝置檢測(cè)中存在的問題進(jìn)行分析、解決。

【關(guān)鍵詞】水輪發(fā)電機(jī)組；軸電流；轉(zhuǎn)子；保護(hù)

0.引言

小灣水電站是西電東送的標(biāo)志性工程，裝設(shè)6臺(tái)單機(jī)容量700兆瓦的混流式機(jī)組，保證出力185.4兆瓦，多年平均發(fā)電量190.6億千瓦.時(shí)。作為南方電網(wǎng)重要的調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用水電站，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著極其重要的作用。由于機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行在水頭變化大、調(diào)峰深度大、開/停機(jī)頻繁等惡劣條件下，所以，如何有效避免軸電流的產(chǎn)生、預(yù)防軸電流產(chǎn)生后對(duì)機(jī)組的影響以及提高軸電流保護(hù)的可靠性成為電站的一項(xiàng)重要任務(wù)。

對(duì)于大型水輪發(fā)電機(jī)組而言，由于磁路的不對(duì)稱，或者定、轉(zhuǎn)子氣隙的不對(duì)稱，轉(zhuǎn)子上、下兩端大軸會(huì)感應(yīng)出軸向電勢(shì)，稱為軸電壓。軸電壓含有基波分量、三次諧波分量和直流分量，對(duì)地軸電壓沿著轉(zhuǎn)子自上而下減小。正常運(yùn)行時(shí)，由于大軸與軸瓦之間有油膜絕緣，軸承與支架間亦由絕緣材料連接，故軸電流沒有流通路徑，不會(huì)產(chǎn)生軸電流。當(dāng)絕緣油膜遭到破壞或軸承有接地時(shí)，軸電流將流過軸瓦，由于大軸的內(nèi)阻很小，盡管軸電壓不高，但產(chǎn)生的軸電流仍可達(dá)幾百安培甚至更大。一般地，若通過瓦面的軸電流密度超過0.2A/cm2，就可能對(duì)軸面引起交蝕，油膜遭到破壞，軸瓦發(fā)熱，甚至瓦面燒花，危及機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此，合理配置及裝設(shè)可靠的軸電流保護(hù)裝置尤為重要。

1.軸電流保護(hù)介紹

1.1常規(guī)軸電流保護(hù)

常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組常采用軸電流互感器（TA）對(duì)軸電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并依據(jù)其精確感應(yīng)出的基波軸電流和三次諧波軸電流來設(shè)置保護(hù)。機(jī)組軸電流保護(hù)使用大軸TA采集數(shù)據(jù)。其機(jī)組上導(dǎo)有一個(gè)絕緣碳刷與大軸連接，引出線與上導(dǎo)瓦連接，上導(dǎo)瓦與機(jī)架絕緣固定。接地碳刷與推力軸承之間的TA ，作用為測(cè)量電流作為軸電流保護(hù)的動(dòng)作電流。上導(dǎo)瓦與機(jī)架絕緣破壞時(shí)，軸電壓產(chǎn)生的軸電流會(huì)通過大軸、絕緣碳刷、上導(dǎo)瓦、機(jī)架、大地、接地碳刷形成軸電流回路，此時(shí)，軸電流保護(hù)裝置將根據(jù)大軸TA 采集到的軸電流值動(dòng)作于報(bào)警或停機(jī)。

1.2其他軸電流保護(hù)介紹

常規(guī)軸電流保護(hù)使用大軸TA，而現(xiàn)在比較新型的軸電流保護(hù)未使用傳統(tǒng)型的TA，而是根據(jù)布置在大軸上的3把刷子接入保護(hù)裝置，從而判斷大軸與上導(dǎo)瓦之間的絕緣情況。第一把為銅片刷子，與發(fā)電機(jī)軸的滑環(huán)表層接觸；第二把為軸領(lǐng)刷子，與上導(dǎo)的軸領(lǐng)滑環(huán)表層接觸；第三把為大軸接地刷子，與下導(dǎo)軸承滑環(huán)表面接觸并接地。

