一種大型水輪發電機組軸電流在線監測分析系統

楊海英，劉立春，吳 桃

（國能大渡河枕頭壩發電有限公司，樂山 614000）

在大型水輪發電機組長期運行期間，軸承的絕緣性能下降，將產生較大的軸電流以及相對較高的軸電壓。軸承表面的軸電流密度超過0.2 A/cm2，會對軸瓦造成電腐蝕、油膜損壞、軸瓦發熱以及一系列設備隱患，危及機組的安全穩定運行。因此，安全可靠的軸流保護裝置在大型水電機組保護中非常重要。傳統的軸電流在線監測系統直接對發電機軸電流基波和三次諧波振幅進行采樣，當軸電流測量值超過設定的保護閾值時，采取保護措施。但只應用在故障發生后，仍然對發電機的安全運行構成威脅。而ATZDL-901 軸電流在線監測分析系統可以進一步提升保護動作功能。

軸電流在線監測裝置將實時采樣的軸電流測值上傳至后臺數據處理軟件，記錄軸電流歷史曲線，并對該數據曲線進行趨勢分析；同時高速、高密度采集軸電流、軸電壓，提高電流、電壓波形的置信系數，在對軸電壓信號進行高速、高精度采樣后，通過傅里葉算法對軸電壓信號進行高次諧波分解運算，用于后期數據分析處理；實時判斷出軸電流異常并及時給出告警輸出，該系統后臺數據處理系統采用FFT 等算法，并提出一套自學習預報算法，通過對集中收到的數據進行完整頻譜分析以及中長期趨勢分析，對軸電流和軸電壓歷史數據的學習處理，分析水輪機運行工況，從而在發現軸電流存在異常趨勢時及時發出預警。

1 軸電流對發電機組的影響

水輪發電機組大軸與軸承之間的潤滑油膜有著很重要的絕緣作用，正常情況下，在油膜的作用下，機組不會產生軸電流，而一旦油膜破壞失去絕緣性能，就會產生很大的軸電流。例如，當軸承底座絕緣墊出現產生油污、老化或者損壞等一系列情況時，會嚴重影響潤滑油膜的絕緣性能，導致絕緣性能降低或消失。當軸電壓高到擊穿轉軸與軸承之間的油膜后，會發生放電現象，由于油膜、轉軸、軸承座及基礎等回路阻抗極小，導致電流增大，并在軸與軸瓦形成金屬性接觸的瞬間產生灼傷，甚至可達到上千安。這種情況將嚴重危及機組的運行安全。軸電流的電解作用可以使潤滑油碳化，油膜的絕緣性能在潤滑油進入熔化的金屬微顆粒之后有一定程度的降低，從而進一步加速電火花的擴展、侵蝕，碳化物和熔化后的金屬微粒會造成潤滑系統污染，在一系列的連環作用下，油的潤滑性能將會變差，軸承溫度將會升高，導致軸瓦在軸承機械嚴重磨損下燒壞，造成事故停機，大大縮短相關設備的使用壽命，這些都將給生產現場帶來極大的安全隱患和負面影響。因此需對軸電流、軸電壓進行實時在線監測，以保證機組的安全運行。

2 軸電流產生的原因

水輪發電機組的轉軸在轉動的過程中[1-3]，必定會在不對稱的磁場中旋轉，產生此種不對稱磁場的原因有很多，例如，磁場中心與大軸中心不一致，轉子磁極線圈短路等很多因素都有可能會產生不對稱磁場。在該不對稱磁場的作用下，轉軸的兩端會產生感應電勢，也就是軸電壓。如果轉軸兩端軸承沒有具備良好絕緣性能的介質，例如絕緣墊、絕緣油膜，電機兩端軸承支架就會在軸電壓的作用下形成電流回路，也就是軸電流。

