大型水輪發電機組大軸絕緣監測應用研究

王 林，毛 健，李新田

（向家壩水力發電廠，四川 宜賓 644612）

1 軸電壓的產生及其危害

由于定、轉子之間的氣隙不均勻以及定子鐵芯的局部磁阻較大、磁路不對稱等原因，導致發電機的定子磁場存在不平衡，這會使得水輪發電機的轉子上產生與軸相交的交變磁通和軸向的感應電勢，即軸電壓[1]。對于水輪發電機，由于機組轉速不高，且通過設計制造和安裝單位對機組安裝質量的控制，機組正常運行時該感應電勢對地不會太高，發電機上端軸軸電壓一般不超過2～3 V，某大型電站機組的軸電壓也大致處于這一水平。僅某大型電站個別機型因定子磁路設計上的問題，軸電壓偏高，峰值甚至達數十V。

在波形特征上，軸電壓諧波特征明顯，但起主要作用的是基波與三次諧波[2]。以某大型電站機型為例，通過FFT分析，（如圖1、2）當機端電壓為額定時，三次諧波占整個電壓比例的一半以上。隨著機端電壓的下降，高次諧波比重加大，如電壓為40%Un時，15次諧波成主要成分，這說明軸電壓的性質與轉速有關系。

盡管軸電勢數值不大，但在發電機內部各種交變的脈沖磁場的作用下，其峰值卻很高（如圖1）。由于轉子軸內電阻很小，且一般軸承與大軸間只有不到1 mm的油膜間隙，如軸領與大軸間絕緣破壞，它將在軸電壓的作用下，沿軸承和底板形成的閉合回路，對軸瓦擊穿放電，軸電流可達很大數值（數百到數千安培），對軸瓦造成電氣侵蝕，同時使潤滑油劣化進一步惡化軸瓦的運行環境。導致油質劣化，軸承震動增大，軸瓦燒傷等事故。從某種意義上講，軸瓦的破壞程度取決于軸電流的幅值和作用時間；從運行角度來講，運行人員需要隨時或提前知道軸電流的變化或軸承絕緣的損壞程度。因此一次設備制造廠家就提出各種對軸絕緣進行監測的方法。

圖1 額定電壓下發電機軸電壓波形

圖2 發電機軸電壓FFT分析

2 軸絕緣監測措施

為了防止軸電流對潤滑油和軸瓦的損害，大型水輪發電機組主要采用兩種預防措施。其一是機組制造廠家在設計上采取在轉子下端對大軸采用碳刷接地，在上端軸與上端軸領間加酚醛玻璃板絕緣，以防止軸電流形成回路，同限制大軸對地電位；其二就是采用軸絕緣監測手段對軸絕緣進行監測，以保證在軸電流達到軸瓦的破壞電流值以前，通知運行人員，采取必要的措施。

國內大型水輪發電機組大致采用了兩類不同的軸電流監測方案。一類監測方案是加裝軸CT，通過監測軸電流監視上端軸絕緣情況；另一類監測方案是采用兩塊SINEAX V604通用可編程變送器利用姆歐法對上端軸軸領、軸領與大軸間的銅箔及大軸間的絕緣進行分段監視。

（1）軸CT測量法

原某大型電站電站哈電機組采用軸電流保護裝置通過軸CT對通過大軸的交流電流的大小進行監測的方法，來間接監視軸絕緣情況。

軸電流監測裝置能夠通過軸CT將發電機大軸上產生的軸電流檢測出來，并根據不同的軸電流值發出相應的信號，從而能有效地防止軸電流的破壞，保護軸承及軸領。同時，軸電流保護裝置還可將測量值轉換為電流或電壓信號送監控記錄。

軸電流保護裝置由軸電流互感器和軸電流信號裝置組成。其結構如圖3所示。

圖3 軸電流保護裝置結構示意圖

軸電流監測裝置主要監測軸電流中的基波分量與三次諧波分量。軸電流互感器在設計上一方面考慮安裝拆卸方便性，設計成兩瓣或者四瓣結構，另一方面考慮監測的靈敏性，鐵芯采用特殊硅鋼片卷繞，可以檢測出1 A以下的軸電流。

軸CT正常輸出信號較小，為了降低電磁干擾對測量的影響，采取在CT輸出端并電阻的方法，將電流信號轉為電壓信號引至測量裝置，但該電壓信號僅為幾十毫伏，測試不太方便。為了試驗方便，除了工作繞組外，軸CT一般還繞有試驗繞組，以便解決試驗信號弱小而存在的檢驗困難問題。安裝測試繞組后，可通過專門的試驗模塊，對軸電流保護進行校驗。但在正常運行時，應注意斷開試驗繞組，以防止試驗繞組內的感應電流對工作繞組的影響。有些軸電流保護廠家不提供試驗繞組電源回路，估計也有這方面的考慮。

軸電流保護的整定值應該是當機組絕緣損壞時，保護裝置動作的軸電流不能使軸瓦與軸領損壞為原則，也就是說應以軸瓦所能承受的軸電流作為保護裝置整定的依據。按有關資料介紹[3]，當軸電流密度不超過0.2 A/cm2時，可以認為不會導致損壞軸瓦。因此應對機組正常運行的軸電流進行實際測量后，再按以上軸電流密度進行校核，以取得一個合理的整定值。

在實際運行過程中,由于軸CT安裝于發電機上端軸段,據有關資料[4]表明機組起勵電流對軸電流監測裝置是有影響的。因此應對軸電流保護設置一定延時，避過瞬時的脈沖電流，并對峰值進行記錄分析，這樣，即能保證設備的正常運行，又可發現故障隱患，及早處理。