該軸電流保護(hù)原理為監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)大軸與上導(dǎo)軸領(lǐng)之間的絕緣電阻。該絕緣層（大軸與銅片之間的絕緣層）、中間的銅片和外絕緣層（銅片與上導(dǎo)軸領(lǐng)之間的絕緣層）組成，夾在軸和軸領(lǐng)之間。一旦發(fā)電機(jī)大軸與銅片之間絕緣遭到破壞，大軸感應(yīng)電勢(shì)就會(huì)通過大軸接地碳刷、大軸、內(nèi)絕緣層、內(nèi)絕緣層、銅片、銅片刷子、保護(hù)裝置而未形成軸電流回路，不僅保護(hù)了上導(dǎo)瓦面，還可以報(bào)警以提醒運(yùn)行維護(hù)人員注意。只有當(dāng)內(nèi)絕緣層、外絕緣層、上導(dǎo)軸領(lǐng)與上導(dǎo)瓦之間油膜絕緣均擊穿后，電流才形成回路。

2.小灣水電站機(jī)組軸電流保護(hù)裝置及原理

小灣水電站發(fā)電機(jī)組軸電流保護(hù)與傳統(tǒng)軸電流保護(hù)相似，機(jī)組軸電流保護(hù)使用TA進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用軸電流互感器檢測(cè)出來的軸電流基波或三次諧波電流信號(hào)，來檢測(cè)軸承絕緣狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)軸絕緣底下或有擊穿時(shí)，由于發(fā)電機(jī)軸承不對(duì)稱，機(jī)軸將產(chǎn)生軸電流而損壞其絕緣，發(fā)生故障。其損壞程度將取決于軸電流的幅值和持續(xù)時(shí)間。安裝靈敏的軸電流保護(hù)設(shè)備能保障發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，提前發(fā)現(xiàn)機(jī)軸的絕緣故障，以便采取相應(yīng)措施。

2.1軸電流保護(hù)裝置

小灣水電站采用BZL-10C型軸電流保護(hù)裝置裝置，主要應(yīng)用于檢測(cè)發(fā)電機(jī)大軸中的電流，防止軸承絕緣擊穿時(shí)損壞軸承和其他部件。

2.2軸電流保護(hù)原理

BZL-10C型軸電流裝置利用軸電流互感器檢測(cè)出來的軸電流基波或三次諧波電流信號(hào)，來檢測(cè)軸承絕緣狀態(tài)。該裝置是由：放大器、雙通道濾波器、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)智能分析判斷控制及過電流動(dòng)作等環(huán)節(jié)組成。

BZL-10C型軸電流繼電器采用了兩種工作方式，即按電流基波分量或電量的三次諧波分量進(jìn)行檢測(cè)動(dòng)作。當(dāng)電機(jī)內(nèi)干擾磁場(chǎng)較強(qiáng)，且互感器輸出電流中含有三次諧波分量時(shí)，儀器可同時(shí)測(cè)量50HZ和150HZ信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)濾波器濾除50HZ或150Hz的雜散干擾電流，使繼電器能夠穩(wěn)定的檢測(cè)。當(dāng)電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)干擾甚小，而軸電流中又無諧波干擾時(shí)，儀器即按50HZ頻率 軸電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。軸電流信號(hào)經(jīng)50HZ工作通道，并濾除其它干擾，防止誤動(dòng)作，當(dāng)前軸電流為50HZ和150HZ信號(hào)輪流顯示，面板指示燈顯示當(dāng)前工作頻率。

