大型水輪發(fā)電機(jī)組大軸絕緣監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究

王 林，毛 健，李新田

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

1 軸電壓的產(chǎn)生及其危害

由于定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙不均勻以及定子鐵芯的局部磁阻較大、磁路不對(duì)稱等原因，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的定子磁場(chǎng)存在不平衡，這會(huì)使得水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生與軸相交的交變磁通和軸向的感應(yīng)電勢(shì)，即軸電壓[1]。對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)，由于機(jī)組轉(zhuǎn)速不高，且通過(guò)設(shè)計(jì)制造和安裝單位對(duì)機(jī)組安裝質(zhì)量的控制，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)該感應(yīng)電勢(shì)對(duì)地不會(huì)太高，發(fā)電機(jī)上端軸軸電壓一般不超過(guò)2～3 V，某大型電站機(jī)組的軸電壓也大致處于這一水平。僅某大型電站個(gè)別機(jī)型因定子磁路設(shè)計(jì)上的問(wèn)題，軸電壓偏高，峰值甚至達(dá)數(shù)十V。

在波形特征上，軸電壓諧波特征明顯，但起主要作用的是基波與三次諧波[2]。以某大型電站機(jī)型為例，通過(guò)FFT分析，（如圖1、2）當(dāng)機(jī)端電壓為額定時(shí)，三次諧波占整個(gè)電壓比例的一半以上。隨著機(jī)端電壓的下降，高次諧波比重加大，如電壓為40%Un時(shí)，15次諧波成主要成分，這說(shuō)明軸電壓的性質(zhì)與轉(zhuǎn)速有關(guān)系。

盡管軸電勢(shì)數(shù)值不大，但在發(fā)電機(jī)內(nèi)部各種交變的脈沖磁場(chǎng)的作用下，其峰值卻很高（如圖1）。由于轉(zhuǎn)子軸內(nèi)電阻很小，且一般軸承與大軸間只有不到1 mm的油膜間隙，如軸領(lǐng)與大軸間絕緣破壞，它將在軸電壓的作用下，沿軸承和底板形成的閉合回路，對(duì)軸瓦擊穿放電，軸電流可達(dá)很大數(shù)值（數(shù)百到數(shù)千安培），對(duì)軸瓦造成電氣侵蝕，同時(shí)使?jié)櫥土踊M(jìn)一步惡化軸瓦的運(yùn)行環(huán)境。導(dǎo)致油質(zhì)劣化，軸承震動(dòng)增大，軸瓦燒傷等事故。從某種意義上講，軸瓦的破壞程度取決于軸電流的幅值和作用時(shí)間；從運(yùn)行角度來(lái)講，運(yùn)行人員需要隨時(shí)或提前知道軸電流的變化或軸承絕緣的損壞程度。因此一次設(shè)備制造廠家就提出各種對(duì)軸絕緣進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法。

圖1 額定電壓下發(fā)電機(jī)軸電壓波形

圖2 發(fā)電機(jī)軸電壓FFT分析

2 軸絕緣監(jiān)測(cè)措施

為了防止軸電流對(duì)潤(rùn)滑油和軸瓦的損害，大型水輪發(fā)電機(jī)組主要采用兩種預(yù)防措施。其一是機(jī)組制造廠家在設(shè)計(jì)上采取在轉(zhuǎn)子下端對(duì)大軸采用碳刷接地，在上端軸與上端軸領(lǐng)間加酚醛玻璃板絕緣，以防止軸電流形成回路，同限制大軸對(duì)地電位；其二就是采用軸絕緣監(jiān)測(cè)手段對(duì)軸絕緣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以保證在軸電流達(dá)到軸瓦的破壞電流值以前，通知運(yùn)行人員，采取必要的措施。

