大藤峽水利樞紐水輪發電機軸電流異常情況分析處理

周精明，羅紅云，吳義斌，陳 晗

（廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司，廣西 桂平 537226）

1 概述

大藤峽水利樞紐擁有國內最大單機容量200 MW的軸流轉槳式水輪發電機組，其中左岸廠房的3臺（8號、7號、6號）機組已投產發電。機組主要設備有哈爾濱電機廠生產的SF 200-88/17200型水輪發電機，浙富公司生產的ZZ-LH-1040型水輪機轉輪，機組調節方式為導葉、槳葉協聯雙重調節。大藤峽水利樞紐水輪發電機軸電流互感器安裝在推力軸承和下導軸承之間，能有效減少轉子磁場干擾。裝設有專門的軸電流監測裝置，通過軸電流互感器的精確感應能實時監測軸電流有效值、軸電流基波分量（50 Hz）幅值、軸電流三次諧波分量（150 Hz）幅值，并在數值異常時發出報警信號并實現軸電流保護。本文基于大藤峽水利樞紐機組軸電流異常的實際案例，對軸流轉槳式水輪發電機組軸電流異常的情況進行檢測與分析，得出造成軸電流異常的兩種主要原因，并提出軸電流異常的防范措施。

2 軸電流產生機理及危害

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]。

正常情況下，發電機轉子與軸承間存在油膜絕緣，較低的軸電壓不會產生軸電流。但當軸承絕緣因損壞、老化等原因失去絕緣性能，軸電壓會擊穿軸承油膜并形成軸電流。發電機轉子與外殼基座也會由于其他原因構成閉合回路、形成軸電流。由于該閉合回路阻抗極小，在軸電壓的作用下，將會形成較大的軸電流，導致潤滑和冷卻的油質逐漸劣化，嚴重時會燒壞軸瓦，造成停機事故[2]。

3 軸電流異常情況

7號機組投產發電后，計算機監控系統上位機多次報出軸電流告警動作，軸電流告警設定值為5A，發電機保護盤柜中軸電流跳閘壓板未投入。現場檢查發現軸電流監測裝置中軸電流有效值示數維持在4 A左右，僅在機組負荷變化時跳變幾次，幅度大約為1～2 A，初步判斷軸電流告警信號是由幾次短暫跳變造成。6號機組首次升壓過程中，計算機監控系統上位機持續報出軸電流告警動作，軸電流告警設定值為5 A，發電機保護盤柜中軸電流跳閘壓板未投入。現場檢查發現軸電流監測裝置軸電流有效值示數為18.5 A，機端電壓達到額定電壓（15.75 kV)時，軸電流有效值示數穩定在14 A左右，已超過機組軸電流告警設定值5 A的2.8倍。為避免軸電流繼續上升，需要找出軸電流產生的根源，并采取防范措施，確保機組運行的穩定性和安全性。

4 檢測方法

針對大藤峽水利樞紐7號、6號機組存在的軸電流異常問題，結合機組實際運行情況對其進行檢測，以對軸電流成因進行分析。

4.1 7號機組檢測項目

4.1.1 絕緣電阻測量

7號機組在檢修態時，分別測量軸絕緣銅絲網觸點對大軸的絕緣電阻、軸絕緣銅絲網觸點對滑轉子的絕緣電阻、滑轉子對大軸的絕緣電阻，分析絕緣電阻測值可知，這三者之間的絕緣均滿足要求。數據見表1。

表1 絕緣電阻值

同時，測量7號機組大軸接地碳刷對地電阻值為0.2 Ω，證明接地碳刷接地良好。

4.1.2 軸電流測量

7號機組帶負荷112 MW時，軸電流監測裝置軸電流有效值示數為4.69 A，軸電流基波分量（50 Hz）幅值示數為1.35 A，軸電流三次諧波分量（150 Hz）幅值示數為2.75 A。測量接地碳刷接地處電流值為2.08 A。

4.2 6號機組檢測項目

6號機組額定電壓空載時，軸電流監測裝置軸電流有效值示數為13.87 A，軸電流基波分量（50 Hz）幅值示數為3.55 A，軸電流三次諧波分量（150 Hz）幅值示數為10.18 A。測量接地碳刷接地處軸電流值為2.9 A。

6號機組帶負荷128 MW時，軸電流監測裝置軸電流有效值示數為19.81 A，軸電流基波分量（50 Hz）幅值示數為6.88 A，軸電流三次諧波分量（150 Hz）幅值示數為14.94 A。測量接地碳刷接地處軸電流值為4.3 A。

5 原因分析

大藤峽水利樞紐7號機組帶負荷后，軸電流一般在2 A～5 A范圍波動，偶爾出現跳變超過10 A。6號機組帶128 MW負荷時，軸電流達到19.81 A。通過對機組運行情況了解和機組結構分析，以及對7號、6號機組一些針對性檢測試驗，分析得出大藤峽水利樞紐水輪發電機軸電流形成原因如下。

