水輪發電機組軸電流保護誤報警分析與處理

蘇華利

摘要：通過一起水輪發電機軸電流保護誤報警的原因分析和處理，闡明了發電機長時間運行產生大量勵磁碳粉是發電機軸電流保護誤報警的主要原因。

關鍵詞：水輪發電機組；軸電流；接地碳刷；碳粉

中圖分類號： TK730 文獻標志碼 A

0引言

隨著發電機組單機容量的逐漸增大，軸電壓成為大型發電機采用靜止自并勵磁系統后的一個不容忽視的問題。軸電壓的波形具有復雜的諧波脈沖分量，對機組軸承油膜的絕緣很不利。當軸電壓未超過軸承油膜的破壞值時，軸電流非常小；若軸電壓超過軸承油膜的擊穿電壓時，則在軸承上形成很大的軸電流，即軸電流電弧將燒蝕軸承部件并使軸承的潤滑油老化，從而加速軸承的機械磨損，嚴重時會燒壞軸瓦，造成機組非計劃停運。軸電壓的產生原因有很多，如磁路不對稱、單極效應、電容電流、靜電效應、靜態勵磁系統、外殼、軸等的永久性磁化等。因此加強對機組軸電壓的測量或設置軸電流保護對發電機安全運行的是非常重要的。

1 軸電流保護及配置簡介

某電廠水輪發電機軸電流保護原理是監測發電機上端軸與上導軸領之間的絕緣電阻，即在發電機軸和上導軸領之間夾著內絕緣層、中間的銅片和外絕緣層。如果軸電壓足夠大并同時擊穿內、外絕緣層，就會形成自發電機軸、中間的銅片、上導軸領、軸瓦、軸承支架到機組底座的軸電流回路，此時軸電流引起的電弧會燒蝕軸承部件并使軸承的潤滑油老化從而加速軸承的機械磨損，同時軸電流會使發電機軸承等部件強烈磁化。因此只有內、外絕緣層同時擊穿后才能形成軸電流回路。為了監測發電機軸與銅片、銅片與軸領的之間絕緣電阻，共設有三把供發電機軸電流保護使用的碳刷。第一把碳刷安裝在發電機滑環室內，與上導軸領相接觸；第二把碳刷安裝在發電機滑環室內，與上導軸領處的內、外絕緣層間銅片相接觸；第三把碳刷即大軸接地碳刷安裝在水車室內，與發電機大軸相接觸。

該廠軸電流保護裝置采用德國進口SINEAX V604型可編程通用變送器檢測軸承絕緣損傷程度，間接地起到軸電流保護作用，有別于常規的軸電流保護。SINEAX V604可編程通用變送器能夠根據測量范圍自動注入幅值為60?A至380?A自適應的恒定電流信號，測量端口電壓來計算回路絕緣情況，實測裝置開路電壓不大于3.7V。裝置配置多個信號指示燈，當綠燈閃動表明測量傳感器開路，表示被測回路絕緣良好。如果測量電阻低于測量整定值，則指示燈變為常亮，指示被測回路絕緣下降。當監測到發電機上端軸和上導軸領之間的絕緣層電阻的變化，間接反映軸電流的大小及其對軸承、軸瓦的損傷程度。當可編程通用變送器的輸入電阻值低于其整定值2.5KΩ，且持續時間大于1秒，則表明絕緣層的絕緣情況已經下降至一定程度，輸出接點就會動作，并驅動發電機保護裝置外部重動繼電器，發電機保護就會發出報警信號，便于運行維護人員及時查找原因和排除故障，從而很好地起到了軸電流的保護作用。同時可編程通用變送器輸出4～20mA的模擬量對應其輸入量0～5KΩ的絕緣電阻值上送監控系統，便于運行人員通過監控系統畫面實時監視軸承的絕緣情況。軸電流保護采用雙套配置，兩套裝置的監測范圍不同，其中A套可編程通用變送器所接入的是中間銅片和軸領碳刷的引線（監視外絕緣層），而B套可編程通用變送器所接入的是中間銅片和大軸接地碳刷的引線（監視內絕緣層）。當可編程通用變送器測量到不管是內絕緣層電阻下降還是外絕緣層電阻下降，都會驅動發電機保護裝置外部重動繼電器，發報警信號。雙重化的配置保證了軸電流保護的安全可靠以及靈活性。此軸電流保護原理及接線較簡單，變送器動作可靠性高，維護及調試也較方便（接線如下圖）。

