水電機(jī)組軸電流保護(hù)誤動(dòng)原因的分析

劉小波， 傅麗文

（1.國(guó)電南自電力自動(dòng)化有限公司技術(shù)應(yīng)用中心， 南京 210061；2.閩東公司周寧水電廠， 福建 寧德 355400）

水電機(jī)組軸電流保護(hù)誤動(dòng)原因的分析

劉小波1， 傅麗文2

（1.國(guó)電南自電力自動(dòng)化有限公司技術(shù)應(yīng)用中心， 南京 210061；2.閩東公司周寧水電廠， 福建 寧德 355400）

發(fā)電機(jī)軸電流對(duì)機(jī)組危害較大，針對(duì)水電機(jī)組軸電流保護(hù)誤報(bào)警問(wèn)題，做了一定的分析和探討，提出了硬件、軟件相結(jié)合的濾波措施，以采樣基波作為保護(hù)判據(jù)，消除了低頻干擾，現(xiàn)場(chǎng)靜態(tài)、空載及負(fù)荷試驗(yàn)證明效果良好，解決了機(jī)組軸電流保護(hù)誤報(bào)警問(wèn)題。

水電站；軸電流；空間磁場(chǎng)；干擾；濾波

正常情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承間存在潤(rùn)滑油膜，能起到絕緣的作用。軸電壓較低時(shí)，軸電流也較小。但當(dāng)軸承底座絕緣墊因油污損壞或老化等原因失去絕緣性能且當(dāng)軸電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，軸電壓足以擊穿軸與軸承間的油膜而發(fā)生放電，軸電流將明顯增大，使軸瓦發(fā)生電蝕而損傷甚至毀壞， 并加速軸承潤(rùn)滑油的變質(zhì)老化[1-4]， 為此水電機(jī)組都設(shè)有軸電流保護(hù)。

福建周寧水電站 2 臺(tái)機(jī)組為 400 m 的混流式水輪發(fā)電機(jī)組， 單機(jī)容量 125MW， 軸電流保護(hù)集成在國(guó)電南自發(fā)變組保護(hù)裝置 801B 中。2005年4月投入運(yùn)行至今，軸電流保護(hù)一直運(yùn)行不正常，在空載和帶負(fù)荷工況下，軸電流二次輸出值均達(dá)到了 180～240mA 左右，使軸電流保護(hù)一直動(dòng)作。現(xiàn)場(chǎng)分析了可能產(chǎn)生軸電流原因，如磁場(chǎng)不平衡產(chǎn)生軸電壓、靜電感應(yīng)、外部電源的介入、 軸電流互感器（TA）故障等， 并采取了相應(yīng)措施，但效果都不理想。有必要查找軸電流產(chǎn)生的真正原因，從而采取相應(yīng)的解決措施。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 1， 2 號(hào)機(jī)組軸電流、 軸電壓的測(cè)量

軸電流檢測(cè) TA 的變比為 2/0.005 A， 二次輸出報(bào)警值整定為 5 mA，安裝在機(jī)組上機(jī)架中心體下部，亦即轉(zhuǎn)子和上機(jī)架中心體之間。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)不同工況下 2臺(tái)機(jī)軸電流二次輸出值，見(jiàn)表1，表2為 2號(hào)機(jī)組軸電壓實(shí)測(cè)結(jié)果。 因 TA 飽和倍數(shù)為 10 倍，而測(cè)試值達(dá)到了近 40 倍，說(shuō)明了二次軸電流確實(shí)存在。

由表1、 表2 可以看出： 1， 2 號(hào)機(jī)組帶滿負(fù)荷，在發(fā)變組保護(hù)屏處實(shí)測(cè)此時(shí)的軸電流：1號(hào)機(jī)組為 180 mA， 2 號(hào)機(jī)組為 220 mA， 在 2 號(hào)機(jī)組機(jī)端處測(cè)得的軸電壓為 480mV。

