水轮发电机组轴电流保护误报警分析与处理

苏华利

摘要：通过一起水轮发电机轴电流保护误报警的原因分析和处理，阐明了发电机长时间运行产生大量励磁碳粉是发电机轴电流保护误报警的主要原因。

关键词：水轮发电机组；轴电流；接地碳刷；碳粉

中图分类号： TK730 文献标志码 A

0引言

随着发电机组单机容量的逐渐增大，轴电压成为大型发电机采用静止自并励磁系统后的一个不容忽视的问题。轴电压的波形具有复杂的谐波脉冲分量，对机组轴承油膜的绝缘很不利。当轴电压未超过轴承油膜的破坏值时，轴电流非常小；若轴电压超过轴承油膜的击穿电压时，则在轴承上形成很大的轴电流，即轴电流电弧将烧蚀轴承部件并使轴承的润滑油老化，从而加速轴承的机械磨损，严重时会烧坏轴瓦，造成机组非计划停运。轴电压的产生原因有很多，如磁路不对称、单极效应、电容电流、静电效应、静态励磁系统、外壳、轴等的永久性磁化等。因此加强对机组轴电压的测量或设置轴电流保护对发电机安全运行的是非常重要的。

1 轴电流保护及配置简介

某电厂水轮发电机轴电流保护原理是监测发电机上端轴与上导轴领之间的绝缘电阻，即在发电机轴和上导轴领之间夹着内绝缘层、中间的铜片和外绝缘层。如果轴电压足够大并同时击穿内、外绝缘层，就会形成自发电机轴、中间的铜片、上导轴领、轴瓦、轴承支架到机组底座的轴电流回路，此时轴电流引起的电弧会烧蚀轴承部件并使轴承的润滑油老化从而加速轴承的机械磨损，同时轴电流会使发电机轴承等部件强烈磁化。因此只有内、外绝缘层同时击穿后才能形成轴电流回路。为了监测发电机轴与铜片、铜片与轴领的之间绝缘电阻，共设有三把供发电机轴电流保护使用的碳刷。第一把碳刷安装在发电机滑环室内，与上导轴领相接触；第二把碳刷安装在发电机滑环室内，与上导轴领处的内、外绝缘层间铜片相接触；第三把碳刷即大轴接地碳刷安装在水车室内，与发电机大轴相接触。

该厂轴电流保护装置采用德国进口SINEAX V604型可编程通用变送器检测轴承绝缘损伤程度，间接地起到轴电流保护作用，有别于常规的轴电流保护。SINEAX V604可编程通用变送器能够根据测量范围自动注入幅值为60?A至380?A自适应的恒定电流信号，测量端口电压来计算回路绝缘情况，实测装置开路电压不大于3.7V。装置配置多个信号指示灯，当绿灯闪动表明测量传感器开路，表示被测回路绝缘良好。如果测量电阻低于测量整定值，则指示灯变为常亮，指示被测回路绝缘下降。当监测到发电机上端轴和上导轴领之间的绝缘层电阻的变化，间接反映轴电流的大小及其对轴承、轴瓦的损伤程度。当可编程通用变送器的输入电阻值低于其整定值2.5KΩ，且持续时间大于1秒，则表明绝缘层的绝缘情况已经下降至一定程度，输出接点就会动作，并驱动发电机保护装置外部重动继电器，发电机保护就会发出报警信号，便于运行维护人员及时查找原因和排除故障，从而很好地起到了轴电流的保护作用。同时可编程通用变送器输出4～20mA的模拟量对应其输入量0～5KΩ的绝缘电阻值上送监控系统，便于运行人员通过监控系统画面实时监视轴承的绝缘情况。轴电流保护采用双套配置，两套装置的监测范围不同，其中A套可编程通用变送器所接入的是中间铜片和轴领碳刷的引线（监视外绝缘层），而B套可编程通用变送器所接入的是中间铜片和大轴接地碳刷的引线（监视内绝缘层）。当可编程通用变送器测量到不管是内绝缘层电阻下降还是外绝缘层电阻下降，都会驱动发电机保护装置外部重动继电器，发报警信号。双重化的配置保证了轴电流保护的安全可靠以及灵活性。此轴电流保护原理及接线较简单，变送器动作可靠性高，维护及调试也较方便（接线如下图）。

