史德利，顧守錄，王英志，王　永，韓雪輝（. 上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠，上海 0040；. 哈爾濱亞源電力有限公司，哈爾濱 50040）

汽輪發(fā)電機(jī)軸電壓軸電流在線監(jiān)測(cè)裝置的研制

史德利1，顧守錄1，王英志2，王永2，韓雪輝2
（1. 上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠，上海 200240；2. 哈爾濱亞源電力有限公司，哈爾濱 150040）

本文簡(jiǎn)要介紹汽輪發(fā)電機(jī)軸電壓產(chǎn)生原因及危害、軸電壓、軸電流測(cè)量的工作原理、功能、試驗(yàn)及應(yīng)用等情況。輪發(fā)電機(jī)軸電壓軸電流在線監(jiān)測(cè)裝置能提供發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流在線檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)過高的軸電壓和軸電流，保證了發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行。

汽輪發(fā)電機(jī)；軸電壓；軸電流；在線監(jiān)測(cè)

0　引言

汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中軸電壓一直是人們非常重視的問題，在 GB/T7064-2008《透平型同步電機(jī)技術(shù)要求》中要求“應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┓乐褂泻S電流，幵將轉(zhuǎn)軸良好地接地，電機(jī)在運(yùn)行時(shí)應(yīng)能測(cè)試出對(duì)地絕緣電阻值。帶可控靜態(tài)勵(lì)磁所引起的脈沖軸電壓可能產(chǎn)生油膜損壞，對(duì)此應(yīng)有效防范；軸電壓大于20V時(shí)應(yīng)查明原因”。由于軸電壓引起的發(fā)電機(jī)軸頸灼傷，勵(lì)發(fā)靠背輪電腐蝕的事故幵不鮮見。同型號(hào)不同容量或同容量不同型號(hào)的汽輪發(fā)電機(jī)軸電壓往往有較大的差異。發(fā)電機(jī)軸電壓與運(yùn)行所帶負(fù)荷有關(guān)，一般來講發(fā)電機(jī)所帶負(fù)荷越高，軸電壓越大。因此如何在線監(jiān)測(cè)軸電壓產(chǎn)生有害的軸電流是非常必要的。

發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在國外早有應(yīng)用，為了滿足國內(nèi)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行的需要，與哈爾濱亞源電力公司聯(lián)合開展了發(fā)電機(jī)軸電壓軸電流在線監(jiān)測(cè)裝置（技術(shù)）的研制。該裝置2007年完成研制，2008年8月在國內(nèi)某電廠完成了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)，取得預(yù)期的試驗(yàn)成果，目前該裝置已在多個(gè)電廠進(jìn)行了應(yīng)用。

本文主要介紹汽輪發(fā)電機(jī)軸電壓、軸電流的測(cè)量原理、功能及參數(shù)、驗(yàn)證試驗(yàn)及應(yīng)用等。

1　軸電壓產(chǎn)生原因及危害

1.1軸電壓產(chǎn)生原因

對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，發(fā)電機(jī)軸電壓的產(chǎn)生是不可避免的，其產(chǎn)生原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）旋轉(zhuǎn)電機(jī)的磁路不對(duì)稱：定子疊片接縫不對(duì)稱、轉(zhuǎn)子偏心、轉(zhuǎn)子匝間短路、轉(zhuǎn)子阻尼回路不對(duì)稱、定子相連接不對(duì)稱及與分?jǐn)?shù)槽繞組有關(guān)的諧波磁場(chǎng)在定子磁軛中引起的環(huán)形磁通。

（2）通過軸的軸向單極磁通或交變磁通：剩磁、轉(zhuǎn)子偏心、飽和和轉(zhuǎn)子繞組不對(duì)稱。

（3）來自蒸汽沖刷汽輪機(jī)葉片摩擦產(chǎn)生靜電荷。（4）靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)容性耦合電壓。