為了分析各種運(yùn)行狀態(tài)下的軸電流，分別在空轉(zhuǎn)和空載狀態(tài)下，錄取了軸電流波形。在空轉(zhuǎn)時(shí)， 軸電流為 12.5mA， 在空載時(shí)， 軸電流為 320 mA， 頻率主要為 7.1 Hz 和 14.2 Hz， 軸電壓約為480mV， 頻率為 50 Hz。

表1 1，2號(hào)發(fā)電機(jī)軸電流實(shí)測(cè)結(jié)果

表2 2號(hào)機(jī)組軸電壓實(shí)測(cè)結(jié)果

1.2 其他有關(guān)參數(shù)測(cè)量

（1）實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)主軸絕緣。 用萬(wàn)用表在發(fā)電機(jī)接地碳刷接線端子處檢測(cè)發(fā)電機(jī)主軸對(duì)地電阻：機(jī)組停機(jī)時(shí)，電阻值接近為 0；機(jī)組運(yùn)行時(shí),電阻值均大于1 MΩ。 由于機(jī)組下導(dǎo)軸承未采用絕緣隔離措施，停機(jī)時(shí)主軸與下導(dǎo)瓦直接接觸,故其電阻值接近為 0；機(jī)組運(yùn)行中，軸承瓦面油膜已建立，故其電阻值大于1 MΩ。機(jī)組檢修時(shí)，檢測(cè)上導(dǎo)軸承和推力軸承的絕緣也均滿足要求，可見(jiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)軸對(duì)地絕緣并無(wú)異常。

（2）機(jī)組轉(zhuǎn)軸剩磁檢測(cè)。 停機(jī)時(shí)在 1 號(hào)、 2 號(hào)機(jī)組的上導(dǎo)軸、下導(dǎo)軸和水導(dǎo)軸處使用吊線回形針測(cè)試其剩磁狀況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)主軸均有輕微吸附回形針現(xiàn)象，且2號(hào)機(jī)組主軸對(duì)回形針的吸力強(qiáng)于1號(hào)機(jī)組，轉(zhuǎn)軸剩磁檢測(cè)顯示轉(zhuǎn)軸存在磁化現(xiàn)象，但不嚴(yán)重。

（3）TA 周圍空間磁場(chǎng)。在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下， 利用制作的線圈對(duì)1號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)上導(dǎo)、下導(dǎo)空間磁場(chǎng)情況進(jìn)行了測(cè)量。在 TA 的固定架上加裝了 2個(gè)線圈，1個(gè)垂直安裝，1個(gè)水平安裝。在空載時(shí)上導(dǎo)處均感應(yīng)測(cè)得 7.1 Hz 的電壓， 而下導(dǎo)空間則沒(méi)有。 說(shuō)明 TA 處確實(shí)存在異常的空間磁場(chǎng)，而發(fā)電機(jī)下導(dǎo)處基本不存在類似的空間磁場(chǎng)。

2 軸電流產(chǎn)生原因分析

由上述現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析可知：

（1）發(fā)電機(jī)軸電流和軸電壓頻率不一致， 因此軸電流不可能是由工頻軸電壓引發(fā)的。

（2）實(shí)測(cè)軸電壓較小（0.48 V）， 同時(shí)， 機(jī)組在空轉(zhuǎn)、空載時(shí)轉(zhuǎn)軸絕緣良好，無(wú)法形成電流回路，而且機(jī)組檢修中軸瓦和絕緣油均未見(jiàn)異常，因此，機(jī)組不大可能出現(xiàn)較大的軸電流。

