大藤峡水利枢纽水轮发电机轴电流异常情况分析处理

周精明，罗红云，吴义斌，陈 晗

（广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 桂平 537226）

1 概述

大藤峡水利枢纽拥有国内最大单机容量200 MW的轴流转桨式水轮发电机组，其中左岸厂房的3台（8号、7号、6号）机组已投产发电。机组主要设备有哈尔滨电机厂生产的SF 200-88/17200型水轮发电机，浙富公司生产的ZZ-LH-1040型水轮机转轮，机组调节方式为导叶、桨叶协联双重调节。大藤峡水利枢纽水轮发电机轴电流互感器安装在推力轴承和下导轴承之间，能有效减少转子磁场干扰。装设有专门的轴电流监测装置，通过轴电流互感器的精确感应能实时监测轴电流有效值、轴电流基波分量（50 Hz）幅值、轴电流三次谐波分量（150 Hz）幅值，并在数值异常时发出报警信号并实现轴电流保护。本文基于大藤峡水利枢纽机组轴电流异常的实际案例，对轴流转桨式水轮发电机组轴电流异常的情况进行检测与分析，得出造成轴电流异常的两种主要原因，并提出轴电流异常的防范措施。

2 轴电流产生机理及危害

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]。

正常情况下，发电机转子与轴承间存在油膜绝缘，较低的轴电压不会产生轴电流。但当轴承绝缘因损坏、老化等原因失去绝缘性能，轴电压会击穿轴承油膜并形成轴电流。发电机转子与外壳基座也会由于其他原因构成闭合回路、形成轴电流。由于该闭合回路阻抗极小，在轴电压的作用下，将会形成较大的轴电流，导致润滑和冷却的油质逐渐劣化，严重时会烧坏轴瓦，造成停机事故[2]。

3 轴电流异常情况

7号机组投产发电后，计算机监控系统上位机多次报出轴电流告警动作，轴电流告警设定值为5A，发电机保护盘柜中轴电流跳闸压板未投入。现场检查发现轴电流监测装置中轴电流有效值示数维持在4 A左右，仅在机组负荷变化时跳变几次，幅度大约为1～2 A，初步判断轴电流告警信号是由几次短暂跳变造成。6号机组首次升压过程中，计算机监控系统上位机持续报出轴电流告警动作，轴电流告警设定值为5 A，发电机保护盘柜中轴电流跳闸压板未投入。现场检查发现轴电流监测装置轴电流有效值示数为18.5 A，机端电压达到额定电压（15.75 kV)时，轴电流有效值示数稳定在14 A左右，已超过机组轴电流告警设定值5 A的2.8倍。为避免轴电流继续上升，需要找出轴电流产生的根源，并采取防范措施，确保机组运行的稳定性和安全性。

4 检测方法

针对大藤峡水利枢纽7号、6号机组存在的轴电流异常问题，结合机组实际运行情况对其进行检测，以对轴电流成因进行分析。

4.1 7号机组检测项目

4.1.1 绝缘电阻测量

7号机组在检修态时，分别测量轴绝缘铜丝网触点对大轴的绝缘电阻、轴绝缘铜丝网触点对滑转子的绝缘电阻、滑转子对大轴的绝缘电阻，分析绝缘电阻测值可知，这三者之间的绝缘均满足要求。数据见表1。

表1 绝缘电阻值

同时，测量7号机组大轴接地碳刷对地电阻值为0.2 Ω，证明接地碳刷接地良好。

4.1.2 轴电流测量

7号机组带负荷112 MW时，轴电流监测装置轴电流有效值示数为4.69 A，轴电流基波分量（50 Hz）幅值示数为1.35 A，轴电流三次谐波分量（150 Hz）幅值示数为2.75 A。测量接地碳刷接地处电流值为2.08 A。

4.2 6号机组检测项目

6号机组额定电压空载时，轴电流监测装置轴电流有效值示数为13.87 A，轴电流基波分量（50 Hz）幅值示数为3.55 A，轴电流三次谐波分量（150 Hz）幅值示数为10.18 A。测量接地碳刷接地处轴电流值为2.9 A。

6号机组带负荷128 MW时，轴电流监测装置轴电流有效值示数为19.81 A，轴电流基波分量（50 Hz）幅值示数为6.88 A，轴电流三次谐波分量（150 Hz）幅值示数为14.94 A。测量接地碳刷接地处轴电流值为4.3 A。

5 原因分析

大藤峡水利枢纽7号机组带负荷后，轴电流一般在2 A～5 A范围波动，偶尔出现跳变超过10 A。6号机组带128 MW负荷时，轴电流达到19.81 A。通过对机组运行情况了解和机组结构分析，以及对7号、6号机组一些针对性检测试验，分析得出大藤峡水利枢纽水轮发电机轴电流形成原因如下。