（2）軸絕緣電阻測量法

向家壩右岸ALSTOM機組、某大型電站ALSTOM機組以及改造后的某大型電站哈電機組為了有效的抑制軸絕緣破壞所造成的危害，加強軸絕緣監視，采用在軸領與大軸絕緣層中加裝金屬銅箔的方式，將軸領絕緣分為兩段，并將銅箔用導線引出到大軸表面的金屬環上，采用兩塊SINEAX V604通用可編程變送器利用姆歐法對兩段分別監視絕緣電阻。通過直接測量軸絕緣電阻來檢測軸絕緣情況。當其中的一段絕緣損壞后發信，發電機可以繼續運行，兩端絕緣都異常后跳閘。圖4是ALSTOM發電機廠商采用歐姆表法進行絕緣測試的連接示意圖。

SINEAX V604通用可編程變送器通過注入幅值為60～380μA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。裝置具備多個信號指示燈。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。

圖4 測量絕緣回路示意圖

對于采用分級軸絕緣方式的發電機，當發電機在運行時，還可采用專用的歐姆表，在上導軸上進行油膜電阻的附加測試。盡管結果不完全可信，但當軸有輕微的擦傷或者有熱塊惡化時，仍然能指示出一定的金屬間的聯系。當運行著的電機具有較高的阻值時，表明軸絕緣情況良好。另外，當需了解在高壓潤滑系統建立油膜、決定啟動系統多快能完成油膜建立或在停機時油膜能支持多久的情況時，也可以使用這種測試。

3 軸絕緣監測裝置運行情況分析

(1)采用軸CT測量大軸電流的方式，是間接測量方式。但由于其安裝位置及安裝方式與安裝質量的限制，機組內部強磁場、強電場以及可控硅靜止勵磁裝置產生的脈沖等諸多因素，都會影響軸電流測量裝置的測量。且由于軸CT的變比較大，其CT二次電流多為毫安級，抗干擾能力差，致使軸CT測量裝置在機組正常運行時，可能就已超過整定值而誤動。在某大型電站機組投產時，觀察到哈電機組軸電流較大，已超過裝置顯示范圍。停機后檢查軸絕緣卻未發現異常。

經分析，認為引起誤差大的主要原因在于：a、軸電流互感器安裝平整度、水平度、精密度。b、空間磁場分布不均勻等方面。

由于軸電流測量裝置不能真實反映大軸絕緣情況，又由于哈電機組符合安裝注入式分段軸絕緣監視裝置的條件，為此2008年冬修期間，某大型電站電氣維修部保護分部對右岸電站哈電機組進行了大軸絕緣保護的改造，全部改造成注入式軸絕緣電阻監測的方式，運行情況良好。

(2)采用SINEAX V604注入式軸絕緣電阻監測的方式是一種直接測量方式。對于軸電壓不高，且磁路設計良好的軸絕緣，監視效果較好。某大型電站ALSTOM機組軸絕緣裝置運行情況良好，在機組運行期間，曾監測到軸領根部由大量碳刷粉末堆積導致的軸絕緣下降，并正確告警。但當由于磁路設計不太好而造成軸電壓較高，且軸電壓中諧波較大時，則需對測量回路采用濾波措施。該裝置在某電站機組上采用時，由于ALSTOM對發電機的定子相分支數進行了調整，但未對定子鐵芯做相應調整，結果造成磁路有輕微的不平衡，致使軸電壓較高，同時軸電壓中諧波含量也較高，對SINEAX V604軸絕緣監視裝置的測量造成了極大的干擾，后經采用在測量回路上并接濾波電容后，大致消除了對裝置測量的影響，裝置工作正常。

(3)大軸接地碳刷接地不良將影響軸絕緣監測裝置測量，對軸電流測量監視裝置的影響尤其明顯。且由于某大型電站機組推力軸承與推力頭間無絕緣，僅靠位于推導下端的大軸接地碳刷平衡與大地間的地位差。因此大軸接地碳刷的好壞，直接關系到推導軸承的運行安全。因此定期檢查大軸接地碳刷是十分有必要的。在進行大軸接地碳刷定期檢查或更換工作時應注意檢查碳刷在刷握內活動自如，彈簧應壓在碳刷中心位置，壓力正常，檢查發電機碳刷運行正常。

4 結語

本文介紹了國內大型水輪發電機組采用的兩種發電機軸絕緣監測方法以及在某大型電站和向家壩電站的應用情況。軸絕緣電阻測量方法更適用于有中間絕緣體、且有引出線結構的發電機。因為其要注入方波信號，該方波如果直接加在沒有絕緣層的發電機上，可能對絕緣效果適得其反。ALSTOM機組軸絕緣測量法在某大型電站機組運行中，曾經正確報警，檢查發現軸領根部有大量碳刷碳粉堆積，驗證了此方法的有效性。

而軸CT的測量方法存在整定值經驗不豐富，依據不足的缺點。目前，國內還有其它一些方法，比如在上導瓦外側與油槽壁絕緣材料中安裝引出線等形式，設計原理大同小異，而效果仍有待觀察。

[1][德]奧托·豪斯.軸電壓和軸承電流及其產生原因對電機的影響和補救措施[A].電機譯文集[C],1996:35-38.

[2]徐海潮.發電機軸電流檢測器[J].電測與儀表,1997.3:31-34.

[3]王維儉.發電機變壓器繼電保護應用[M].北京：中國電力出版社,1998:14-15.

[4]陳顯芳.軸電流及其監測裝置[J].東方電機,1997.1:12-15.