小湾水电站机组轴电流保护分析

吴永智

【摘 要】本文主要介绍了水轮发电机组轴电流产生的原因、危害，以及常规轴电流保护与小湾轴电流保护原理。并对小湾轴电流装置检测中存在的问题进行分析、解决。

【关键词】水轮发电机组；轴电流；转子；保护

0.引言

小湾水电站是西电东送的标志性工程，装设6台单机容量700兆瓦的混流式机组，保证出力185.4兆瓦，多年平均发电量190.6亿千瓦.时。作为南方电网重要的调峰、调频、事故备用水电站，对电网的安全稳定运行起着极其重要的作用。由于机组长期运行在水头变化大、调峰深度大、开/停机频繁等恶劣条件下，所以，如何有效避免轴电流的产生、预防轴电流产生后对机组的影响以及提高轴电流保护的可靠性成为电站的一项重要任务。

对于大型水轮发电机组而言，由于磁路的不对称，或者定、转子气隙的不对称，转子上、下两端大轴会感应出轴向电势，称为轴电压。轴电压含有基波分量、三次谐波分量和直流分量，对地轴电压沿着转子自上而下减小。正常运行时，由于大轴与轴瓦之间有油膜绝缘，轴承与支架间亦由绝缘材料连接，故轴电流没有流通路径，不会产生轴电流。当绝缘油膜遭到破坏或轴承有接地时，轴电流将流过轴瓦，由于大轴的内阻很小，尽管轴电压不高，但产生的轴电流仍可达几百安培甚至更大。一般地，若通过瓦面的轴电流密度超过0.2A/cm2，就可能对轴面引起交蚀，油膜遭到破坏，轴瓦发热，甚至瓦面烧花，危及机组安全稳定运行，因此，合理配置及装设可靠的轴电流保护装置尤为重要。

1.轴电流保护介绍

1.1常规轴电流保护

常规水轮发电机组常采用轴电流互感器（TA）对轴电流进行实时监测，并依据其精确感应出的基波轴电流和三次谐波轴电流来设置保护。机组轴电流保护使用大轴TA采集数据。其机组上导有一个绝缘碳刷与大轴连接，引出线与上导瓦连接，上导瓦与机架绝缘固定。接地碳刷与推力轴承之间的TA ，作用为测量电流作为轴电流保护的动作电流。上导瓦与机架绝缘破坏时，轴电压产生的轴电流会通过大轴、绝缘碳刷、上导瓦、机架、大地、接地碳刷形成轴电流回路，此时，轴电流保护装置将根据大轴TA 采集到的轴电流值动作于报警或停机。

1.2其他轴电流保护介绍

常规轴电流保护使用大轴TA，而现在比较新型的轴电流保护未使用传统型的TA，而是根据布置在大轴上的3把刷子接入保护装置，从而判断大轴与上导瓦之间的绝缘情况。第一把为铜片刷子，与发电机轴的滑环表层接触；第二把为轴领刷子，与上导的轴领滑环表层接触；第三把为大轴接地刷子，与下导轴承滑环表面接触并接地。

该轴电流保护原理为监测发电机大轴与上导轴领之间的绝缘电阻。该绝缘层（大轴与铜片之间的绝缘层）、中间的铜片和外绝缘层（铜片与上导轴领之间的绝缘层）组成，夹在轴和轴领之间。一旦发电机大轴与铜片之间绝缘遭到破坏，大轴感应电势就会通过大轴接地碳刷、大轴、内绝缘层、内绝缘层、铜片、铜片刷子、保护装置而未形成轴电流回路，不仅保护了上导瓦面，还可以报警以提醒运行维护人员注意。只有当内绝缘层、外绝缘层、上导轴领与上导瓦之间油膜绝缘均击穿后，电流才形成回路。

2.小湾水电站机组轴电流保护装置及原理

小湾水电站发电机组轴电流保护与传统轴电流保护相似，机组轴电流保护使用TA进行数据采集，利用轴电流互感器检测出来的轴电流基波或三次谐波电流信号，来检测轴承绝缘状态。当电机轴绝缘底下或有击穿时，由于发电机轴承不对称，机轴将产生轴电流而损坏其绝缘，发生故障。其损坏程度将取决于轴电流的幅值和持续时间。安装灵敏的轴电流保护设备能保障发电机的安全运行，提前发现机轴的绝缘故障，以便采取相应措施。