1.2軸電壓的危害

如果對(duì)軸電壓的抑制和防護(hù)措施不當(dāng)，當(dāng)軸電壓達(dá)到一定值后，油膜會(huì)被擊穿而產(chǎn)生軸電流，會(huì)在軸頸和軸瓦表面產(chǎn)生電腐蝕，造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的損傷。若勵(lì)磁機(jī)或集電環(huán)處軸承絕緣不好，有害的軸電流會(huì)引起勵(lì)發(fā)靠背輪接觸面電腐蝕，這些都會(huì)影響發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行。

例如，某電廠發(fā)電機(jī)軸電壓引起的軸電流灼傷了勵(lì)發(fā)聯(lián)軸器，如圖1所示。

圖1　勵(lì)發(fā)聯(lián)軸器表面灼傷

1.3抑制有害軸電流的措施

（1）設(shè)置勵(lì)端雙層絕緣

發(fā)電機(jī)勵(lì)端軸承設(shè)置雙層絕緣，包括發(fā)電機(jī)勵(lì)端軸承、密封瓦座、油管路等絕緣、勵(lì)磁機(jī)或集電環(huán)軸承絕緣，使發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)轉(zhuǎn)軸與地充分隔離，從而阻止有害的軸電流形成回路；

水冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子水管絕緣被電導(dǎo)水橋接，勵(lì)端軸頭通過高阻對(duì)地允許微小的軸電流，不會(huì)危害發(fā)電機(jī)。

（2）設(shè)置汽端大軸接地

為了抑制由靜電荷引起的軸電壓，位于汽機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)軸通過接地碳刷接地。容性電壓通過在勵(lì)端軸與地之間安裝一個(gè)特殊電路來吸收，電阻限制軸電流在無危害的幾mA。

2　裝置的使用功能、組成及技術(shù)參數(shù)

本裝置應(yīng)用于所有大、中型汽輪發(fā)電機(jī)，提供完整的軸電壓和軸電流測(cè)量裝置解決方案，軸電壓和軸電流檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理、分析全部由計(jì)算機(jī)完成。能夠連續(xù)在線檢測(cè)電壓和軸電流，幵提供控制、整定和報(bào)警。

2.1使用功能

（1）在線檢測(cè)發(fā)電機(jī)軸電壓、軸電流有效值、峰峰值和波形；能夠顯示、記錄、存儲(chǔ)軸電壓和軸電流數(shù)據(jù)；

（2）能滿足電廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)傳報(bào)警要求；

（3）提供自動(dòng)檢測(cè)電路及試驗(yàn)方法用于檢測(cè)碳刷接觸是否有故障；

（4）可以間接判斷發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)轉(zhuǎn)軸對(duì)地絕緣是否良好，防止產(chǎn)生有害的軸電流。

2.2組成

全套裝置由一個(gè)柜體（型號(hào)：A-SVUM）組成：柜體裝有顯示器、工控機(jī)、打印機(jī)、電源、信號(hào)調(diào)理、報(bào)警單元部件。

2.3技術(shù)參數(shù)

信號(hào)輸入路數(shù)：4路模擬量輸入

軸電壓信號(hào)范圍：0～100V、0～1500Hz

軸電流信號(hào)范圍：0～10A、有功無功4～20mA

軸電壓信號(hào)輸入阻抗：20kΩ（輸入阻抗可按用戶要求設(shè)定）

有功功率信號(hào)范圍：4～20mA

無功功率信號(hào)范圍：4～20mA

系統(tǒng)精度：±1%

A/D轉(zhuǎn)換速率：400kHz

工作電壓：220VAC 50Hz

3　測(cè)量原理

3.1軸電壓測(cè)量

發(fā)電機(jī)軸電壓通過軸的汽端和勵(lì)端碳刷來測(cè)量，如圖2所示。汽端接地碳刷須確保軸可靠地接地，勵(lì)端測(cè)量碳刷高阻對(duì)地，與汽端測(cè)量電刷統(tǒng)一接到汽輪機(jī)共用接地點(diǎn)上。。

