楊海英，劉立春，吳 桃

（國能大渡河枕頭壩發(fā)電有限公司，樂山 614000）

在大型水輪發(fā)電機(jī)組長期運(yùn)行期間，軸承的絕緣性能下降，將產(chǎn)生較大的軸電流以及相對較高的軸電壓。軸承表面的軸電流密度超過0.2 A/cm2，會對軸瓦造成電腐蝕、油膜損壞、軸瓦發(fā)熱以及一系列設(shè)備隱患，危及機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，安全可靠的軸流保護(hù)裝置在大型水電機(jī)組保護(hù)中非常重要。傳統(tǒng)的軸電流在線監(jiān)測系統(tǒng)直接對發(fā)電機(jī)軸電流基波和三次諧波振幅進(jìn)行采樣，當(dāng)軸電流測量值超過設(shè)定的保護(hù)閾值時，采取保護(hù)措施。但只應(yīng)用在故障發(fā)生后，仍然對發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。而ATZDL-901 軸電流在線監(jiān)測分析系統(tǒng)可以進(jìn)一步提升保護(hù)動作功能。

軸電流在線監(jiān)測裝置將實(shí)時采樣的軸電流測值上傳至后臺數(shù)據(jù)處理軟件，記錄軸電流歷史曲線，并對該數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行趨勢分析；同時高速、高密度采集軸電流、軸電壓，提高電流、電壓波形的置信系數(shù)，在對軸電壓信號進(jìn)行高速、高精度采樣后，通過傅里葉算法對軸電壓信號進(jìn)行高次諧波分解運(yùn)算，用于后期數(shù)據(jù)分析處理；實(shí)時判斷出軸電流異常并及時給出告警輸出，該系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用FFT 等算法，并提出一套自學(xué)習(xí)預(yù)報算法，通過對集中收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整頻譜分析以及中長期趨勢分析，對軸電流和軸電壓歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)處理，分析水輪機(jī)運(yùn)行工況，從而在發(fā)現(xiàn)軸電流存在異常趨勢時及時發(fā)出預(yù)警。

1 軸電流對發(fā)電機(jī)組的影響

水輪發(fā)電機(jī)組大軸與軸承之間的潤滑油膜有著很重要的絕緣作用，正常情況下，在油膜的作用下，機(jī)組不會產(chǎn)生軸電流，而一旦油膜破壞失去絕緣性能，就會產(chǎn)生很大的軸電流。例如，當(dāng)軸承底座絕緣墊出現(xiàn)產(chǎn)生油污、老化或者損壞等一系列情況時，會嚴(yán)重影響潤滑油膜的絕緣性能，導(dǎo)致絕緣性能降低或消失。當(dāng)軸電壓高到擊穿轉(zhuǎn)軸與軸承之間的油膜后，會發(fā)生放電現(xiàn)象，由于油膜、轉(zhuǎn)軸、軸承座及基礎(chǔ)等回路阻抗極小，導(dǎo)致電流增大，并在軸與軸瓦形成金屬性接觸的瞬間產(chǎn)生灼傷，甚至可達(dá)到上千安。這種情況將嚴(yán)重危及機(jī)組的運(yùn)行安全。軸電流的電解作用可以使?jié)櫥吞蓟湍さ慕^緣性能在潤滑油進(jìn)入熔化的金屬微顆粒之后有一定程度的降低，從而進(jìn)一步加速電火花的擴(kuò)展、侵蝕，碳化物和熔化后的金屬微粒會造成潤滑系統(tǒng)污染，在一系列的連環(huán)作用下，油的潤滑性能將會變差，軸承溫度將會升高，導(dǎo)致軸瓦在軸承機(jī)械嚴(yán)重磨損下燒壞，造成事故停機(jī)，大大縮短相關(guān)設(shè)備的使用壽命，這些都將給生產(chǎn)現(xiàn)場帶來極大的安全隱患和負(fù)面影響。因此需對軸電流、軸電壓進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測，以保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