（3）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上導(dǎo)處 TA 的內(nèi)側(cè)， 有 2 根沿轉(zhuǎn)軸上下走向、 在轉(zhuǎn)軸圓周上呈約 103°夾角分布的勵(lì)磁引線，對(duì)軸電流監(jiān)測(cè)裝置有影響。發(fā)電機(jī)加勵(lì)后，勵(lì)磁回路將產(chǎn)生橫向分布的磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，并與 TA和空心線圈的磁回路相互作用， 在TA和空心線圈內(nèi)部極可能產(chǎn)生與轉(zhuǎn)頻或二倍轉(zhuǎn)頻一致的感應(yīng)電勢(shì)。下導(dǎo)處由于沒(méi)有類似勵(lì)磁引線的通電導(dǎo)體且離轉(zhuǎn)子較遠(yuǎn)，基本上不存在空間磁場(chǎng)，因而空心線圈測(cè)得的感應(yīng)電壓很小，且不存在轉(zhuǎn)頻成分。

由此推斷：大的一次軸電流不存在，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行不會(huì)構(gòu)成威脅， 而二次軸電流由 TA附近的空間磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生，軸電流保護(hù)裝置接于TA 二次側(cè)，由感應(yīng)產(chǎn)生的軸電流可能使保護(hù)誤發(fā)信號(hào)。

3 解決措施

3.1 可能的解決措施

（1）在發(fā)電機(jī)保護(hù)柜內(nèi)， 對(duì) TA 二次回路加裝信號(hào) 過(guò) 濾裝置 ， 濾 除 7.1 Hz 和 14.2 Hz 諧 波 分 量的低頻干擾信號(hào)， 并確保工頻 50 Hz及以上高頻信號(hào)進(jìn)入軸電流保護(hù)裝置，同時(shí)在軟件上進(jìn)行濾波和優(yōu)化。

（2）鑒于發(fā)電機(jī)下導(dǎo)處不存在空間干擾磁場(chǎng)，若將TA由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上部改裝到發(fā)電機(jī)下導(dǎo)軸承下部，可有效解決軸電流異常超標(biāo)問(wèn)題。

考慮到在 TA 二次側(cè)加裝濾波裝置更為方便， 選擇措施（1）， 采用軟/硬件相結(jié)合的濾波優(yōu)化措施。

3.2 硬件濾波

硬件濾波參考文獻(xiàn)[5]， 設(shè)計(jì) 1 個(gè)有源二階濾波通道，濾除低頻諧波分量，同時(shí)讓基波和三次諧波通道通過(guò)。該通道幅頻特性如圖1所示。

圖1 中， 基波對(duì) 7.1 Hz 諧波濾過(guò)比為 5/0.06= 84； 基波對(duì) 8 Hz 諧波濾過(guò)比為 5/0.066=76； 基波對(duì) 9 Hz 諧波濾過(guò)比為 5/0.07=72； 基波對(duì) 14.2 Hz諧波濾過(guò)比為 5/0.062=81； 基波增益為 7.5/5=1.5倍； 三次諧波增益為 6.16/5=1.2 倍。 由此可知： 通過(guò)該通道的低頻諧波量被很大程度地衰減。

圖1 濾波通道幅頻特性

要使得通道具有上述幅頻特性，輸入的電壓波形必須為正弦波，然而當(dāng)?shù)皖l信號(hào)通過(guò)普通TA 時(shí)， TA 飽和， 二次側(cè)電壓產(chǎn)生畸變， 從而使得輸入通道的電壓不再是正弦波，無(wú)法抑制低頻信號(hào)的同時(shí)，也產(chǎn)生了新的干擾。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)， 采用了能夠讓低頻信號(hào)通過(guò)的 TA。該 TA 動(dòng)態(tài)線性范圍廣、頻率范圍寬，能很好地滿足通道輸入波形的要求。

3.3 軟件濾諧

為了可靠地濾掉 7.1 Hz 和 14.1 Hz 諧波， 保護(hù)采用了以 7.1 Hz 為基波的傅氏算法。以 7.1 Hz為基波， 提取其 7 次諧波（50 Hz）分量。

