官地水力發電廠機組軸電流保護優化探討

詹水秋

(雅礱江流域水電開發有限公司官地水力發電廠,四川 涼山 615704)

官地水力發電廠機組軸電流保護優化探討

詹水秋

(雅礱江流域水電開發有限公司官地水力發電廠,四川 涼山 615704)

介紹軸電壓、軸電流產生的機理及對機組產生的危害。介紹官地電廠軸電流CT安裝情況并分析其弊端,介紹某電廠軸電流保護配置情況并分析其優勢,提出解決問題的辦法。

軸電壓;軸電流;磁場;磁屏蔽

0 引言

由于同步發電機磁路的不對稱,電機主軸上軸電壓的產生不可避免。如果電機主軸通過軸承支架形成軸電流,將大大縮短電機軸承的使用壽命。官地電廠采用大軸CT的軸電流保護方式。軸電流CT安裝在略高于轉子的大軸上,軸電流CT接入哈爾濱華新電力電子設備廠生產的BZL-10C型軸電流繼電器,通過軸電流繼電器的日常監測,發現軸電流的數值較大,發電機正常運行時,軸電流已達到保護動作值,所以軸電流保護一直不能投入正常運行。

1 軸電壓軸電流介紹

1.1 產生機理

同步發電機的磁路往往不對稱,這種不對稱通常是由于定子鐵心組合縫、定子硅鋼片接縫、定子與轉子空氣間隙不均勻造成的,在轉子繞組匝間短路時發電機磁路更是不對稱。發電機主軸在這種不對稱磁場中旋轉,會在其兩端產生交流電壓即軸電壓,如果電機主軸兩端軸承沒有絕緣墊,或者轉軸與軸承間絕緣油膜含有雜質超標,軸電壓將擊穿油膜而放電,這個電壓就會通過電機兩端軸承支架形成電流回路,這個電流叫軸電流[1]。

1.2 軸電流危害

軸電流對機組的影響主要在于對推力瓦和導軸承瓦的影響,如果軸電流CT測得的電流是大軸與接地碳刷和機架間形成的回路電流,說明大軸絕緣破損。在發電機運行過程中,如果在電機兩軸承端或轉軸與軸承間存在軸電流時,將會大大縮短電機軸承的使用壽命嚴重時只能運行幾小時。

2 官地電廠軸電流保護

2.1 軸電流CT安裝位置

目前,水輪發電機組常采用軸電流CT對軸電流進行實時監測,并依據其精確感應出的基波軸電流和三次諧波軸電流來設置保護。安裝位置見圖1、圖2。

圖1 常規軸電流CT安裝示意圖 圖2官地軸電流CT安裝示意圖

2.2 軸電流保護使用情況

官地電廠某2臺機組軸電流近一個月的監測數據(每周1次)如表1:

表1 官地電廠軸電流監測數據表

官地電廠發電機軸電流保護具有報警和跳閘功能,其定值為兩段,第一段延時報警,第二段延時跳閘,軸電流報警值和跳閘值分別為0.5A、1.5A;通過長時間運行觀察,發現發電機軸電壓測量正常,大軸未見絕緣破損跡象,但機組軸電流數據在發電機正常運行時遠高于定值,分別調整軸電流報警值和跳閘值為上限5A、10A后,軸電流數據仍略高于定值。官地電廠退出了軸電流保護功能。

3 原因分析

官地電廠軸電流CT安裝于大軸上端部,受到較多的電磁干擾,測得的軸電流并不準確,使軸電流保護失去意義。三相同步電機模型見圖3,軸電流CT周圍磁場分布見圖4。

圖3 三相同步電機模型(P=1)

圖4 軸電流CT周圍磁場分布

由于定子鐵心組合縫、定子硅鋼片接縫、定子與轉子空氣間隙不均勻等原因,發電機的磁路往往不對稱,發電機正常運行時轉子始終在高速旋轉狀態下,所以穿過軸電流CT(閉合金屬環)的磁通量在變化。

由于官地電廠軸電流CT處在轉子勵磁直流正負極之間,存在一定量的漏磁通會穿過軸電流CT,理論上正負極間磁場應相互抵消,但由于安裝工藝局限性,不可能完全保證轉子正負極與軸電流CT所在平面垂直,也不可能完全保證軸電流CT金屬環的圓心在轉子正負極的中間位置。從這一方面來說,穿過軸電流CT(閉合金屬環)的磁通量也是在不斷變化的。

由于軸電流CT周圍產生的磁場不均勻,加上轉子在轉動過程中不可避免的有擺動現象,與轉子機架連接的軸電流CT也會同時擺動,所以穿過軸電流CT的磁通量也是在不斷變化。

綜上所述,穿過軸電流CT的磁通量在機組停機或空載狀態下不存在,所以在機組停機或空載狀態下軸電流繼電器測不到電流,這一點在軸電流日常監測數據表中可以得到驗證;在機組帶載運行時穿過軸電流CT的磁通量受到多方面的影響,磁通量在不斷變化并且這種變化很復雜是非均勻的。根據,軸電流CT在機組帶載運行時因電磁干擾將產生非均勻變化的感應電動勢,產生的感應電流也是不斷變化的,這種變化過快造成實際軸電流繼電器測得的電流在跳變。