2 軸電流產(chǎn)生的原因

水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)動的過程中[1-3]，必定會在不對稱的磁場中旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生此種不對稱磁場的原因有很多，例如，磁場中心與大軸中心不一致，轉(zhuǎn)子磁極線圈短路等很多因素都有可能會產(chǎn)生不對稱磁場。在該不對稱磁場的作用下，轉(zhuǎn)軸的兩端會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，也就是軸電壓。如果轉(zhuǎn)軸兩端軸承沒有具備良好絕緣性能的介質(zhì)，例如絕緣墊、絕緣油膜，電機(jī)兩端軸承支架就會在軸電壓的作用下形成電流回路，也就是軸電流。

軸電壓產(chǎn)生的原因主要可分為以下2 種情況：

（1）存在軸向漏磁；

（2）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時，切割不平衡的磁通。

造成發(fā)電機(jī)磁場不平衡，形成軸電壓的原因主要有以下3 種情況：

（1）勵磁回路接地或轉(zhuǎn)子繞組匝間短路；

（2）由于制造工藝或者安裝工藝等因素產(chǎn)生的氣隙不對稱、磁路不均衡；

（3）發(fā)電機(jī)發(fā)生不對稱短路。當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)外部發(fā)生不對稱短路時，感應(yīng)電流會產(chǎn)生在定子繞組的短路部分，阻止合成磁通通過短路繞組所在的定子區(qū)域，然而，未短路部分正常通磁，這種作用和定子磁路不對稱性質(zhì)差不多，主要是形成軸向以基頻為主的交變磁通。但是，如果機(jī)組定子繞組引出線位于發(fā)電機(jī)長度方向的兩側(cè)，那么不對稱的外部短路也很有可能產(chǎn)生軸電壓。

3 軸電流在線監(jiān)測分析系統(tǒng)

3.1 軸電流保護(hù)功能

ATZDL-901 軸電流在線監(jiān)測裝置通過對軸電流互感器采集到的軸電流信號進(jìn)行諧波提取算法，提取出軸電流的三次諧波和基波幅值大小來檢測軸承的絕緣情況。當(dāng)電流基波或三次諧波測值超過設(shè)置的閾值則裝置保護(hù)動作開出，以此來保護(hù)電機(jī)軸承，避免軸承的損壞。

當(dāng)電機(jī)內(nèi)部干擾磁場比較強(qiáng)，并且互感器內(nèi)部存在三次諧波分量時，裝置將會自動判別基波和三次諧波作為保護(hù)動作依據(jù)，從而保證裝置能安全、穩(wěn)定工作。當(dāng)電機(jī)內(nèi)部磁場干擾特別小，并且二軸電流內(nèi)部又沒有存在諧波干擾時，該軸電流在線監(jiān)測裝置以基波電流幅值作為保護(hù)動作依據(jù)。因電樞磁場的不對稱分布將在大軸產(chǎn)生感應(yīng)電壓，軸電壓中包含了大量的高次諧波。裝置會采集軸電壓信號并計算分析其各高次諧波信息，配合后臺分析的自學(xué)習(xí)預(yù)報算法，分析出軸電壓的狀態(tài)趨勢，以便盡早發(fā)現(xiàn)問題，在其未對軸承產(chǎn)生危害前處理掉可能出現(xiàn)的問題，防患于未然，保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

3.2 ATZDL-901 軸電流在線監(jiān)測裝置

ATZDL-901 裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，核心控制部分均采用先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，該裝置的所有功能板均采用插件式設(shè)計，軟件功能也可以根據(jù)各現(xiàn)場控制要求靈活配置。主要由軸電流在線監(jiān)測裝置和后臺數(shù)據(jù)分析處理軟件兩大部分組成。

圖1 ATZDL-901 裝置硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of ATZDL-901 device

