水轮发电机组轴电流异常原因分析及处理.doc

水轮发电机组轴电流异常原因分析及处理摘要：本文简要介绍了轴电流保护的功用和原理；通过采用排除法找到了轴电流异常超标的原因，得出了机组一次轴电流并无异常，而其以转频为主的二次轴电流异常问题与机组励磁电流和机组转速有关，其产生原因系转子上部的励磁空间磁场在轴CT中产生电磁感应所致；提出了行之有效的处理对策解决了机组轴电流异常超标问题。关键词： 水轮发电机组 轴电流 空间磁场 原因分析 处理对策 引言闽东水电开发公司周宁水电站位于福建省周宁县境内，是穆阳溪梯级开发的第二级电站，装有2台设计水头为400m的混流式水轮发电机组，其单机容量为125MW，额定转速为428.6r/min。其发电机型号为SF125-14/5380，采用具有上下两个导轴承的立轴悬式结构，其推力轴承位于转子上方并布置在上机架中心体上部，上导轴承布置在上机架中心体内。轴CT采用哈尔滨市华新电力电子设备厂生产的专用穿心式轴电流互感器，其变比为2/0.005，饱和倍数为10倍，二次输出绕组共有2组，分别为工作绕组和试验绕组。轴CT安装在上机架中心体下部，亦即转子和上机架中心体之间。据发电机组厂家推荐，轴电流二次输出报警整定值为5mA，即对应一次轴电流为2A。轴电流保护作为水轮发电机的一套后备保护，对机组的安全运行起着不可或缺的作用。周宁水电站两台机组自2005年4月投产以来，一直存在轴电流严重超标问题。轴电流保护装置一直在误发报警信号，根本无法起到轴电流保护作用。1 轴电流保护的原理由于定、转子之间的气隙不均匀以及定子铁芯的局部磁阻较大、磁路不对称等原因，导致发电机的定子磁场存在不平衡，这会使得水轮发电机的转子上产生与轴相交的交变磁通和轴向的感应电势即轴电压。在轴承绝缘良好时，轴电流是相当小的，而当轴承某一部位绝缘不良或轴电压大于油膜的击穿值时，轴电流将明显增大，该轴电流将使轴瓦发生电蚀而损伤甚至毁坏，并加速轴承润滑油的变质老化。轴电流保护装置由轴CT和轴电流信号装置组成，主要用于监测轴电流中的工频基波50Hz分量及其三次谐波150Hz分量。当机组运行时，如果发电机大轴中产生了轴电流，套在发电机大轴上的轴CT将该电流检测出来，送人信号装置，经过整流、滤波、放大后，当轴电流超过设计值(整定值)时，能及时发信号或停机，以防止轴电流对轴承的破坏1。2 轴电流异常原因检查及分析2.1 常规检查分析（1）机组转轴对地电阻检测。用万用表在发电机接地碳刷接线端子处检测发电机主轴对地电阻：在机组停机时，其电阻值接近为0；而在机组运行时其电阻值则均大于1M。由于机组下导轴承未采用绝缘隔离措施，停机时主轴与下导瓦直接接触，故其电阻值接近为0；而机组运行中轴承瓦面油膜已建立，故其电阻值大于1M。此外用500V摇表在机组检修时检测上导轴承和推力轴承的绝缘也均满足要求。可见机组转轴对地绝缘并无异常。（2）机组轴承瓦面和轴承透平油检测。机组投运多年来经常对各部轴承瓦面和轴承透平油进行检测，每次检测结果均未见异常。（3）轴电流二次接线回路电磁干扰检测。为了解电磁感应是否系轴CT二次端子到发电机就地端子箱的二次接线回路所引发，曾把一组备用的轴CT二次回路接线在轴CT二次端子侧直接短路后，当机组运行时在发电机就地端子箱处测量该回路开路电压，其电压值为零，据此排除了二次接线回路产生电磁干扰的可能。（4）轴CT性能参数检测。曾在机组小修时对轴CT的变比和饱和倍数进行检测，结果表明其变比正确，且在一次电流达到40A时，其二次电流的线性度依然良好。（5）机组转轴剩磁检测。停机时在1号、2号机组的上导轴、下导轴和水导轴处使用细线悬吊回形针的简易方法测试其剩磁状况，发现主轴均有轻微吸附回形针现象。由于两台机组主轴的磁化现象都很轻微，据此认为其磁化因素不是轴电流异常超标的主要原因。2.2 轴电流回路电流电压波形检测分析为深入分析轴电流超标的原因，曾对1号、2号机组轴电流的一次、二次回路信号进行实测录波，所得结果见表1，此外从录波器记录的两台机组转速、电压和负荷调节过程中其二次轴电流的波形中得知：二次轴电流的大小和频率都随着机组转频的升高而增大，且其大小随着励磁电流的增加而增大，但与机组负荷高低关系不大。表1中一次轴电流系采取模拟其一次回路闭合连通的情况下测得的。