2.1轴电流保护装置

小湾水电站采用BZL-10C型轴电流保护装置装置，主要应用于检测发电机大轴中的电流，防止轴承绝缘击穿时损坏轴承和其他部件。

2.2轴电流保护原理

BZL-10C型轴电流装置利用轴电流互感器检测出来的轴电流基波或三次谐波电流信号，来检测轴承绝缘状态。该装置是由：放大器、双通道滤波器、A/D转换、单片机智能分析判断控制及过电流动作等环节组成。

BZL-10C型轴电流继电器采用了两种工作方式，即按电流基波分量或电量的三次谐波分量进行检测动作。当电机内干扰磁场较强，且互感器输出电流中含有三次谐波分量时，仪器可同时测量50HZ和150HZ信号，电流信号经滤波器滤除50HZ或150Hz的杂散干扰电流，使继电器能够稳定的检测。当电机内磁场干扰甚小，而轴电流中又无谐波干扰时，仪器即按50HZ频率 轴电流进行监测。轴电流信号经50HZ工作通道，并滤除其它干扰，防止误动作，当前轴电流为50HZ和150HZ信号轮流显示，面板指示灯显示当前工作频率。

继电器从轴电流互感器CT中取出故障电流信号，经IC1放大后，送入50HZ和150HZ双通道滤波器中，双通道滤波器输出经整流合成后，分别送入两路A/D模数转换器，再送入MCU进行分析、判断、显示轴电流值，经MCU与两个故障电流的设定值进行比较后，送出控制信号触发相应的继电器CZ1，CZ2，以控制报警及跳闸等信号。

3.小湾机组轴电流保护存在问题

3.1测试电流值偏大

在机组检修后启动后，小湾机组轴电流测量结果偏大，超过了轴电流告警定值1.5A，甚至超过了跳闸定值2.5A。而根据相关规定，机组运行中需投入相应轴电流保护。因此，根据保护定值单，已将轴电流告警功能投入。但由于轴电流测值偏大，可能造成保护误动作而引起事故，故而将轴电流跳闸功能退出。既不符合相关要求，也可能造成机组无轴电流保护运行，存在较大隐患，同时轴电流频繁告警势必对保护装置其他功能的正常工作造成一定的影响。

3.2可靠性不高

3号机组轴电流相对其他机组较小，尚未达到轴电流告警值。在机组转检修态以后，我们也对3号机组轴电流CT及轴电流装置的测量准确度进行了测试，其测值可以正确反映机组轴电流的大小。但这种通过轴电流装置接至保护装置的接线方式复杂，环节较多，可靠性与测量精度不高。并且发生轴电流告警后无法进行录波，不利于故障分析和处理。

4.改进措施

4.1 针对轴电流测值偏大的改进措施

在检修中针对轴电流测值偏大情况进行了检查，最后确定大轴补气位移传感器可能存在接地情况。将大轴补气位移传感器拆除后，轴电流测值明显偏小。而大轴补气位移传感器探头出现弯曲，并有磨擦痕迹。因此，判断为该传感器在机组运转过程中可能出现磨擦接地现象，将该传感器更换后正常。

4.2针对可靠性的改进措施

根据之前漫湾电厂轴电流装置改造的成功经验，将轴电流CT采样直接输出保护装置。小湾水电站使用的RCS-985发变组保护装置自带轴电流告警与跳闸功能，也能对轴电流采样中的基波（50Hz）与三次谐波（150Hz）分别进行测量，且其精度与可靠性比现有的轴电流装置要更高。因此，可直接将轴电流CT工作绕组输出接至该装置上，解除轴电流装置。由RCS-985GW发电机保护装置自带的轴电流保护功能实现机组轴电流告警与跳闸。

在改造完成后，使用继电保护测试仪在轴电流CT一次侧直接加量，并查看保护装置中的采样。同时在退出保护压板的情况下，验证轴电流保护告警、跳闸功能正常。

5.结束语

轴电流对机组影响较大，小湾水电站采用传统类型的轴电流保护装置，进行相应优化后，其可靠行得到了保证。

【参考文献】

[1]尹熬，朱麟.龙滩水电站机组轴电流保护.水电自动化与大坝监测，2010，2（34）.

[2]周建为.抽水蓄能机组轴电流保护.水电自动化与大坝监测，2003，27（1）.

[3]朱梅生，李志超，卢继平.水轮发电机轴绝缘监测方法及效果分析.电力系统保护与控制，2010，4（4）.