大藤峽水利樞紐水輪發(fā)電機軸電流異常情況分析處理

周精明，羅紅云，吳義斌，陳 晗

（廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責任公司，廣西 桂平 537226）

1 概述

大藤峽水利樞紐擁有國內(nèi)最大單機容量200 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，其中左岸廠房的3臺（8號、7號、6號）機組已投產(chǎn)發(fā)電。機組主要設(shè)備有哈爾濱電機廠生產(chǎn)的SF 200-88/17200型水輪發(fā)電機，浙富公司生產(chǎn)的ZZ-LH-1040型水輪機轉(zhuǎn)輪，機組調(diào)節(jié)方式為導葉、槳葉協(xié)聯(lián)雙重調(diào)節(jié)。大藤峽水利樞紐水輪發(fā)電機軸電流互感器安裝在推力軸承和下導軸承之間，能有效減少轉(zhuǎn)子磁場干擾。裝設(shè)有專門的軸電流監(jiān)測裝置，通過軸電流互感器的精確感應能實時監(jiān)測軸電流有效值、軸電流基波分量（50 Hz）幅值、軸電流三次諧波分量（150 Hz）幅值，并在數(shù)值異常時發(fā)出報警信號并實現(xiàn)軸電流保護。本文基于大藤峽水利樞紐機組軸電流異常的實際案例，對軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組軸電流異常的情況進行檢測與分析，得出造成軸電流異常的兩種主要原因，并提出軸電流異常的防范措施。

2 軸電流產(chǎn)生機理及危害

同步發(fā)電機的磁路往往不對稱，這種不對稱通常是由于定子鐵心組合縫、定子硅鋼片接縫、定子與轉(zhuǎn)子空氣間隙不均勻造成的，在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時發(fā)電機磁路更是不對稱。發(fā)電機主軸在這種不對稱磁場中旋轉(zhuǎn)，會在其兩端產(chǎn)生交流電壓即軸電壓，如果電機主軸兩端軸承沒有絕緣墊，或者轉(zhuǎn)軸與軸承間絕緣油膜含有雜質(zhì)超標，軸電壓將擊穿油膜而放電，這個電壓就會通過電機兩端軸承支架形成電流回路，這個電流叫軸電流[1]。

正常情況下，發(fā)電機轉(zhuǎn)子與軸承間存在油膜絕緣，較低的軸電壓不會產(chǎn)生軸電流。但當軸承絕緣因損壞、老化等原因失去絕緣性能，軸電壓會擊穿軸承油膜并形成軸電流。發(fā)電機轉(zhuǎn)子與外殼基座也會由于其他原因構(gòu)成閉合回路、形成軸電流。由于該閉合回路阻抗極小，在軸電壓的作用下，將會形成較大的軸電流，導致潤滑和冷卻的油質(zhì)逐漸劣化，嚴重時會燒壞軸瓦，造成停機事故[2]。

3 軸電流異常情況

7號機組投產(chǎn)發(fā)電后，計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機多次報出軸電流告警動作，軸電流告警設(shè)定值為5A，發(fā)電機保護盤柜中軸電流跳閘壓板未投入?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)軸電流監(jiān)測裝置中軸電流有效值示數(shù)維持在4 A左右，僅在機組負荷變化時跳變幾次，幅度大約為1～2 A，初步判斷軸電流告警信號是由幾次短暫跳變造成。6號機組首次升壓過程中，計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機持續(xù)報出軸電流告警動作，軸電流告警設(shè)定值為5 A，發(fā)電機保護盤柜中軸電流跳閘壓板未投入。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)軸電流監(jiān)測裝置軸電流有效值示數(shù)為18.5 A，機端電壓達到額定電壓（15.75 kV)時，軸電流有效值示數(shù)穩(wěn)定在14 A左右，已超過機組軸電流告警設(shè)定值5 A的2.8倍。為避免軸電流繼續(xù)上升，需要找出軸電流產(chǎn)生的根源，并采取防范措施，確保機組運行的穩(wěn)定性和安全性。