繼電器從軸電流互感器CT中取出故障電流信號(hào)，經(jīng)IC1放大后，送入50HZ和150HZ雙通道濾波器中，雙通道濾波器輸出經(jīng)整流合成后，分別送入兩路A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，再送入MCU進(jìn)行分析、判斷、顯示軸電流值，經(jīng)MCU與兩個(gè)故障電流的設(shè)定值進(jìn)行比較后，送出控制信號(hào)觸發(fā)相應(yīng)的繼電器CZ1，CZ2，以控制報(bào)警及跳閘等信號(hào)。

3.小灣機(jī)組軸電流保護(hù)存在問題

3.1測(cè)試電流值偏大

在機(jī)組檢修后啟動(dòng)后，小灣機(jī)組軸電流測(cè)量結(jié)果偏大，超過了軸電流告警定值1.5A，甚至超過了跳閘定值2.5A。而根據(jù)相關(guān)規(guī)定，機(jī)組運(yùn)行中需投入相應(yīng)軸電流保護(hù)。因此，根據(jù)保護(hù)定值單，已將軸電流告警功能投入。但由于軸電流測(cè)值偏大，可能造成保護(hù)誤動(dòng)作而引起事故，故而將軸電流跳閘功能退出。既不符合相關(guān)要求，也可能造成機(jī)組無軸電流保護(hù)運(yùn)行，存在較大隱患，同時(shí)軸電流頻繁告警勢(shì)必對(duì)保護(hù)裝置其他功能的正常工作造成一定的影響。

3.2可靠性不高

3號(hào)機(jī)組軸電流相對(duì)其他機(jī)組較小，尚未達(dá)到軸電流告警值。在機(jī)組轉(zhuǎn)檢修態(tài)以后，我們也對(duì)3號(hào)機(jī)組軸電流CT及軸電流裝置的測(cè)量準(zhǔn)確度進(jìn)行了測(cè)試，其測(cè)值可以正確反映機(jī)組軸電流的大小。但這種通過軸電流裝置接至保護(hù)裝置的接線方式復(fù)雜，環(huán)節(jié)較多，可靠性與測(cè)量精度不高。并且發(fā)生軸電流告警后無法進(jìn)行錄波，不利于故障分析和處理。

4.改進(jìn)措施

4.1 針對(duì)軸電流測(cè)值偏大的改進(jìn)措施

在檢修中針對(duì)軸電流測(cè)值偏大情況進(jìn)行了檢查，最后確定大軸補(bǔ)氣位移傳感器可能存在接地情況。將大軸補(bǔ)氣位移傳感器拆除后，軸電流測(cè)值明顯偏小。而大軸補(bǔ)氣位移傳感器探頭出現(xiàn)彎曲，并有磨擦痕跡。因此，判斷為該傳感器在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可能出現(xiàn)磨擦接地現(xiàn)象，將該傳感器更換后正常。

4.2針對(duì)可靠性的改進(jìn)措施

根據(jù)之前漫灣電廠軸電流裝置改造的成功經(jīng)驗(yàn)，將軸電流CT采樣直接輸出保護(hù)裝置。小灣水電站使用的RCS-985發(fā)變組保護(hù)裝置自帶軸電流告警與跳閘功能，也能對(duì)軸電流采樣中的基波（50Hz）與三次諧波（150Hz）分別進(jìn)行測(cè)量，且其精度與可靠性比現(xiàn)有的軸電流裝置要更高。因此，可直接將軸電流CT工作繞組輸出接至該裝置上，解除軸電流裝置。由RCS-985GW發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置自帶的軸電流保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)機(jī)組軸電流告警與跳閘。

在改造完成后，使用繼電保護(hù)測(cè)試儀在軸電流CT一次側(cè)直接加量，并查看保護(hù)裝置中的采樣。同時(shí)在退出保護(hù)壓板的情況下，驗(yàn)證軸電流保護(hù)告警、跳閘功能正常。

5.結(jié)束語

軸電流對(duì)機(jī)組影響較大，小灣水電站采用傳統(tǒng)類型的軸電流保護(hù)裝置，進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化后，其可靠行得到了保證。

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