軸電壓產生的原因主要可分為以下2 種情況：

（1）存在軸向漏磁；

（2）發電機轉軸在旋轉時，切割不平衡的磁通。

造成發電機磁場不平衡，形成軸電壓的原因主要有以下3 種情況：

（1）勵磁回路接地或轉子繞組匝間短路；

（2）由于制造工藝或者安裝工藝等因素產生的氣隙不對稱、磁路不均衡；

（3）發電機發生不對稱短路。當發電機內外部發生不對稱短路時，感應電流會產生在定子繞組的短路部分，阻止合成磁通通過短路繞組所在的定子區域，然而，未短路部分正常通磁，這種作用和定子磁路不對稱性質差不多，主要是形成軸向以基頻為主的交變磁通。但是，如果機組定子繞組引出線位于發電機長度方向的兩側，那么不對稱的外部短路也很有可能產生軸電壓。

3 軸電流在線監測分析系統

3.1 軸電流保護功能

ATZDL-901 軸電流在線監測裝置通過對軸電流互感器采集到的軸電流信號進行諧波提取算法，提取出軸電流的三次諧波和基波幅值大小來檢測軸承的絕緣情況。當電流基波或三次諧波測值超過設置的閾值則裝置保護動作開出，以此來保護電機軸承，避免軸承的損壞。

當電機內部干擾磁場比較強，并且互感器內部存在三次諧波分量時，裝置將會自動判別基波和三次諧波作為保護動作依據，從而保證裝置能安全、穩定工作。當電機內部磁場干擾特別小，并且二軸電流內部又沒有存在諧波干擾時，該軸電流在線監測裝置以基波電流幅值作為保護動作依據。因電樞磁場的不對稱分布將在大軸產生感應電壓，軸電壓中包含了大量的高次諧波。裝置會采集軸電壓信號并計算分析其各高次諧波信息，配合后臺分析的自學習預報算法，分析出軸電壓的狀態趨勢，以便盡早發現問題，在其未對軸承產生危害前處理掉可能出現的問題，防患于未然，保證機組安全可靠運行。

3.2 ATZDL-901 軸電流在線監測裝置

ATZDL-901 裝置硬件結構如圖1 所示，核心控制部分均采用先進的嵌入式系統設計，該裝置的所有功能板均采用插件式設計，軟件功能也可以根據各現場控制要求靈活配置。主要由軸電流在線監測裝置和后臺數據分析處理軟件兩大部分組成。

圖1 ATZDL-901 裝置硬件結構Fig.1 Hardware structure of ATZDL-901 device

（1）軸電流在線監測分析裝置

為了對軸電壓、軸電流進行高精度高速率的采樣和控制運算，裝置由可編程邏輯陣列FPGA、數字信號處理芯片DSP 和16 位AD 芯片等組成。FPGA芯片主要負責AD 芯片的采樣控制邏輯，開關按鍵控制邏輯、控制邏輯等。DSP 芯片則完成對實時數據的基波和三次諧波的濾波運算，人機界面的顯示控制、參數的設置存儲以及與上位機的數據通訊控制。

ATZDL-901 軸電流在線監測裝置配置有友好的人機界面，可實時顯示當前軸電壓、軸電流基波和三次諧波的幅值，可以方便的對報警閾值、通訊參數等進行設置。裝置配有對應于軸電壓和軸電流的4～20 mA 的模擬量的輸出，以便監控系統的采集監控。

（2）后臺數據分析處理軟件

裝置的后臺數據分析處理軟件基于國產Linux操作系統的后臺數據處理系統，采用國際標準的通信規范及數據模型，實現系統的開放、可擴展。通過專用數據網絡接收各個在線監測分析裝置原始數據，實時計算分析，一旦發現異常，即時告警。同時，ATZDL-901 軸電流在線監測裝置還具備直觀統一的人機圖形界面，清晰展現以下數據信息：

1）4 個機組的實時軸電流基波顯示；

2）4 個機組的實時軸電流三次諧波顯示；

3）4 個機組的軸電流基波月波形圖顯示；

4）4 個機組的軸電流三次諧形月波形圖顯示；

5）異常數據提示。

（3）功能配置

系統軟件采用專用的大數據分析算法，從長期積累數據中分析水輪機組運行工況，發掘其變化趨勢，給出相應處理意見。同時，ATZDL-901 軸電流在線監測裝置為滿足各種生產現場控制要求，其核心控制部分采用先進的嵌入式系統設計，裝置各功能板采用插件式設計。具體功能配置如下：