轴电流形成必须有两个条件，一个是存在电位差（转子上下产生的轴电压），另一个是存在电流回路。

5.1 轴电流回路

大藤峡水利枢纽水轮发电机轴电流互感器安装在接地碳刷上方、推力轴承和下导轴承之间，依据发电机总装图和水轮机主轴操作油管装配图，轴电流互感器能检测到的回路电流应为两条回路，即图1所示的内回路（回路②）和外回路（回路①）。

图1 轴电流产生等效电路图

内回路（回路②）由大轴外壁和水轮机主轴操作管路构成一个电阻回路，外回路（回路①）由大轴外壁和滑转子绝缘、油膜、油挡等与大地构成一个电容回路。

外回路（回路①）多处设置了防轴电流绝缘：轴与滑转子设轴绝缘、轴与油槽油挡设绝缘密封体、水轮机操作油管静止部分与上机架处设有绝缘、水轮机操作油管引出管路法兰位置设绝缘，外回路（回路①）上所设置的绝缘可以将轴电流回路阻断。滑转子和上导瓦之间的油膜也具有较好的绝缘性能，整个回路中，任何两个导体间绝缘都构成一个电容，如绝缘良好，整个回路的电流为电容电流，一般数值较小。如绝缘损坏，回路中可能同时存在电阻和电容电流，数值较大时，需要对绝缘进行修复，阻断电阻电流。

内回路（回路②）由大轴外壁和水轮机主轴操作油管构成轴电流回路，在这个回路里，操作油管有3处和大轴连接处未设绝缘，可由轴电压作用在回路中产生电阻电流。轴电流互感器只能测到大轴外壁流过的电流，而通过水轮机主轴操作油管流回的电流（指内回路②）由于大轴的屏蔽作用，互感器无法测得。同理，轴电压只产生在转子上下的大轴上，水轮机主轴操作油管由于大轴对磁场的屏蔽作用，是不产生轴电压的，故产生内外回路轴电流的电压是同一轴电压。

5.2 轴电流互感器监测电流

（1）内回路（回路②）的电阻电流；

（2）外回路（回路①）的电容电流；

（3）转子一点接地保护，注入式20 Hz的交流电轴电流监测装置不显示（轴电流监测装置只显示50 Hz和150 Hz）。

5.3 跳变原因

因为轴电压产生原因复杂、因素多，转子上下感应的轴电压不仅含有基波，还有高次谐波。而且，轴电压波形电压还有跳变峰值，相对应电阻电流和电容电流也发生跳变。另外也可能存在与轴接触的部件所设绝缘有虚接或动静部件轻微刮碰的现象。电阻电流和电容电流公式分别为：

式中：u—轴电压；R—回路电阻。

式中：f—频率；U—电容电压；C—电容。

产生电阻电流和电容电流的电压（轴电压）是同一个电压。

6 处理措施

（1）由于机组运行，防轴电流所设置的绝缘不能全部检测，不排除有个别绝缘性能差，可在机组检修期对各处绝缘进行检测。

1）机组停机时，需检查图2各处绝缘是否有问题。如绝缘电阻满足要求，可将轴电流监测装置中一级报警值设定为8 A,二级报警值设定为15 A；

2）停机时，需检查水轮机主轴操作油管转动部分与固定部分间隙，排查是否可能在机组运行时转动部分与固定部分虚连接，引起轴电流跳变；

（2）根据大藤峡水利枢纽机组的结构特点，建议将轴电流互感器安装在接地碳刷处，监测流过上导轴承油膜的电容电流(可能造成破坏油膜的电流)。

（3）根据大藤峡水利枢纽机组结构特点，大轴外壁和水轮机主轴操作油管间存在较大电阻电流。由于轴电流互感器安装位置(在下导轴承和推力轴承之间)还有部分电阻电流没测到，为降低内回路②的电阻电流，建议在水轮机主轴操作管路与发电机大轴连接处加装绝缘。

（4）若要轴电流互感器能真实反应会影响水轮发电机的轴电流值，需要断开内回路②，内回路断开的方法是在顶轴和受油器连接处设置绝缘垫。

图2 绝缘检测位置

7 结论

综上所述，本文结合实际案例，深入分析了大藤峡水利枢纽水轮发电机轴电流异常原因及检测方法，分析结果表明，水轮发电机轴电流在运行中是客观存在的，很难从根本上得到有效控制[3]。轴流转桨式水轮发电机组轴电流异常的主要原因有2种，1种是由大轴外壁和大轴内部操作管路构成电阻回路形成轴电流；第2种是由大轴外壁和滑转子绝缘、油膜及油挡等与大地构成电容回路形成轴电流。其中由大轴外壁和滑转子绝缘、油膜及油挡等与大地构成电容回路形成的轴电流才有可能破坏轴承油膜，严重时会烧坏轴瓦。在具体处理中，可根据轴电流形成的原因，从绝缘检测及修复、更改轴电流互感器位置、受油器绝缘阻断3个方面来考虑，确保轴流转桨式水轮发电机组安全稳定运行。