从表1可知：1）在2号机组处空转态时，一次轴电压和一次轴电流均为0，而此时二次轴电流达到12.5mA，已超过报警整定值5mA，处于报警状态；2）在2号机组处空载态时，其一次轴电压和一次轴电流的幅值都很微小，主频为工频50Hz，而此时其二次轴电压和二次轴电流的幅值分别达到5.2V和220mA，主频却为转频7.13Hz，两者大小和频率明显对应不上。由此可见：机组一次轴电流实际上并不存在问题；二次轴电流异常超标与一次轴电流无关，其大小与机组励磁电流和机组转速有关，其频率与机组转频一致。表1 机组轴电流一次和二次回路电流电压检测结果机组检测工况一次轴电压一次轴电流二次轴电压二次轴电流幅值(mV)主频(Hz)幅值(mA)主频(Hz)幅值(V)主频(Hz)幅值(mA)主频(Hz)1号机组空载460500.150/满负荷/4.67.131807.132号机组空转00000.1687.1312.57.13空载480500.1505.27.132207.13满负荷48050/2207.132.3 转子上部和下部空间磁场检测分析为检测转子上部和下部空间的磁场状况，曾在1号机组上机架中心体下部固定轴CT的支架上加装了3个空心线圈，并在转子下导部位也加装了2个空心线圈。转子上下部空间磁场检测结果见表2。检测结果表明：机组停机时5个线圈的输出感应电压均低于3mV，基本上可认定为零；机组处空载态时位于轴CT部位的线圈其输出感应电压的频率与机组转频一致，其输出感应电压的大小与线圈匝数基本上成正比关系；而在空载态时位于下导处的线圈其输出的感应电压值很小，且其主频率不明朗，更未见转频成分。表2 转子上下部空间磁场检测结果检测工况轴CT支架处水平轴CT支架处垂直下导处水平下导处垂直线圈850匝线圈850匝线圈1600匝线圈850匝线圈850匝幅值(mV)主频(Hz)幅值(mV)主频(Hz)幅值(mV)主频(Hz)幅值(mV)主频(Hz)幅值(mV)主频(Hz)空载367.13307.13537.136/5150周宁电站发电机转子上部轴CT的内侧，有两根沿转轴上下走向的在转轴圆周上呈约103夹角分布的励磁引线。有关资料2表明对称布置的励磁引线其起励电流对轴电流监测装置是有影响的，而周宁电站发电机非对称布置的励磁引线电流对轴电流监测装置同样也是有影响的。发电机加励后，励磁回路将产生横向分布的磁场，该磁场随主轴一起旋转并与轴CT和空心线圈的磁回路相互作用，从而在轴CT和空心线圈内部极可能引发频率与转频一致的感应电势。由此推断：机组运行中转子上部空间存在的频率为转频的空间磁场应主要与磁极引线或励磁回路有关。在发动机下导处由于没有励磁回路产生的磁场且下导位置离转子较远，故下导处空心线圈基本上不存在感应电势，因而其感应电压很小，且不存在转频成分。3 处理对策和建议1）由于二次轴电流异常超标的信号为机组转频而非工频，为此应在发电机保护柜内对轴CT二次回路采取低阻高通信号过滤装置，把转频7.13Hz及其低阶倍频如三倍频21.43Hz以下低频信号滤除，并确保工频50Hz及以上高频信号进入轴电流信号装置，则轴电流异常超标问题即可得到解决。2）鉴于发动机下导处不存在空间干扰磁场，若将轴CT由位于发电机转子上部改装到位于发电机下部至接地碳刷之间，可望有效解决轴电流异常超标问题。3）改变轴电流保护形式，改用轴电压测量法3 或轴绝缘电阻测量法4（即通过直接测量轴绝缘电阻来检测轴绝缘情况）等形式进行轴电流保护，也可解决轴电流异常超标问题。4）对类似周宁水电站这种高转速大容量的发电机组，建议在确定采用轴CT进行轴电流保护时，应预先考虑好防磁场干扰的技术措施；此外由于轴电流保护装置主要用于监测工频50Hz及以上高频分量，故在其装置中最好应预先配置低阻高通滤波功能以避免受到低速转频信号的干扰。4 结语综合以上分析，周宁水电站1号、2号机组一次轴电流并无异常，而其以转频为主的二次轴电流异常问题与机组励磁电流和机组转速有关，其产生原因系转子上部的励磁空间磁场在轴CT中产生电磁感应所致。为解除机组这一运行安全隐患，该电站两台机组均于2010年在轴CT二次回路上采取低阻高通滤波装置圆满解决了轴电流异常超标问题。参考文献：1龚力文.发电机轴电流保护