國(guó)內(nèi)大型水輪發(fā)電機(jī)組大致采用了兩類不同的軸電流監(jiān)測(cè)方案。一類監(jiān)測(cè)方案是加裝軸CT，通過(guò)監(jiān)測(cè)軸電流監(jiān)視上端軸絕緣情況；另一類監(jiān)測(cè)方案是采用兩塊SINEAX V604通用可編程變送器利用姆歐法對(duì)上端軸軸領(lǐng)、軸領(lǐng)與大軸間的銅箔及大軸間的絕緣進(jìn)行分段監(jiān)視。

（1）軸CT測(cè)量法

原某大型電站電站哈電機(jī)組采用軸電流保護(hù)裝置通過(guò)軸CT對(duì)通過(guò)大軸的交流電流的大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法，來(lái)間接監(jiān)視軸絕緣情況。

軸電流監(jiān)測(cè)裝置能夠通過(guò)軸CT將發(fā)電機(jī)大軸上產(chǎn)生的軸電流檢測(cè)出來(lái)，并根據(jù)不同的軸電流值發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，從而能有效地防止軸電流的破壞，保護(hù)軸承及軸領(lǐng)。同時(shí)，軸電流保護(hù)裝置還可將測(cè)量值轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)送監(jiān)控記錄。

軸電流保護(hù)裝置由軸電流互感器和軸電流信號(hào)裝置組成。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軸電流保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

軸電流監(jiān)測(cè)裝置主要監(jiān)測(cè)軸電流中的基波分量與三次諧波分量。軸電流互感器在設(shè)計(jì)上一方面考慮安裝拆卸方便性，設(shè)計(jì)成兩瓣或者四瓣結(jié)構(gòu)，另一方面考慮監(jiān)測(cè)的靈敏性，鐵芯采用特殊硅鋼片卷繞，可以檢測(cè)出1 A以下的軸電流。

軸CT正常輸出信號(hào)較小，為了降低電磁干擾對(duì)測(cè)量的影響，采取在CT輸出端并電阻的方法，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)引至測(cè)量裝置，但該電壓信號(hào)僅為幾十毫伏，測(cè)試不太方便。為了試驗(yàn)方便，除了工作繞組外，軸CT一般還繞有試驗(yàn)繞組，以便解決試驗(yàn)信號(hào)弱小而存在的檢驗(yàn)困難問(wèn)題。安裝測(cè)試?yán)@組后，可通過(guò)專門(mén)的試驗(yàn)?zāi)K，對(duì)軸電流保護(hù)進(jìn)行校驗(yàn)。但在正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)注意斷開(kāi)試驗(yàn)繞組，以防止試驗(yàn)繞組內(nèi)的感應(yīng)電流對(duì)工作繞組的影響。有些軸電流保護(hù)廠家不提供試驗(yàn)繞組電源回路，估計(jì)也有這方面的考慮。

軸電流保護(hù)的整定值應(yīng)該是當(dāng)機(jī)組絕緣損壞時(shí)，保護(hù)裝置動(dòng)作的軸電流不能使軸瓦與軸領(lǐng)損壞為原則，也就是說(shuō)應(yīng)以軸瓦所能承受的軸電流作為保護(hù)裝置整定的依據(jù)。按有關(guān)資料介紹[3]，當(dāng)軸電流密度不超過(guò)0.2 A/cm2時(shí)，可以認(rèn)為不會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞軸瓦。因此應(yīng)對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行的軸電流進(jìn)行實(shí)際測(cè)量后，再按以上軸電流密度進(jìn)行校核，以取得一個(gè)合理的整定值。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,由于軸CT安裝于發(fā)電機(jī)上端軸段,據(jù)有關(guān)資料[4]表明機(jī)組起勵(lì)電流對(duì)軸電流監(jiān)測(cè)裝置是有影響的。因此應(yīng)對(duì)軸電流保護(hù)設(shè)置一定延時(shí)，避過(guò)瞬時(shí)的脈沖電流，并對(duì)峰值進(jìn)行記錄分析，這樣，即能保證設(shè)備的正常運(yùn)行，又可發(fā)現(xiàn)故障隱患，及早處理。

