小灣水電站機組軸電流保護分析

吳永智

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

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

0.引言

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

對于大型水輪發(fā)電機組而言，由于磁路的不對稱，或者定、轉(zhuǎn)子氣隙的不對稱，轉(zhuǎn)子上、下兩端大軸會感應(yīng)出軸向電勢，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，對地軸電壓沿著轉(zhuǎn)子自上而下減小。正常運行時，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，不會產(chǎn)生軸電流。當(dāng)絕緣油膜遭到破壞或軸承有接地時，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，危及機組安全穩(wěn)定運行，因此，合理配置及裝設(shè)可靠的軸電流保護裝置尤為重要。

1.軸電流保護介紹

1.1常規(guī)軸電流保護

常規(guī)水輪發(fā)電機組常采用軸電流互感器（TA）對軸電流進行實時監(jiān)測，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。機組軸電流保護使用大軸TA采集數(shù)據(jù)。其機組上導(dǎo)有一個絕緣碳刷與大軸連接，引出線與上導(dǎo)瓦連接，上導(dǎo)瓦與機架絕緣固定。接地碳刷與推力軸承之間的TA ，作用為測量電流作為軸電流保護的動作電流。上導(dǎo)瓦與機架絕緣破壞時，軸電壓產(chǎn)生的軸電流會通過大軸、絕緣碳刷、上導(dǎo)瓦、機架、大地、接地碳刷形成軸電流回路，此時，軸電流保護裝置將根據(jù)大軸TA 采集到的軸電流值動作于報警或停機。

1.2其他軸電流保護介紹

常規(guī)軸電流保護使用大軸TA，而現(xiàn)在比較新型的軸電流保護未使用傳統(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。

該軸電流保護原理為監(jiān)測發(fā)電機大軸與上導(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)電機大軸與銅片之間絕緣遭到破壞，大軸感應(yīng)電勢就會通過大軸接地碳刷、大軸、內(nèi)絕緣層、內(nèi)絕緣層、銅片、銅片刷子、保護裝置而未形成軸電流回路，不僅保護了上導(dǎo)瓦面，還可以報警以提醒運行維護人員注意。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.小灣水電站機組軸電流保護裝置及原理

小灣水電站發(fā)電機組軸電流保護與傳統(tǒng)軸電流保護相似，機組軸電流保護使用TA進行數(shù)據(jù)采集，利用軸電流互感器檢測出來的軸電流基波或三次諧波電流信號，來檢測軸承絕緣狀態(tài)。當(dāng)電機軸絕緣底下或有擊穿時，由于發(fā)電機軸承不對稱，機軸將產(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)時間。安裝靈敏的軸電流保護設(shè)備能保障發(fā)電機的安全運行，提前發(fā)現(xiàn)機軸的絕緣故障，以便采取相應(yīng)措施。

2.1軸電流保護裝置

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

2.2軸電流保護原理

BZL-10C型軸電流裝置利用軸電流互感器檢測出來的軸電流基波或三次諧波電流信號，來檢測軸承絕緣狀態(tài)。該裝置是由：放大器、雙通道濾波器、A/D轉(zhuǎn)換、單片機智能分析判斷控制及過電流動作等環(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行檢測動作。當(dāng)電機內(nèi)干擾磁場較強，且互感器輸出電流中含有三次諧波分量時，儀器可同時測量50HZ和150HZ信號，電流信號經(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。當(dāng)電機內(nèi)磁場干擾甚小，而軸電流中又無諧波干擾時，儀器即按50HZ頻率 軸電流進行監(jiān)測。軸電流信號經(jīng)50HZ工作通道，并濾除其它干擾，防止誤動作，當(dāng)前軸電流為50HZ和150HZ信號輪流顯示，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，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進行分析、判斷、顯示軸電流值，經(jīng)MCU與兩個故障電流的設(shè)定值進行比較后，送出控制信號觸發(fā)相應(yīng)的繼電器CZ1，CZ2，以控制報警及跳閘等信號。

3.小灣機組軸電流保護存在問題

3.1測試電流值偏大

在機組檢修后啟動后，小灣機組軸電流測量結(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，機組運行中需投入相應(yīng)軸電流保護。因此，根據(jù)保護定值單，已將軸電流告警功能投入。但由于軸電流測值偏大，可能造成保護誤動作而引起事故，故而將軸電流跳閘功能退出。既不符合相關(guān)要求，也可能造成機組無軸電流保護運行，存在較大隱患，同時軸電流頻繁告警勢必對保護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號機組軸電流相對其他機組較小，尚未達(dá)到軸電流告警值。在機組轉(zhuǎn)檢修態(tài)以后，我們也對3號機組軸電流CT及軸電流裝置的測量準(zhǔn)確度進行了測試，其測值可以正確反映機組軸電流的大小。但這種通過軸電流裝置接至保護裝置的接線方式復(fù)雜，環(huán)節(jié)較多，可靠性與測量精度不高。并且發(fā)生軸電流告警后無法進行錄波，不利于故障分析和處理。

4.改進措施

4.1 針對軸電流測值偏大的改進措施

在檢修中針對軸電流測值偏大情況進行了檢查，最后確定大軸補氣位移傳感器可能存在接地情況。將大軸補氣位移傳感器拆除后，軸電流測值明顯偏小。而大軸補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組運轉(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針對可靠性的改進措施

根據(jù)之前漫灣電廠軸電流裝置改造的成功經(jīng)驗，將軸電流CT采樣直接輸出保護裝置。小灣水電站使用的RCS-985發(fā)變組保護裝置自帶軸電流告警與跳閘功能，也能對軸電流采樣中的基波（50Hz）與三次諧波（150Hz）分別進行測量，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)電機保護裝置自帶的軸電流保護功能實現(xiàn)機組軸電流告警與跳閘。

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

5.結(jié)束語

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

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