水電機組軸電流保護誤動原因的分析

劉小波， 傅麗文

（1.國電南自電力自動化有限公司技術應用中心， 南京 210061；2.閩東公司周寧水電廠， 福建 寧德 355400）

水電機組軸電流保護誤動原因的分析

劉小波1， 傅麗文2

（1.國電南自電力自動化有限公司技術應用中心， 南京 210061；2.閩東公司周寧水電廠， 福建 寧德 355400）

發電機軸電流對機組危害較大，針對水電機組軸電流保護誤報警問題，做了一定的分析和探討，提出了硬件、軟件相結合的濾波措施，以采樣基波作為保護判據，消除了低頻干擾，現場靜態、空載及負荷試驗證明效果良好，解決了機組軸電流保護誤報警問題。

水電站；軸電流；空間磁場；干擾；濾波

正常情況下，發電機轉軸與軸承間存在潤滑油膜，能起到絕緣的作用。軸電壓較低時，軸電流也較小。但當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軸電壓達到一定數值時，軸電壓足以擊穿軸與軸承間的油膜而發生放電，軸電流將明顯增大，使軸瓦發生電蝕而損傷甚至毀壞， 并加速軸承潤滑油的變質老化[1-4]， 為此水電機組都設有軸電流保護。

福建周寧水電站 2 臺機組為 400 m 的混流式水輪發電機組， 單機容量 125MW， 軸電流保護集成在國電南自發變組保護裝置 801B 中。2005年4月投入運行至今，軸電流保護一直運行不正常，在空載和帶負荷工況下，軸電流二次輸出值均達到了 180～240mA 左右，使軸電流保護一直動作。現場分析了可能產生軸電流原因，如磁場不平衡產生軸電壓、靜電感應、外部電源的介入、 軸電流互感器（TA）故障等， 并采取了相應措施，但效果都不理想。有必要查找軸電流產生的真正原因，從而采取相應的解決措施。

1 現場測試

1.1 1， 2 號機組軸電流、 軸電壓的測量

軸電流檢測 TA 的變比為 2/0.005 A， 二次輸出報警值整定為 5 mA，安裝在機組上機架中心體下部，亦即轉子和上機架中心體之間。現場實測不同工況下 2臺機軸電流二次輸出值，見表1，表2為 2號機組軸電壓實測結果。 因 TA 飽和倍數為 10 倍，而測試值達到了近 40 倍，說明了二次軸電流確實存在。

由表1、 表2 可以看出： 1， 2 號機組帶滿負荷，在發變組保護屏處實測此時的軸電流：1號機組為 180 mA， 2 號機組為 220 mA， 在 2 號機組機端處測得的軸電壓為 480mV。

為了分析各種運行狀態下的軸電流，分別在空轉和空載狀態下，錄取了軸電流波形。在空轉時， 軸電流為 12.5mA， 在空載時， 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號發電機軸電流實測結果

表2 2號機組軸電壓實測結果

1.2 其他有關參數測量

（1）實測發電機主軸絕緣。 用萬用表在發電機接地碳刷接線端子處檢測發電機主軸對地電阻：機組停機時，電阻值接近為 0；機組運行時,電阻值均大于1 MΩ。 由于機組下導軸承未采用絕緣隔離措施，停機時主軸與下導瓦直接接觸,故其電阻值接近為 0；機組運行中，軸承瓦面油膜已建立，故其電阻值大于1 MΩ。機組檢修時，檢測上導軸承和推力軸承的絕緣也均滿足要求，可見機組轉軸對地絕緣并無異常。

（2）機組轉軸剩磁檢測。 停機時在 1 號、 2 號機組的上導軸、下導軸和水導軸處使用吊線回形針測試其剩磁狀況，結果發現主軸均有輕微吸附回形針現象，且2號機組主軸對回形針的吸力強于1號機組，轉軸剩磁檢測顯示轉軸存在磁化現象，但不嚴重。

（3）TA 周圍空間磁場。在開機狀態下， 利用制作的線圈對1號機發電機上導、下導空間磁場情況進行了測量。在 TA 的固定架上加裝了 2個線圈，1個垂直安裝，1個水平安裝。在空載時上導處均感應測得 7.1 Hz 的電壓， 而下導空間則沒有。 說明 TA 處確實存在異常的空間磁場，而發電機下導處基本不存在類似的空間磁場。