發電機軸電流保護原理

2 事件處理過程及原因分析

2.1事件經過

某號發電機保護B套報軸電流報警信號，5秒鐘后報警復歸。現場檢查發電機保護B套裝置面板的故障指示燈未點亮，查閱發電機保護B套“異常記錄報告”項，內有“外部重動4信號、恢復正常”（即為軸電流報警信號）信息。檢查發電機保護A套保護無故障信息。

2.2處理過程

發電機保護B套軸電流監測裝置監測的是中間銅片和發電機大軸間的內絕緣層的絕緣電阻。檢查發電機B套軸電流監測裝置整定值、采樣值、輸出均工作正常；檢查發電機B套軸電流監測裝置至碳刷之間電纜的絕緣無異常；用數字兆歐表直流1000V檔位測量大軸與軸領之間的絕緣層中間銅片對地絕緣：初始值為80MΩ，隨后絕緣值一直下降不能穩定，進一步檢查發現絕緣層中間銅片引出線上附有玻璃膠，玻璃膠表層粘滿碳粉，極易造成絕緣層中間銅片對地絕緣不合格，清除玻璃膠、碳粉后，再測量絕緣層中間銅片對地絕緣為無窮大；繼續排查發現水車室大軸接地碳刷接地不可靠，將大軸接地碳刷在發電機端子箱處可靠接地之后經過觀察再也沒有出現B套軸電流裝置報警的現象。

2.3原因分析

（1）因絕緣層間銅片安裝在發電機滑環室內，同時因發電機碳粉吸塵裝置工作效果不佳，長時間運行導致大量碳粉堆積在銅片周圍，導致內絕緣層的絕緣水平下降。對于碳粉吸塵裝置效果不佳的機組，應將清掃勵磁碳粉納入日常定期工作或改造碳粉吸塵裝置，以保持勵磁滑環室良好工作環境。

（2）對于磁路和磁場狀況不理想的機組而言，軸電壓可能較高，所含諧波較大時，可能引起軸電流監測裝置測量誤差而誤報警。必要時可對測量回路采用濾波措施，如在測量回路上并接濾波電容，消除諧波的影響。

（3）大軸接地碳刷接地不良會導致發電機大軸上產生的靜電荷無法及時消除，影響軸電流監測裝置正常工作而誤報警。日常運行維護工作中加強對大軸接地碳刷的檢查，保證碳刷在刷握中動作靈活，彈簧應壓在碳刷中心位置，與大軸接觸良好，同時接地可靠。

3 采取的防范措施

軸電流的存在對發電機組具有很大的危害性，它所造成的損傷如果沒有被及時檢測到，會給機組安全運行帶來很多問題，并可能造成機組主要元件的嚴重破壞。針對此次軸電流保護報警所分析的原因，在現場采用如下防范措施：

（1）發電機大軸接地碳刷應可靠接地，并與發電機大軸可靠良好地接觸，以釋放積累電荷。已將該項目列入機組定檢項目，保證發電機大軸可靠接地。

（2）對于碳粉吸塵裝置效果不佳的機組，因發電機組長時間運行導致大量勵磁碳粉堆積在銅片周圍，導致絕緣層的絕緣水平下降。現已將清掃勵磁碳粉納入日常定期工作，并計劃在年度機組C修對碳粉吸塵裝置進行改造，以保持勵磁滑環室良好工作環境。

（3）定期對軸承潤滑油進行化驗，保證油膜的絕緣強度滿足要求，該項目已列入技術監控的重點項目。

（4）因軸電流保護在最初設計時只取了接點信號作為保護動作的開入，而沒有模擬量輸出至遠程監控，導致運行人員無法對發電機上端軸和上導軸領之間的絕緣情況進行在線監視，一旦發生故障，也不利于作出準確的判斷。現已對此軸電流變送器進行了專項改造。改造后，變送器輸出4～20mA的模擬量對應其輸入量0～5kΩ的絕緣電阻值，運行人員通過監控畫面就可以實時監視軸承的絕緣情況，一方面便于及時發現問題，另一方面也彌補了單純依靠接點動作判斷軸承絕緣下降的不足。

3 結束語

本文簡單介紹了發電機組軸電壓產生的原因及其對發電機組運行的危害，詳細介紹了SINEAX V604型可編程通用變送器檢測軸承絕緣電阻的工作原理，通過一起軸電流誤報警案例介紹了該類型軸電流裝置報警檢查的工作步驟和誤報警的可能原因，針對軸電流形成的可能原因，在現場采取切實可行、行之有效的防范措施，從根本上消除軸電流形成的途徑，為機組安全穩定運行提供保證，也為運行維護人員在日常維護該類型軸電流裝置提供參考。

參考文獻

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