軸電流形成必須有兩個條件，一個是存在電位差（轉子上下產生的軸電壓），另一個是存在電流回路。

5.1 軸電流回路

大藤峽水利樞紐水輪發電機軸電流互感器安裝在接地碳刷上方、推力軸承和下導軸承之間，依據發電機總裝圖和水輪機主軸操作油管裝配圖，軸電流互感器能檢測到的回路電流應為兩條回路，即圖1所示的內回路（回路②）和外回路（回路①）。

圖1 軸電流產生等效電路圖

內回路（回路②）由大軸外壁和水輪機主軸操作管路構成一個電阻回路，外回路（回路①）由大軸外壁和滑轉子絕緣、油膜、油擋等與大地構成一個電容回路。

外回路（回路①）多處設置了防軸電流絕緣：軸與滑轉子設軸絕緣、軸與油槽油擋設絕緣密封體、水輪機操作油管靜止部分與上機架處設有絕緣、水輪機操作油管引出管路法蘭位置設絕緣，外回路（回路①）上所設置的絕緣可以將軸電流回路阻斷。滑轉子和上導瓦之間的油膜也具有較好的絕緣性能，整個回路中，任何兩個導體間絕緣都構成一個電容，如絕緣良好，整個回路的電流為電容電流，一般數值較小。如絕緣損壞，回路中可能同時存在電阻和電容電流，數值較大時，需要對絕緣進行修復，阻斷電阻電流。

內回路（回路②）由大軸外壁和水輪機主軸操作油管構成軸電流回路，在這個回路里，操作油管有3處和大軸連接處未設絕緣，可由軸電壓作用在回路中產生電阻電流。軸電流互感器只能測到大軸外壁流過的電流，而通過水輪機主軸操作油管流回的電流（指內回路②）由于大軸的屏蔽作用，互感器無法測得。同理，軸電壓只產生在轉子上下的大軸上，水輪機主軸操作油管由于大軸對磁場的屏蔽作用，是不產生軸電壓的，故產生內外回路軸電流的電壓是同一軸電壓。

5.2 軸電流互感器監測電流

（1）內回路（回路②）的電阻電流；

（2）外回路（回路①）的電容電流；

（3）轉子一點接地保護，注入式20 Hz的交流電軸電流監測裝置不顯示（軸電流監測裝置只顯示50 Hz和150 Hz）。

5.3 跳變原因

因為軸電壓產生原因復雜、因素多，轉子上下感應的軸電壓不僅含有基波，還有高次諧波。而且，軸電壓波形電壓還有跳變峰值，相對應電阻電流和電容電流也發生跳變。另外也可能存在與軸接觸的部件所設絕緣有虛接或動靜部件輕微刮碰的現象。電阻電流和電容電流公式分別為：

式中：u—軸電壓；R—回路電阻。

式中：f—頻率；U—電容電壓；C—電容。

產生電阻電流和電容電流的電壓（軸電壓）是同一個電壓。

6 處理措施

（1）由于機組運行，防軸電流所設置的絕緣不能全部檢測，不排除有個別絕緣性能差，可在機組檢修期對各處絕緣進行檢測。

1）機組停機時，需檢查圖2各處絕緣是否有問題。如絕緣電阻滿足要求，可將軸電流監測裝置中一級報警值設定為8 A,二級報警值設定為15 A；

2）停機時，需檢查水輪機主軸操作油管轉動部分與固定部分間隙，排查是否可能在機組運行時轉動部分與固定部分虛連接，引起軸電流跳變；

（2）根據大藤峽水利樞紐機組的結構特點，建議將軸電流互感器安裝在接地碳刷處，監測流過上導軸承油膜的電容電流(可能造成破壞油膜的電流)。

（3）根據大藤峽水利樞紐機組結構特點，大軸外壁和水輪機主軸操作油管間存在較大電阻電流。由于軸電流互感器安裝位置(在下導軸承和推力軸承之間)還有部分電阻電流沒測到，為降低內回路②的電阻電流，建議在水輪機主軸操作管路與發電機大軸連接處加裝絕緣。

（4）若要軸電流互感器能真實反應會影響水輪發電機的軸電流值，需要斷開內回路②，內回路斷開的方法是在頂軸和受油器連接處設置絕緣墊。

圖2 絕緣檢測位置

7 結論

綜上所述，本文結合實際案例，深入分析了大藤峽水利樞紐水輪發電機軸電流異常原因及檢測方法，分析結果表明，水輪發電機軸電流在運行中是客觀存在的，很難從根本上得到有效控制[3]。軸流轉槳式水輪發電機組軸電流異常的主要原因有2種，1種是由大軸外壁和大軸內部操作管路構成電阻回路形成軸電流；第2種是由大軸外壁和滑轉子絕緣、油膜及油擋等與大地構成電容回路形成軸電流。其中由大軸外壁和滑轉子絕緣、油膜及油擋等與大地構成電容回路形成的軸電流才有可能破壞軸承油膜，嚴重時會燒壞軸瓦。在具體處理中，可根據軸電流形成的原因，從絕緣檢測及修復、更改軸電流互感器位置、受油器絕緣阻斷3個方面來考慮，確保軸流轉槳式水輪發電機組安全穩定運行。