4 檢測方法

針對大藤峽水利樞紐7號、6號機組存在的軸電流異常問題，結(jié)合機組實際運行情況對其進行檢測，以對軸電流成因進行分析。

4.1 7號機組檢測項目

4.1.1 絕緣電阻測量

7號機組在檢修態(tài)時，分別測量軸絕緣銅絲網(wǎng)觸點對大軸的絕緣電阻、軸絕緣銅絲網(wǎng)觸點對滑轉(zhuǎn)子的絕緣電阻、滑轉(zhuǎn)子對大軸的絕緣電阻，分析絕緣電阻測值可知，這三者之間的絕緣均滿足要求。數(shù)據(jù)見表1。

表1 絕緣電阻值

同時，測量7號機組大軸接地碳刷對地電阻值為0.2 Ω，證明接地碳刷接地良好。

4.1.2 軸電流測量

7號機組帶負荷112 MW時，軸電流監(jiān)測裝置軸電流有效值示數(shù)為4.69 A，軸電流基波分量（50 Hz）幅值示數(shù)為1.35 A，軸電流三次諧波分量（150 Hz）幅值示數(shù)為2.75 A。測量接地碳刷接地處電流值為2.08 A。

4.2 6號機組檢測項目

6號機組額定電壓空載時，軸電流監(jiān)測裝置軸電流有效值示數(shù)為13.87 A，軸電流基波分量（50 Hz）幅值示數(shù)為3.55 A，軸電流三次諧波分量（150 Hz）幅值示數(shù)為10.18 A。測量接地碳刷接地處軸電流值為2.9 A。

6號機組帶負荷128 MW時，軸電流監(jiān)測裝置軸電流有效值示數(shù)為19.81 A，軸電流基波分量（50 Hz）幅值示數(shù)為6.88 A，軸電流三次諧波分量（150 Hz）幅值示數(shù)為14.94 A。測量接地碳刷接地處軸電流值為4.3 A。

5 原因分析

大藤峽水利樞紐7號機組帶負荷后，軸電流一般在2 A～5 A范圍波動，偶爾出現(xiàn)跳變超過10 A。6號機組帶128 MW負荷時，軸電流達到19.81 A。通過對機組運行情況了解和機組結(jié)構(gòu)分析，以及對7號、6號機組一些針對性檢測試驗，分析得出大藤峽水利樞紐水輪發(fā)電機軸電流形成原因如下。

軸電流形成必須有兩個條件，一個是存在電位差（轉(zhuǎn)子上下產(chǎn)生的軸電壓），另一個是存在電流回路。

5.1 軸電流回路

大藤峽水利樞紐水輪發(fā)電機軸電流互感器安裝在接地碳刷上方、推力軸承和下導軸承之間，依據(jù)發(fā)電機總裝圖和水輪機主軸操作油管裝配圖，軸電流互感器能檢測到的回路電流應為兩條回路，即圖1所示的內(nèi)回路（回路②）和外回路（回路①）。

圖1 軸電流產(chǎn)生等效電路圖

內(nèi)回路（回路②）由大軸外壁和水輪機主軸操作管路構(gòu)成一個電阻回路，外回路（回路①）由大軸外壁和滑轉(zhuǎn)子絕緣、油膜、油擋等與大地構(gòu)成一個電容回路。

外回路（回路①）多處設(shè)置了防軸電流絕緣：軸與滑轉(zhuǎn)子設(shè)軸絕緣、軸與油槽油擋設(shè)絕緣密封體、水輪機操作油管靜止部分與上機架處設(shè)有絕緣、水輪機操作油管引出管路法蘭位置設(shè)絕緣，外回路（回路①）上所設(shè)置的絕緣可以將軸電流回路阻斷?；D(zhuǎn)子和上導瓦之間的油膜也具有較好的絕緣性能，整個回路中，任何兩個導體間絕緣都構(gòu)成一個電容，如絕緣良好，整個回路的電流為電容電流，一般數(shù)值較小。如絕緣損壞，回路中可能同時存在電阻和電容電流，數(shù)值較大時，需要對絕緣進行修復，阻斷電阻電流。