2 軸電流產生原因分析

由上述現場測試分析可知：

（1）發電機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的。

（2）實測軸電壓較小（0.48 V）， 同時， 機組在空轉、空載時轉軸絕緣良好，無法形成電流回路，而且機組檢修中軸瓦和絕緣油均未見異常，因此，機組不大可能出現較大的軸電流。

（3）發電機轉子上導處 TA 的內側， 有 2 根沿轉軸上下走向、 在轉軸圓周上呈約 103°夾角分布的勵磁引線，對軸電流監測裝置有影響。發電機加勵后，勵磁回路將產生橫向分布的磁場。該磁場隨主軸一起旋轉，并與 TA和空心線圈的磁回路相互作用， 在TA和空心線圈內部極可能產生與轉頻或二倍轉頻一致的感應電勢。下導處由于沒有類似勵磁引線的通電導體且離轉子較遠，基本上不存在空間磁場，因而空心線圈測得的感應電壓很小，且不存在轉頻成分。

由此推斷：大的一次軸電流不存在，對機組安全運行不會構成威脅， 而二次軸電流由 TA附近的空間磁場感應產生，軸電流保護裝置接于TA 二次側，由感應產生的軸電流可能使保護誤發信號。

3 解決措施

3.1 可能的解決措施

（1）在發電機保護柜內， 對 TA 二次回路加裝信號 過 濾裝置 ， 濾 除 7.1 Hz 和 14.2 Hz 諧 波 分 量的低頻干擾信號， 并確保工頻 50 Hz及以上高頻信號進入軸電流保護裝置，同時在軟件上進行濾波和優化。

（2）鑒于發電機下導處不存在空間干擾磁場，若將TA由發電機轉子上部改裝到發電機下導軸承下部，可有效解決軸電流異常超標問題。

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

3.2 硬件濾波

硬件濾波參考文獻[5]， 設計 1 個有源二階濾波通道，濾除低頻諧波分量，同時讓基波和三次諧波通道通過。該通道幅頻特性如圖1所示。

圖1 中， 基波對 7.1 Hz 諧波濾過比為 5/0.06= 84； 基波對 8 Hz 諧波濾過比為 5/0.066=76； 基波對 9 Hz 諧波濾過比為 5/0.07=72； 基波對 14.2 Hz諧波濾過比為 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，然而當低頻信號通過普通TA 時， TA 飽和， 二次側電壓產生畸變， 從而使得輸入通道的電壓不再是正弦波，無法抑制低頻信號的同時，也產生了新的干擾。經過多次試驗， 采用了能夠讓低頻信號通過的 TA。該 TA 動態線性范圍廣、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）的實部、虛部模值為：

式（1）、 式（2）的濾波特性如圖2 所示。 由于在現場檢查測試中，并沒有發現軸電流中存在35.5 Hz 的諧波分量， 因此， 該算法滿足要求。

由式（1）、 式（2）可知， 計算結果必須在故障后第 78個采樣值出現后才是準確的， 所以該算法存在 0.128 s 的固有延時， 現場軸電流保護動作于發信， 且延時整定為 10 s， 可以在延時整定中考慮補償此固有延時。

圖2 以 7.1 Hz 為基波的傅氏算法幅頻響應

4 結語

針對周寧水電站軸電流保護誤報警的問題，對軸電流成因做了分析，提出了硬件、軟件相結合的濾波措施，以采樣基波和三次諧波作為保護判據，消除了低頻干擾。目前，已將上述解決措施落實于軸電流保護裝置，通過現場試驗，效果較好，從而徹底解決了軸電流保護誤報警問題。

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

[2]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，2003，27（1）∶68-69.

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

[4]寧 屹,寧 峻.發 電 機 上導 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．百萬機組注入式定子接地保護的研究與 開 發[C]//第 十 一 屆 全 國 保 護 和 控 制 學 術 研 討 會 論 文集．2007．

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

[7]胡志堅，張承學.濾除衰減非周期分量的微機保護算法研 究[J].電 網 技 術 ，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，從事發電廠繼電保護開發研究工作。