（2）軸絕緣電阻測(cè)量法

向家壩右岸ALSTOM機(jī)組、某大型電站ALSTOM機(jī)組以及改造后的某大型電站哈電機(jī)組為了有效的抑制軸絕緣破壞所造成的危害，加強(qiáng)軸絕緣監(jiān)視，采用在軸領(lǐng)與大軸絕緣層中加裝金屬銅箔的方式，將軸領(lǐng)絕緣分為兩段，并將銅箔用導(dǎo)線引出到大軸表面的金屬環(huán)上，采用兩塊SINEAX V604通用可編程變送器利用姆歐法對(duì)兩段分別監(jiān)視絕緣電阻。通過(guò)直接測(cè)量軸絕緣電阻來(lái)檢測(cè)軸絕緣情況。當(dāng)其中的一段絕緣損壞后發(fā)信，發(fā)電機(jī)可以繼續(xù)運(yùn)行，兩端絕緣都異常后跳閘。圖4是ALSTOM發(fā)電機(jī)廠商采用歐姆表法進(jìn)行絕緣測(cè)試的連接示意圖。

SINEAX V604通用可編程變送器通過(guò)注入幅值為60～380μA自適應(yīng)的恒定電流信號(hào)，測(cè)量端口電壓來(lái)計(jì)算回路絕緣情況。裝置具備多個(gè)信號(hào)指示燈。當(dāng)綠燈閃動(dòng)表明測(cè)量傳感器開(kāi)路，表示被測(cè)回路絕緣良好。如果測(cè)量電阻低于測(cè)量整定值，則指示燈變?yōu)槌Ａ?，指示被測(cè)回路絕緣下降。

圖4 測(cè)量絕緣回路示意圖

對(duì)于采用分級(jí)軸絕緣方式的發(fā)電機(jī)，當(dāng)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，還可采用專用的歐姆表，在上導(dǎo)軸上進(jìn)行油膜電阻的附加測(cè)試。盡管結(jié)果不完全可信，但當(dāng)軸有輕微的擦傷或者有熱塊惡化時(shí)，仍然能指示出一定的金屬間的聯(lián)系。當(dāng)運(yùn)行著的電機(jī)具有較高的阻值時(shí)，表明軸絕緣情況良好。另外，當(dāng)需了解在高壓潤(rùn)滑系統(tǒng)建立油膜、決定啟動(dòng)系統(tǒng)多快能完成油膜建立或在停機(jī)時(shí)油膜能支持多久的情況時(shí)，也可以使用這種測(cè)試。

3 軸絕緣監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行情況分析

(1)采用軸CT測(cè)量大軸電流的方式，是間接測(cè)量方式。但由于其安裝位置及安裝方式與安裝質(zhì)量的限制，機(jī)組內(nèi)部強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)電場(chǎng)以及可控硅靜止勵(lì)磁裝置產(chǎn)生的脈沖等諸多因素，都會(huì)影響軸電流測(cè)量裝置的測(cè)量。且由于軸CT的變比較大，其CT二次電流多為毫安級(jí)，抗干擾能力差，致使軸CT測(cè)量裝置在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，可能就已超過(guò)整定值而誤動(dòng)。在某大型電站機(jī)組投產(chǎn)時(shí)，觀察到哈電機(jī)組軸電流較大，已超過(guò)裝置顯示范圍。停機(jī)后檢查軸絕緣卻未發(fā)現(xiàn)異常。

經(jīng)分析，認(rèn)為引起誤差大的主要原因在于：a、軸電流互感器安裝平整度、水平度、精密度。b、空間磁場(chǎng)分布不均勻等方面。

由于軸電流測(cè)量裝置不能真實(shí)反映大軸絕緣情況，又由于哈電機(jī)組符合安裝注入式分段軸絕緣監(jiān)視裝置的條件，為此2008年冬修期間，某大型電站電氣維修部保護(hù)分部對(duì)右岸電站哈電機(jī)組進(jìn)行了大軸絕緣保護(hù)的改造，全部改造成注入式軸絕緣電阻監(jiān)測(cè)的方式，運(yùn)行情況良好。