內(nèi)回路（回路②）由大軸外壁和水輪機主軸操作油管構(gòu)成軸電流回路，在這個回路里，操作油管有3處和大軸連接處未設(shè)絕緣，可由軸電壓作用在回路中產(chǎn)生電阻電流。軸電流互感器只能測到大軸外壁流過的電流，而通過水輪機主軸操作油管流回的電流（指內(nèi)回路②）由于大軸的屏蔽作用，互感器無法測得。同理，軸電壓只產(chǎn)生在轉(zhuǎn)子上下的大軸上，水輪機主軸操作油管由于大軸對磁場的屏蔽作用，是不產(chǎn)生軸電壓的，故產(chǎn)生內(nèi)外回路軸電流的電壓是同一軸電壓。

5.2 軸電流互感器監(jiān)測電流

（1）內(nèi)回路（回路②）的電阻電流；

（2）外回路（回路①）的電容電流；

（3）轉(zhuǎn)子一點接地保護，注入式20 Hz的交流電軸電流監(jiān)測裝置不顯示（軸電流監(jiān)測裝置只顯示50 Hz和150 Hz）。

5.3 跳變原因

因為軸電壓產(chǎn)生原因復雜、因素多，轉(zhuǎn)子上下感應的軸電壓不僅含有基波，還有高次諧波。而且，軸電壓波形電壓還有跳變峰值，相對應電阻電流和電容電流也發(fā)生跳變。另外也可能存在與軸接觸的部件所設(shè)絕緣有虛接或動靜部件輕微刮碰的現(xiàn)象。電阻電流和電容電流公式分別為：

式中：u—軸電壓；R—回路電阻。

式中：f—頻率；U—電容電壓；C—電容。

產(chǎn)生電阻電流和電容電流的電壓（軸電壓）是同一個電壓。

6 處理措施

（1）由于機組運行，防軸電流所設(shè)置的絕緣不能全部檢測，不排除有個別絕緣性能差，可在機組檢修期對各處絕緣進行檢測。

1）機組停機時，需檢查圖2各處絕緣是否有問題。如絕緣電阻滿足要求，可將軸電流監(jiān)測裝置中一級報警值設(shè)定為8 A,二級報警值設(shè)定為15 A；

2）停機時，需檢查水輪機主軸操作油管轉(zhuǎn)動部分與固定部分間隙，排查是否可能在機組運行時轉(zhuǎn)動部分與固定部分虛連接，引起軸電流跳變；

（2）根據(jù)大藤峽水利樞紐機組的結(jié)構(gòu)特點，建議將軸電流互感器安裝在接地碳刷處，監(jiān)測流過上導軸承油膜的電容電流(可能造成破壞油膜的電流)。

（3）根據(jù)大藤峽水利樞紐機組結(jié)構(gòu)特點，大軸外壁和水輪機主軸操作油管間存在較大電阻電流。由于軸電流互感器安裝位置(在下導軸承和推力軸承之間)還有部分電阻電流沒測到，為降低內(nèi)回路②的電阻電流，建議在水輪機主軸操作管路與發(fā)電機大軸連接處加裝絕緣。

（4）若要軸電流互感器能真實反應會影響水輪發(fā)電機的軸電流值，需要斷開內(nèi)回路②，內(nèi)回路斷開的方法是在頂軸和受油器連接處設(shè)置絕緣墊。

圖2 絕緣檢測位置

7 結(jié)論

綜上所述，本文結(jié)合實際案例，深入分析了大藤峽水利樞紐水輪發(fā)電機軸電流異常原因及檢測方法，分析結(jié)果表明，水輪發(fā)電機軸電流在運行中是客觀存在的，很難從根本上得到有效控制[3]。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組軸電流異常的主要原因有2種，1種是由大軸外壁和大軸內(nèi)部操作管路構(gòu)成電阻回路形成軸電流；第2種是由大軸外壁和滑轉(zhuǎn)子絕緣、油膜及油擋等與大地構(gòu)成電容回路形成軸電流。其中由大軸外壁和滑轉(zhuǎn)子絕緣、油膜及油擋等與大地構(gòu)成電容回路形成的軸電流才有可能破壞軸承油膜，嚴重時會燒壞軸瓦。在具體處理中，可根據(jù)軸電流形成的原因，從絕緣檢測及修復、更改軸電流互感器位置、受油器絕緣阻斷3個方面來考慮，確保軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行。