根據(jù)大量發(fā)電機(jī)實(shí)際測(cè)量軸電壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，軸電壓量程選擇為 0～30V。目標(biāo)是測(cè)量軸電壓所有值，從發(fā)電機(jī)空載低軸電壓到帶負(fù)荷的軸電壓，再到可能引發(fā)故障的高軸電壓。

圖2　軸電壓和軸電流測(cè)量工作原理

3.2軸電流測(cè)量

發(fā)電機(jī)軸電流通過安裝汽端接地線上的穿心式電流互感器來測(cè)量，如圖2所示。測(cè)量回路為汽端接地線、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸、勵(lì)端測(cè)量電刷。

軸電流量程 0～10A，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行期間，軸電流非常低；如果發(fā)生故障軸電流將超過0.1A和1A報(bào)警值，如果發(fā)生嚴(yán)重故障，軸電流可能更高。

3.3變送器

表1　變送器

3.4電刷故障檢測(cè)

為保證測(cè)量軸電壓和軸電流的準(zhǔn)確，須確保發(fā)電機(jī)汽、勵(lì)端碳刷與軸接觸可靠。通過裝置上自動(dòng)檢測(cè)回路可檢測(cè)汽、勵(lì)端碳刷與軸接觸是否可靠。

3.4.1勵(lì)端測(cè)量碳刷故障

若勵(lì)端測(cè)量電刷沒有和軸接觸，所測(cè)量的軸電壓將為零，如圖3所示。此時(shí)測(cè)量的軸電流仍流過無故障汽端接地碳刷，原來流過勵(lì)端變送器內(nèi)阻Ri的電流轉(zhuǎn)為流過高阻的勵(lì)端絕緣。

圖3　勵(lì)端測(cè)量電刷故障示意圖

3.4.2汽端接地碳刷不接軸故障

若汽端接地碳刷與軸接觸，軸電流將減小至零，因軸電流測(cè)量回路不再構(gòu)成閉合回路，如圖4所示。此時(shí)也不能對(duì)軸電壓作準(zhǔn)確真實(shí)的檢測(cè)，由于汽端沒有接地，來自汽輪機(jī)側(cè)電荷可能使軸電壓升高。

圖4　汽端測(cè)量電刷故障示意圖

3.4.3自動(dòng)檢測(cè)回路

通過測(cè)試電阻 Rb與內(nèi)阻 Ri幵聯(lián)組成循環(huán)檢測(cè)回路，每12h送一個(gè)2s脈沖到檢測(cè)電路，循環(huán)檢測(cè)汽、勵(lì)端電刷接觸是否可靠。

3.5報(bào)警

表2　報(bào)警值

4　裝置的硬件及軟件

裝置的功能通過變送器、互感器、繼電器、二進(jìn)制傳輸器、可調(diào)電阻、信號(hào)采集卡、處理計(jì)算機(jī)、顯示器等實(shí)現(xiàn)。變送器轉(zhuǎn)換測(cè)量的軸電壓和軸電流為0～5V信號(hào)，幵接到工控機(jī)，通過內(nèi)部軟件編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，提供4～20mA報(bào)警信號(hào)進(jìn)傳到控制室。

5　試驗(yàn)

5.1正常檢測(cè)功能測(cè)試

在國內(nèi)某電廠發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷狀態(tài)下軸電壓和軸電流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表3，波形見圖5。

表3　軸電壓和軸電流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖5　軸電壓和軸電流波形

5.2故障檢測(cè)功能測(cè)試

5.2.1汽端接地碳刷故障

斷開汽端接地碳刷接線，裝置顯示軸電壓有效值19.38 V，軸電流有效值0.02A，裝置汽端接地故障信號(hào)紅燈亮，能準(zhǔn)確發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。