（1）軸電流在線監(jiān)測分析裝置

為了對軸電壓、軸電流進(jìn)行高精度高速率的采樣和控制運(yùn)算，裝置由可編程邏輯陣列FPGA、數(shù)字信號處理芯片DSP 和16 位AD 芯片等組成。FPGA芯片主要負(fù)責(zé)AD 芯片的采樣控制邏輯，開關(guān)按鍵控制邏輯、控制邏輯等。DSP 芯片則完成對實(shí)時數(shù)據(jù)的基波和三次諧波的濾波運(yùn)算，人機(jī)界面的顯示控制、參數(shù)的設(shè)置存儲以及與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊控制。

ATZDL-901 軸電流在線監(jiān)測裝置配置有友好的人機(jī)界面，可實(shí)時顯示當(dāng)前軸電壓、軸電流基波和三次諧波的幅值，可以方便的對報警閾值、通訊參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。裝置配有對應(yīng)于軸電壓和軸電流的4～20 mA 的模擬量的輸出，以便監(jiān)控系統(tǒng)的采集監(jiān)控。

（2）后臺數(shù)據(jù)分析處理軟件

裝置的后臺數(shù)據(jù)分析處理軟件基于國產(chǎn)Linux操作系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，采用國際標(biāo)準(zhǔn)的通信規(guī)范及數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開放、可擴(kuò)展。通過專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接收各個在線監(jiān)測分析裝置原始數(shù)據(jù)，實(shí)時計算分析，一旦發(fā)現(xiàn)異常，即時告警。同時，ATZDL-901 軸電流在線監(jiān)測裝置還具備直觀統(tǒng)一的人機(jī)圖形界面，清晰展現(xiàn)以下數(shù)據(jù)信息：

1）4 個機(jī)組的實(shí)時軸電流基波顯示；

2）4 個機(jī)組的實(shí)時軸電流三次諧波顯示；

3）4 個機(jī)組的軸電流基波月波形圖顯示；

4）4 個機(jī)組的軸電流三次諧形月波形圖顯示；

5）異常數(shù)據(jù)提示。

（3）功能配置

系統(tǒng)軟件采用專用的大數(shù)據(jù)分析算法，從長期積累數(shù)據(jù)中分析水輪機(jī)組運(yùn)行工況，發(fā)掘其變化趨勢，給出相應(yīng)處理意見。同時，ATZDL-901 軸電流在線監(jiān)測裝置為滿足各種生產(chǎn)現(xiàn)場控制要求，其核心控制部分采用先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，裝置各功能板采用插件式設(shè)計。具體功能配置如下：

1）保護(hù)功能

具備實(shí)時報警、動作功能，設(shè)置有一級和二級報警功能，可根據(jù)定值設(shè)置的動作依據(jù)（電流的基波或三次諧波）和動作閾值進(jìn)行保護(hù)動作。當(dāng)裝置保護(hù)動作時，裝置會記錄實(shí)時的電流數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)和保護(hù)動作狀態(tài)，并可進(jìn)行可視化操作分析，最多存儲10 條保護(hù)動作波形數(shù)據(jù)。

2）試驗(yàn)功能

為了方便現(xiàn)場調(diào)試，在裝置的試驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，裝置會輸出可調(diào)節(jié)的交流試驗(yàn)電流，將此試驗(yàn)電流接入到互感器的試驗(yàn)繞組用于裝置采集和功能的檢測。該功能必須讓裝置處于試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，在該模式下調(diào)節(jié)裝置背部的旋鈕即可調(diào)節(jié)輸出電流的大小。

3）測控功能

裝置支持1 路軸電流和1 路軸電壓的采樣；支持6 路開關(guān)量輸入、輸出；2 路4～20 mA 模擬量輸出，分別對應(yīng)著電流和電壓幅值，比例可靈活設(shè)置。

