官地水力发电厂机组轴电流保护优化探讨

詹水秋

(雅砻江流域水电开发有限公司官地水力发电厂,四川 凉山 615704)

官地水力发电厂机组轴电流保护优化探讨

詹水秋

(雅砻江流域水电开发有限公司官地水力发电厂,四川 凉山 615704)

介绍轴电压、轴电流产生的机理及对机组产生的危害。介绍官地电厂轴电流CT安装情况并分析其弊端,介绍某电厂轴电流保护配置情况并分析其优势,提出解决问题的办法。

轴电压;轴电流;磁场;磁屏蔽

0 引言

由于同步发电机磁路的不对称,电机主轴上轴电压的产生不可避免。如果电机主轴通过轴承支架形成轴电流,将大大缩短电机轴承的使用寿命。官地电厂采用大轴CT的轴电流保护方式。轴电流CT安装在略高于转子的大轴上,轴电流CT接入哈尔滨华新电力电子设备厂生产的BZL-10C型轴电流继电器,通过轴电流继电器的日常监测,发现轴电流的数值较大,发电机正常运行时,轴电流已达到保护动作值,所以轴电流保护一直不能投入正常运行。

1 轴电压轴电流介绍

1.1 产生机理

同步发电机的磁路往往不对称,这种不对称通常是由于定子铁心组合缝、定子硅钢片接缝、定子与转子空气间隙不均匀造成的,在转子绕组匝间短路时发电机磁路更是不对称。发电机主轴在这种不对称磁场中旋转,会在其两端产生交流电压即轴电压,如果电机主轴两端轴承没有绝缘垫,或者转轴与轴承间绝缘油膜含有杂质超标,轴电压将击穿油膜而放电,这个电压就会通过电机两端轴承支架形成电流回路,这个电流叫轴电流[1]。

1.2 轴电流危害

轴电流对机组的影响主要在于对推力瓦和导轴承瓦的影响,如果轴电流CT测得的电流是大轴与接地碳刷和机架间形成的回路电流,说明大轴绝缘破损。在发电机运行过程中,如果在电机两轴承端或转轴与轴承间存在轴电流时,将会大大缩短电机轴承的使用寿命严重时只能运行几小时。

2 官地电厂轴电流保护

2.1 轴电流CT安装位置

目前,水轮发电机组常采用轴电流CT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。安装位置见图1、图2。

图1 常规轴电流CT安装示意图 图2官地轴电流CT安装示意图

2.2 轴电流保护使用情况

官地电厂某2台机组轴电流近一个月的监测数据(每周1次)如表1:

表1 官地电厂轴电流监测数据表

官地电厂发电机轴电流保护具有报警和跳闸功能,其定值为两段,第一段延时报警,第二段延时跳闸,轴电流报警值和跳闸值分别为0.5A、1.5A;通过长时间运行观察,发现发电机轴电压测量正常,大轴未见绝缘破损迹象,但机组轴电流数据在发电机正常运行时远高于定值,分别调整轴电流报警值和跳闸值为上限5A、10A后,轴电流数据仍略高于定值。官地电厂退出了轴电流保护功能。

3 原因分析

官地电厂轴电流CT安装于大轴上端部,受到较多的电磁干扰,测得的轴电流并不准确,使轴电流保护失去意义。三相同步电机模型见图3,轴电流CT周围磁场分布见图4。

图3 三相同步电机模型(P=1)

图4 轴电流CT周围磁场分布

由于定子铁心组合缝、定子硅钢片接缝、定子与转子空气间隙不均匀等原因,发电机的磁路往往不对称,发电机正常运行时转子始终在高速旋转状态下,所以穿过轴电流CT(闭合金属环)的磁通量在变化。

由于官地电厂轴电流CT处在转子励磁直流正负极之间,存在一定量的漏磁通会穿过轴电流CT,理论上正负极间磁场应相互抵消,但由于安装工艺局限性,不可能完全保证转子正负极与轴电流CT所在平面垂直,也不可能完全保证轴电流CT金属环的圆心在转子正负极的中间位置。从这一方面来说,穿过轴电流CT(闭合金属环)的磁通量也是在不断变化的。

由于轴电流CT周围产生的磁场不均匀,加上转子在转动过程中不可避免的有摆动现象,与转子机架连接的轴电流CT也会同时摆动,所以穿过轴电流CT的磁通量也是在不断变化。

综上所述,穿过轴电流CT的磁通量在机组停机或空载状态下不存在,所以在机组停机或空载状态下轴电流继电器测不到电流,这一点在轴电流日常监测数据表中可以得到验证;在机组带载运行时穿过轴电流CT的磁通量受到多方面的影响,磁通量在不断变化并且这种变化很复杂是非均匀的。根据,轴电流CT在机组带载运行时因电磁干扰将产生非均匀变化的感应电动势,产生的感应电流也是不断变化的,这种变化过快造成实际轴电流继电器测得的电流在跳变。