发电机轴电流保护原理

2 事件处理过程及原因分析

2.1事件经过

某号发电机保护B套报轴电流报警信号，5秒钟后报警复归。现场检查发电机保护B套装置面板的故障指示灯未点亮，查阅发电机保护B套“异常记录报告”项，内有“外部重动4信号、恢复正常”（即为轴电流报警信号）信息。检查发电机保护A套保护无故障信息。

2.2处理过程

发电机保护B套轴电流监测装置监测的是中间铜片和发电机大轴间的内绝缘层的绝缘电阻。检查发电机B套轴电流监测装置整定值、采样值、输出均工作正常；检查发电机B套轴电流监测装置至碳刷之间电缆的绝缘无异常；用数字兆欧表直流1000V档位测量大轴与轴领之间的绝缘层中间铜片对地绝缘：初始值为80MΩ，随后绝缘值一直下降不能稳定，进一步检查发现绝缘层中间铜片引出线上附有玻璃胶，玻璃胶表层粘满碳粉，极易造成绝缘层中间铜片对地绝缘不合格，清除玻璃胶、碳粉后，再测量绝缘层中间铜片对地绝缘为无穷大；继续排查发现水车室大轴接地碳刷接地不可靠，将大轴接地碳刷在发电机端子箱处可靠接地之后经过观察再也没有出现B套轴电流装置报警的现象。

2.3原因分析

（1）因绝缘层间铜片安装在发电机滑环室内，同时因发电机碳粉吸尘装置工作效果不佳，长时间运行导致大量碳粉堆积在铜片周围，导致内绝缘层的绝缘水平下降。对于碳粉吸尘装置效果不佳的机组，应将清扫励磁碳粉纳入日常定期工作或改造碳粉吸尘装置，以保持励磁滑环室良好工作环境。

（2）对于磁路和磁场状况不理想的机组而言，轴电压可能较高，所含谐波较大时，可能引起轴电流监测装置测量误差而误报警。必要时可对测量回路采用滤波措施，如在测量回路上并接滤波电容，消除谐波的影响。

（3）大轴接地碳刷接地不良会导致发电机大轴上产生的静电荷无法及时消除，影响轴电流监测装置正常工作而误报警。日常运行维护工作中加强对大轴接地碳刷的检查，保证碳刷在刷握中动作灵活，弹簧应压在碳刷中心位置，与大轴接触良好，同时接地可靠。

3 采取的防范措施

轴电流的存在对发电机组具有很大的危害性，它所造成的损伤如果没有被及时检测到，会给机组安全运行带来很多问题，并可能造成机组主要元件的严重破坏。针对此次轴电流保护报警所分析的原因，在现场采用如下防范措施：

（1）发电机大轴接地碳刷应可靠接地，并与发电机大轴可靠良好地接触，以释放积累电荷。已将该项目列入机组定检项目，保证发电机大轴可靠接地。

（2）对于碳粉吸尘装置效果不佳的机组，因发电机组长时间运行导致大量励磁碳粉堆积在铜片周围，导致绝缘层的绝缘水平下降。现已将清扫励磁碳粉纳入日常定期工作，并计划在年度机组C修对碳粉吸尘装置进行改造，以保持励磁滑环室良好工作环境。

（3）定期对轴承润滑油进行化验，保证油膜的绝缘强度满足要求，该项目已列入技术监控的重点项目。

（4）因轴电流保护在最初设计时只取了接点信号作为保护动作的开入，而没有模拟量输出至远程监控，导致运行人员无法对发电机上端轴和上导轴领之间的绝缘情况进行在线监视，一旦发生故障，也不利于作出准确的判断。现已对此轴电流变送器进行了专项改造。改造后，变送器输出4～20mA的模拟量对应其输入量0～5kΩ的绝缘电阻值，运行人员通过监控画面就可以实时监视轴承的绝缘情况，一方面便于及时发现问题，另一方面也弥补了单纯依靠接点动作判断轴承绝缘下降的不足。

3 结束语

本文简单介绍了发电机组轴电压产生的原因及其对发电机组运行的危害，详细介绍了SINEAX V604型可编程通用变送器检测轴承绝缘电阻的工作原理，通过一起轴电流误报警案例介绍了该类型轴电流装置报警检查的工作步骤和误报警的可能原因，针对轴电流形成的可能原因，在现场采取切实可行、行之有效的防范措施，从根本上消除轴电流形成的途径，为机组安全稳定运行提供保证，也为运行维护人员在日常维护该类型轴电流装置提供参考。

参考文献

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