5.2.2汽端接地碳刷正常

當(dāng)汽端接地碳刷與軸接觸良好，檢測(cè)電路投入，裝置顯示軸電壓有效值19.20 V，軸電流有效值0.18A，裝置汽端接地故障信號(hào)燈未亮，無故障報(bào)警信號(hào)。

5.3勵(lì)端測(cè)量碳刷故障

正常檢測(cè)時(shí)，斷開勵(lì)端接地碳刷接線，裝置軸電壓跌落，顯示軸電壓有效值0.33 V，裝置勵(lì)端接地故障信號(hào)紅燈亮，發(fā)出勵(lì)端測(cè)量電刷故障報(bào)警信號(hào)。

試驗(yàn)表明裝置能準(zhǔn)確記錄發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的軸電壓、軸電流及波形；故障檢測(cè)測(cè)試動(dòng)作準(zhǔn)確，確保測(cè)量數(shù)據(jù)正確。當(dāng)軸電壓、軸電流超出設(shè)定限值，能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，確保發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行。

6　應(yīng)用情況

2006年發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流在線監(jiān)測(cè)裝置研發(fā)成功，目前已在國內(nèi)多個(gè)電廠百萬機(jī)組上應(yīng)用，已投運(yùn)10余臺(tái)，實(shí)際使用能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行中發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流，對(duì)異常的軸電壓或軸電流發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而保證發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行。

7　結(jié)論

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)軸電壓是不可避免的幵且很難改變的，一般來講由發(fā)電機(jī)本身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制造工藝所決定，一旦發(fā)電機(jī)制造完成，其軸電壓也就確定下來；軸電壓與發(fā)電機(jī)運(yùn)行所帶負(fù)荷相關(guān)，一般說軸電壓隨著負(fù)荷增大而增大。

與其說預(yù)防軸電壓，不如說預(yù)防產(chǎn)生有危害的軸電流；預(yù)防軸電流就是要控制好軸對(duì)地絕緣，如果軸對(duì)地絕緣良好，那么產(chǎn)生的軸電流就很小，反之會(huì)產(chǎn)生較大的軸電流，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸和聯(lián)軸器等造成危害。

當(dāng)軸電流明顯上升，表明軸對(duì)地絕緣電阻下降。當(dāng)軸電流超過限值，該裝置會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示發(fā)電機(jī)勵(lì)端絕緣需要檢修維護(hù)，對(duì)發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行提供及時(shí)的保護(hù)。

發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流監(jiān)測(cè)裝置的成功開發(fā)應(yīng)用，為發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行提供了一種有效的在線監(jiān)測(cè)手段。

［1］汪耕， 李希明. 大型汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行［M］. 上海： 上海科學(xué)技術(shù)出版社， 2000.

［2］湯蘊(yùn)璆. 電機(jī)學(xué)--機(jī)電能量轉(zhuǎn)換［M］. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 1981， 07.

史德利（1968-），1991年本科畢業(yè)于哈爾濱電工學(xué)院電機(jī)專業(yè)，2006年工程碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系，現(xiàn)在上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠設(shè)計(jì)部工作，任主管工程師，高級(jí)工程師。

審稿人：畢純輝

Development of Turbo-generator Shaft Voltage and Shaft Current Monitor

SHI Deli1， GU Shoulu1， WANG Yingzhi2， WANG Yong2， HAN Xuehui2
（1. Generator Works， Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.， Ltd， Shanghai 200240， China；2. Harbin Asia Power Co.， Ltd， Harbin 150040， China）

In this paper the causes and harmfulness of generator shaft voltage are briefly described，also the principle， structure composition， functions and tests for a kind of generator shaft voltage and current monitor are discussed. This monitor can provide online measuring of shaft voltage and current while a generator is operating， and prompt to take some actions in time when detecting high shaft voltage and harmful shaft current. This device is helpful to ensure the safe and reliable operation of a generator.

turbo-generator； shaft voltage； shaft current； online measuring

TM311

B

1000-3983（2016）04-0015-04

2014-08-17