1）保護功能

具備實時報警、動作功能，設置有一級和二級報警功能，可根據定值設置的動作依據（電流的基波或三次諧波）和動作閾值進行保護動作。當裝置保護動作時，裝置會記錄實時的電流數據、電壓數據和保護動作狀態，并可進行可視化操作分析，最多存儲10 條保護動作波形數據。

2）試驗功能

為了方便現場調試，在裝置的試驗模式下，裝置會輸出可調節的交流試驗電流，將此試驗電流接入到互感器的試驗繞組用于裝置采集和功能的檢測。該功能必須讓裝置處于試驗模式，在該模式下調節裝置背部的旋鈕即可調節輸出電流的大小。

3）測控功能

裝置支持1 路軸電流和1 路軸電壓的采樣；支持6 路開關量輸入、輸出；2 路4～20 mA 模擬量輸出，分別對應著電流和電壓幅值，比例可靈活設置。

4）輔助功能

完善的自檢功能，當裝置在自檢期間檢測到裝置故障，裝置會閉鎖所有的開出和保護動作等功能模塊，并記錄故障信息，同時發送遠方報警信號；完善的事件記錄功能，可記錄裝置各操作信息、狀態信息、動作信息和報警信息等，最多可存儲64 條事件信息，事件信息存滿后裝置會自動覆蓋最早的事件信息來進行循環存儲，并可追溯；波形記錄功能，記錄每次軸電流保護動作時的電流數值、動作狀態和電壓波形，用于動作響應的事后分析，可追溯；使用4.3 寸TFT 液晶屏和多按鍵構成的友善的人機接口。

5）通信功能

裝置可通過1 個RS485 通訊接口用于與后臺系統進行數據通信，使用Modbus 通訊協議；在實際應用中可方便快捷的實現與計算機監控系統或綜合數據平臺系統的通訊及數據交互。

4 在線監測分析系統技術指標

ATZDL-901 軸電流軸電壓在線監測分析裝置的技術指標參數如下：

（1）工作電壓：220 V DC/AC±20% 50 Hz。

（2）RS485 接口：Modbus 規約，波特率可編程。

（3）模擬量輸出：軸電流監測裝置至少有2 路4～20 mA 的模擬量輸出，即一路軸電流模擬量輸出、一路軸電壓模擬量輸出。

（4）電磁干擾：滿足廠站現場的電磁干擾能力，軸電流監測裝置附近1 m 使用對講機不對裝置造成干擾。

（5）數據采集：采用“就近采集，通訊上送”的原則，將采集到的數據實時傳送至服務器系統。

（6）技術指標類型及相關參數如表1 所示。

表1 試驗類型及相關參數Tab.1 Test types and related parameters

（7）測控功能參數如表2 所示。

表2 測控功能參數Tab.2 Measurement and control function parameters

5 結語

水輪發電機在正常運行的過程中，軸電壓是無法避免、難以更改并一直存在的，主要是因為發電機本身的結構設計和制造工藝，一旦完成制造，其軸電壓也基本確定，而對于機組軸承來說，軸電流的存在對其有比較大的負面影響，破壞性較強。因此，采用新型軸電流在線監測分析系統對軸承的絕緣情況加以實時監測、運算、分析，進一步提升機組安全運行穩定性，已經成為大型水輪發電機組軸電流保護的必然發展方向。

因為電磁以及負載電流變化等外界因素很容易干擾到電流互感器二次側電流值。大多數情況下，水輪發電機組軸電流保護主要是采用大軸側裝有交流互感器的軸電流保護方式。與之相比較，ATZDL-901 軸電流在線監測分析裝置最大優點就是可以在一定程度上避免或減小這種干擾，可以實時判斷出軸電流異常并及時給出告警輸出，讓運行和維護人員可以及時發現設備異常。根據生產現場設備實際運行情況，進一步分析、判斷軸電流保護動作的原因，并根據不同的故障原因采取相應的處置措施，及時處理，從而避免事故的擴大，避免機組因燒瓦等方面發生的非停事件或者造成的人身設備事故有著極其重大的意義，進一步保障了生產一線人員和設備的安全，為機組安全經濟運行提供保證。