4 解決辦法

4.1 更改軸電流CT安裝位置

官地電廠假軸電流的產生是因為軸電流CT安裝在略高于轉子的位置,受到較多的電磁干擾。如果軸電流CT常規性地安裝在水車室內大軸上,距離磁場源發電機更遠,且發電機磁場經過水車室和發電機之間水泥墻的折反射,會得到削弱,軸電流CT受到的電磁干擾會大大減少。

4.2 磁屏蔽

4.2.1 建立模型

圓柱形導磁腔體具有明顯的磁屏蔽作用,已得到科學論證,這里不再贅述。用作磁屏蔽的圓柱形導磁腔體如圖5所示:

圖5 圓柱形導磁腔體磁屏蔽示意圖

導磁腔體材料的相對磁導率u越高,或導磁腔體越厚(即r1與r2的比值越小),則屏蔽效果越佳。

4.2.2 應用模型

用磁導率較高的材料(如硅鋼片)做成較厚的圓柱形導磁腔體環繞著軸電流CT,可以較好地屏蔽軸電流CT周圍的電磁干擾,達到磁屏蔽的較好效果。

4.3 軸電流保護原理改造

4.3.1 某電廠機組軸電流保護配置方法

某電廠發電機上部布置有推力軸承和上導軸承,在推力瓦、推力油盤蓋板及上導軸承三處布置了絕緣墊,以防軸電流構成回路。為防止機組在正常運行時大軸所感應電動勢過高而對瓦面放電,在下導下方設置一大軸接地碳刷。為盡量減少軸電流真正發生時對瓦面的影響,在推力蓋板上方設置一大軸絕緣碳刷。由于瓦面上的油膜阻抗遠遠大于大軸的絕緣碳刷阻抗,當三處絕緣墊任一處絕緣破損時,軸電流就會通過大軸、絕緣碳刷、保護繼電器、瓦架、破壞的絕緣墊、支架、接地碳刷、大地形成軸電流回路。這樣既保護了瓦面、又可報警或跳閘。如圖6所示:

圖6 某電廠機組軸電流保護示意圖

某電廠軸電流保護采用獨立的電流繼電器64SH,為一集成電路型三相二級式過流繼電器,其一側分別連接至推力軸承、推力蓋板、上導軸承的絕緣部分,另一側三相短接后作為一公共端連接到大軸的絕緣碳刷上。與通常所采用大軸CT的軸電流保護方式相比,其最大優點是可以避免CT二次側輸出受外界電磁干擾。當軸電流保護繼電器64 SH檢測到電流大于保護定值且經過一定延時后作用于報警、跳閘[2]。

4.3.2 類比改造

類比上述電廠軸電流保護配置方法,拆除軸電流CT,在大軸頂端安裝一絕緣碳刷,更換原有BZL-10C型軸電流繼電器為集成電路型兩相二級式過流繼電器。過流繼電器一側連接至推力軸承、上導軸承的絕緣部分,另一側兩相短接后作為一公共端連接到大軸的絕緣碳刷上。再將過流繼電器的報警、跳閘回路接至機組非電量保護柜,實現軸電流保護報警、跳閘功能。

5 結束語

本人介紹了通常采用的大軸側裝有電流互感器的軸電流保護方式,并分析了其弊端。分析了官地水力發電廠軸電流CT安裝位置的不合理性并嘗試性地針對磁屏蔽問題提出解決辦法。借鑒某電廠軸電流保護配置方法提出解決官地水力發電廠軸電流的問題。采用軸電流繼電器對軸承的絕緣情況加以監視,它成為大型發電機組軸電流保護的發展方向,它最大優點就是可以避免因電流互感器二次側電流受電磁干擾而帶來的外界影響[1]。導軸承和推力軸承是水輪發電機組機械部分最關鍵的部件,為防止軸電流形成灼傷軸瓦,軸承絕緣必須可靠,軸承座與墊板把緊后測量電阻值應不低于1MΩ。軸承封蓋前,應對軸承及軸瓦冷卻管路、高壓油頂起裝置清掃和做耐壓試驗,并保證絕緣油質。安裝測溫傳感器時,防止傳感器外殼與軸承表面接觸[3]。在軸電流測量誤差較大的情況下還應做好軸電流數據的日常記錄。

[1]趙九育.水電廠發電機組軸電流的危害及防范措施[J].民營科技,2012(8).

[2]曾 輝,張亞武.天荒坪電廠機組軸電流保護改進[J].水電站機電技術,2002(2).

[3]周建為.抽水蓄能機組軸電流保護[J].水電自動化與大壩監測,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,工程師,從事繼電保護維護工作。