對(duì)于全周傅氏算法[6-7]， 采 樣頻 率 為 600 Hz，則以 7.1 Hz 為基波的 7 次倍頻分量（50 Hz）的實(shí)部、虛部模值為：

式（1）、 式（2）的濾波特性如圖2 所示。 由于在現(xiàn)場(chǎng)檢查測(cè)試中，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)軸電流中存在35.5 Hz 的諧波分量， 因此， 該算法滿足要求。

由式（1）、 式（2）可知， 計(jì)算結(jié)果必須在故障后第 78個(gè)采樣值出現(xiàn)后才是準(zhǔn)確的， 所以該算法存在 0.128 s 的固有延時(shí)， 現(xiàn)場(chǎng)軸電流保護(hù)動(dòng)作于發(fā)信， 且延時(shí)整定為 10 s， 可以在延時(shí)整定中考慮補(bǔ)償此固有延時(shí)。

圖2 以 7.1 Hz 為基波的傅氏算法幅頻響應(yīng)

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)周寧水電站軸電流保護(hù)誤報(bào)警的問(wèn)題，對(duì)軸電流成因做了分析，提出了硬件、軟件相結(jié)合的濾波措施，以采樣基波和三次諧波作為保護(hù)判據(jù)，消除了低頻干擾。目前，已將上述解決措施落實(shí)于軸電流保護(hù)裝置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果較好，從而徹底解決了軸電流保護(hù)誤報(bào)警問(wèn)題。

[1]王 維 儉.電 氣 主 設(shè) 備 繼 電 保 護(hù) 原 理 與 應(yīng) 用[M].北 京 ∶中國(guó)電力出版社，2002.

[2]周建為.抽水蓄能機(jī)組軸電流保護(hù)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2003，27（1）∶68-69.

[3]田 葳 ， 李 樹(shù) 科.發(fā) 電 機(jī) 軸 電 流 的 危 害 及 防 范 措 施[J].電機(jī)技術(shù)，2004（24）∶28-29.

[4]寧 屹,寧 峻.發(fā) 電 機(jī) 上導(dǎo) 油 槽 油 色 變 黑 成 因 分 析 及 處 理[J].江西電力，2007，31（2）∶15-16.

[5]劉小波，包明磊．百萬(wàn)機(jī)組注入式定子接地保護(hù)的研究與 開(kāi) 發(fā)[C]//第 十 一 屆 全 國(guó) 保 護(hù) 和 控 制 學(xué) 術(shù) 研 討 會(huì) 論 文集．2007．

[6]謝 小 榮 ， 韓 英 鐸 ， 電 力 系 統(tǒng) 頻 率 測(cè) 量 綜 述[J].電 力 系 統(tǒng)自動(dòng)化，1999，3（3）∶1-10.

[7]胡志堅(jiān)，張承學(xué).濾除衰減非周期分量的微機(jī)保護(hù)算法研 究[J].電 網(wǎng) 技 術(shù) ，2001，25（3）∶7-11.

（本文編輯：楊 勇）

Cause Analysis on M aloperation of Shaft Current Protection of Hydropower Generating Units

LIU Xiao-bo1， FU Li-wen2
（1.Technical Application Center of Guodian Nanjing Automation Co.， Ltd， Nanjing 210061， China；2.Zhouning Hydropower PlantofMindong Electric Power Co.， Ltd， Ningde Fujian 355400， China）

The shaft current of generator does great harm to units.The paper analyzes and discusses on false alarm of shaft current protection of hydropower generating units and proposes a filteringmeasure which combines software with hardware.Themeasure takes the sampled fundamental wave as criteria for protection and eliminates the glitch.Themeasure turns out to be effective in field static test,no load test and load test and it can handle the false alarm of shaft current protection of units.

hydropower station； shaft-current； spacemagnetic field； interference； filtering

TK730.8

： B

： 1007-1881（2012）11-0042-03

2012-02-10

劉小波（1978-）， 男， 江蘇如東人， 工程師， 碩士，從事發(fā)電廠繼電保護(hù)開(kāi)發(fā)研究工作。