(2)采用SINEAX V604注入式軸絕緣電阻監(jiān)測(cè)的方式是一種直接測(cè)量方式。對(duì)于軸電壓不高，且磁路設(shè)計(jì)良好的軸絕緣，監(jiān)視效果較好。某大型電站ALSTOM機(jī)組軸絕緣裝置運(yùn)行情況良好，在機(jī)組運(yùn)行期間，曾監(jiān)測(cè)到軸領(lǐng)根部由大量碳刷粉末堆積導(dǎo)致的軸絕緣下降，并正確告警。但當(dāng)由于磁路設(shè)計(jì)不太好而造成軸電壓較高，且軸電壓中諧波較大時(shí)，則需對(duì)測(cè)量回路采用濾波措施。該裝置在某電站機(jī)組上采用時(shí)，由于ALSTOM對(duì)發(fā)電機(jī)的定子相分支數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，但未對(duì)定子鐵芯做相應(yīng)調(diào)整，結(jié)果造成磁路有輕微的不平衡，致使軸電壓較高，同時(shí)軸電壓中諧波含量也較高，對(duì)SINEAX V604軸絕緣監(jiān)視裝置的測(cè)量造成了極大的干擾，后經(jīng)采用在測(cè)量回路上并接濾波電容后，大致消除了對(duì)裝置測(cè)量的影響，裝置工作正常。

(3)大軸接地碳刷接地不良將影響軸絕緣監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量，對(duì)軸電流測(cè)量監(jiān)視裝置的影響尤其明顯。且由于某大型電站機(jī)組推力軸承與推力頭間無(wú)絕緣，僅靠位于推導(dǎo)下端的大軸接地碳刷平衡與大地間的地位差。因此大軸接地碳刷的好壞，直接關(guān)系到推導(dǎo)軸承的運(yùn)行安全。因此定期檢查大軸接地碳刷是十分有必要的。在進(jìn)行大軸接地碳刷定期檢查或更換工作時(shí)應(yīng)注意檢查碳刷在刷握內(nèi)活動(dòng)自如，彈簧應(yīng)壓在碳刷中心位置，壓力正常，檢查發(fā)電機(jī)碳刷運(yùn)行正常。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了國(guó)內(nèi)大型水輪發(fā)電機(jī)組采用的兩種發(fā)電機(jī)軸絕緣監(jiān)測(cè)方法以及在某大型電站和向家壩電站的應(yīng)用情況。軸絕緣電阻測(cè)量方法更適用于有中間絕緣體、且有引出線結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)。因?yàn)槠湟⑷敕讲ㄐ盘?hào)，該方波如果直接加在沒(méi)有絕緣層的發(fā)電機(jī)上，可能對(duì)絕緣效果適得其反。ALSTOM機(jī)組軸絕緣測(cè)量法在某大型電站機(jī)組運(yùn)行中，曾經(jīng)正確報(bào)警，檢查發(fā)現(xiàn)軸領(lǐng)根部有大量碳刷碳粉堆積，驗(yàn)證了此方法的有效性。

而軸CT的測(cè)量方法存在整定值經(jīng)驗(yàn)不豐富，依據(jù)不足的缺點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)還有其它一些方法，比如在上導(dǎo)瓦外側(cè)與油槽壁絕緣材料中安裝引出線等形式，設(shè)計(jì)原理大同小異，而效果仍有待觀察。

[1][德]奧托·豪斯.軸電壓和軸承電流及其產(chǎn)生原因?qū)﹄姍C(jī)的影響和補(bǔ)救措施[A].電機(jī)譯文集[C],1996:35-38.

[2]徐海潮.發(fā)電機(jī)軸電流檢測(cè)器[J].電測(cè)與儀表,1997.3:31-34.

[3]王維儉.發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社,1998:14-15.

[4]陳顯芳.軸電流及其監(jiān)測(cè)裝置[J].東方電機(jī),1997.1:12-15.