4）輔助功能

完善的自檢功能，當(dāng)裝置在自檢期間檢測到裝置故障，裝置會閉鎖所有的開出和保護(hù)動作等功能模塊，并記錄故障信息，同時發(fā)送遠(yuǎn)方報警信號；完善的事件記錄功能，可記錄裝置各操作信息、狀態(tài)信息、動作信息和報警信息等，最多可存儲64 條事件信息，事件信息存滿后裝置會自動覆蓋最早的事件信息來進(jìn)行循環(huán)存儲，并可追溯；波形記錄功能，記錄每次軸電流保護(hù)動作時的電流數(shù)值、動作狀態(tài)和電壓波形，用于動作響應(yīng)的事后分析，可追溯；使用4.3 寸TFT 液晶屏和多按鍵構(gòu)成的友善的人機(jī)接口。

5）通信功能

裝置可通過1 個RS485 通訊接口用于與后臺系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，使用Modbus 通訊協(xié)議；在實(shí)際應(yīng)用中可方便快捷的實(shí)現(xiàn)與計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)或綜合數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)的通訊及數(shù)據(jù)交互。

4 在線監(jiān)測分析系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

ATZDL-901 軸電流軸電壓在線監(jiān)測分析裝置的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如下：

（1）工作電壓：220 V DC/AC±20% 50 Hz。

（2）RS485 接口：Modbus 規(guī)約，波特率可編程。

（3）模擬量輸出：軸電流監(jiān)測裝置至少有2 路4～20 mA 的模擬量輸出，即一路軸電流模擬量輸出、一路軸電壓模擬量輸出。

（4）電磁干擾：滿足廠站現(xiàn)場的電磁干擾能力，軸電流監(jiān)測裝置附近1 m 使用對講機(jī)不對裝置造成干擾。

（5）數(shù)據(jù)采集：采用“就近采集，通訊上送”的原則，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時傳送至服務(wù)器系統(tǒng)。

（6）技術(shù)指標(biāo)類型及相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)類型及相關(guān)參數(shù)Tab.1 Test types and related parameters

（7）測控功能參數(shù)如表2 所示。

表2 測控功能參數(shù)Tab.2 Measurement and control function parameters

5 結(jié)語

水輪發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行的過程中，軸電壓是無法避免、難以更改并一直存在的，主要是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝，一旦完成制造，其軸電壓也基本確定，而對于機(jī)組軸承來說，軸電流的存在對其有比較大的負(fù)面影響，破壞性較強(qiáng)。因此，采用新型軸電流在線監(jiān)測分析系統(tǒng)對軸承的絕緣情況加以實(shí)時監(jiān)測、運(yùn)算、分析，進(jìn)一步提升機(jī)組安全運(yùn)行穩(wěn)定性，已經(jīng)成為大型水輪發(fā)電機(jī)組軸電流保護(hù)的必然發(fā)展方向。

因?yàn)殡姶乓约柏?fù)載電流變化等外界因素很容易干擾到電流互感器二次側(cè)電流值。大多數(shù)情況下，水輪發(fā)電機(jī)組軸電流保護(hù)主要是采用大軸側(cè)裝有交流互感器的軸電流保護(hù)方式。與之相比較，ATZDL-901 軸電流在線監(jiān)測分析裝置最大優(yōu)點(diǎn)就是可以在一定程度上避免或減小這種干擾，可以實(shí)時判斷出軸電流異常并及時給出告警輸出，讓運(yùn)行和維護(hù)人員可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，進(jìn)一步分析、判斷軸電流保護(hù)動作的原因，并根據(jù)不同的故障原因采取相應(yīng)的處置措施，及時處理，從而避免事故的擴(kuò)大，避免機(jī)組因燒瓦等方面發(fā)生的非停事件或者造成的人身設(shè)備事故有著極其重大的意義，進(jìn)一步保障了生產(chǎn)一線人員和設(shè)備的安全，為機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保證。