4 解决办法

4.1 更改轴电流CT安装位置

官地电厂假轴电流的产生是因为轴电流CT安装在略高于转子的位置,受到较多的电磁干扰。如果轴电流CT常规性地安装在水车室内大轴上,距离磁场源发电机更远,且发电机磁场经过水车室和发电机之间水泥墙的折反射,会得到削弱,轴电流CT受到的电磁干扰会大大减少。

4.2 磁屏蔽

4.2.1 建立模型

圆柱形导磁腔体具有明显的磁屏蔽作用,已得到科学论证,这里不再赘述。用作磁屏蔽的圆柱形导磁腔体如图5所示:

图5 圆柱形导磁腔体磁屏蔽示意图

导磁腔体材料的相对磁导率u越高,或导磁腔体越厚(即r1与r2的比值越小),则屏蔽效果越佳。

4.2.2 应用模型

用磁导率较高的材料(如硅钢片)做成较厚的圆柱形导磁腔体环绕着轴电流CT,可以较好地屏蔽轴电流CT周围的电磁干扰,达到磁屏蔽的较好效果。

4.3 轴电流保护原理改造

4.3.1 某电厂机组轴电流保护配置方法

某电厂发电机上部布置有推力轴承和上导轴承,在推力瓦、推力油盘盖板及上导轴承三处布置了绝缘垫,以防轴电流构成回路。为防止机组在正常运行时大轴所感应电动势过高而对瓦面放电,在下导下方设置一大轴接地碳刷。为尽量减少轴电流真正发生时对瓦面的影响,在推力盖板上方设置一大轴绝缘碳刷。由于瓦面上的油膜阻抗远远大于大轴的绝缘碳刷阻抗,当三处绝缘垫任一处绝缘破损时,轴电流就会通过大轴、绝缘碳刷、保护继电器、瓦架、破坏的绝缘垫、支架、接地碳刷、大地形成轴电流回路。这样既保护了瓦面、又可报警或跳闸。如图6所示:

图6 某电厂机组轴电流保护示意图

某电厂轴电流保护采用独立的电流继电器64SH,为一集成电路型三相二级式过流继电器,其一侧分别连接至推力轴承、推力盖板、上导轴承的绝缘部分,另一侧三相短接后作为一公共端连接到大轴的绝缘碳刷上。与通常所采用大轴CT的轴电流保护方式相比,其最大优点是可以避免CT二次侧输出受外界电磁干扰。当轴电流保护继电器64 SH检测到电流大于保护定值且经过一定延时后作用于报警、跳闸[2]。

4.3.2 类比改造

类比上述电厂轴电流保护配置方法,拆除轴电流CT,在大轴顶端安装一绝缘碳刷,更换原有BZL-10C型轴电流继电器为集成电路型两相二级式过流继电器。过流继电器一侧连接至推力轴承、上导轴承的绝缘部分,另一侧两相短接后作为一公共端连接到大轴的绝缘碳刷上。再将过流继电器的报警、跳闸回路接至机组非电量保护柜,实现轴电流保护报警、跳闸功能。

5 结束语

本人介绍了通常采用的大轴侧装有电流互感器的轴电流保护方式,并分析了其弊端。分析了官地水力发电厂轴电流CT安装位置的不合理性并尝试性地针对磁屏蔽问题提出解决办法。借鉴某电厂轴电流保护配置方法提出解决官地水力发电厂轴电流的问题。采用轴电流继电器对轴承的绝缘情况加以监视,它成为大型发电机组轴电流保护的发展方向,它最大优点就是可以避免因电流互感器二次侧电流受电磁干扰而带来的外界影响[1]。导轴承和推力轴承是水轮发电机组机械部分最关键的部件,为防止轴电流形成灼伤轴瓦,轴承绝缘必须可靠,轴承座与垫板把紧后测量电阻值应不低于1MΩ。轴承封盖前,应对轴承及轴瓦冷却管路、高压油顶起装置清扫和做耐压试验,并保证绝缘油质。安装测温传感器时,防止传感器外壳与轴承表面接触[3]。在轴电流测量误差较大的情况下还应做好轴电流数据的日常记录。

[1]赵九育.水电厂发电机组轴电流的危害及防范措施[J].民营科技,2012(8).

[2]曾 辉,张亚武.天荒坪电厂机组轴电流保护改进[J].水电站机电技术,2002(2).

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

TV743

B

1672-5387(2017)07-0082-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.025

2017-04-27

詹水秋(1989-),男,工程师,从事继电保护维护工作。