抽水蓄能電站發電機軸電流保護原理與實際應用

畢承凱，李云峰

（江蘇沙河抽水蓄能發電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

1 概述

沙河抽水蓄能電站地處江蘇省溧陽市天目湖鎮境內，裝有兩臺單機容量50 MW的混流可逆式機組。接入系統方式為：機組、主變壓器采用單元接線，機組與變壓器之間設置斷路器與換相開關，主變壓器高壓側為聯合單元，一回220 kV線路至茶亭變電所。機組主要通過SFC進行抽水工況啟動，背靠背拖動為備用。

隨著電網的不斷發展，加之新能源發電的占比越來越高，抽水蓄能的削峰填谷以及事故備用的作用就顯得日益重要，因此對抽水蓄能機組保護方面，有著越來越高的要求。

2 發電電動機

2.1 抽水蓄能電站發電電動機特點

（1）正反旋轉。抽水蓄能電站發電電動機有發電和抽水兩種工況，發電電動機在這兩種不同工況下旋轉方向相反，所以這就要求其三相繞組相序能切換來滿足磁場的要求。

（2）啟停頻率高。沙河抽水蓄能電站平均啟停次數為4次/d（抽水、發電各2次）。這就對保護提出了更高的要求。

（3）有專門的啟動方式。抽水蓄能機組抽水一般采用靜止變頻器啟動或者背靠背啟動，導致電氣接線、控制操作復雜。

（4）過渡過程工況復雜。在工況轉換過程中要經歷各種瞬態過程，這些瞬態過程使得機組需要承受更多的振動。

2.2 發電電動機故障

發電電動機故障按其組成部件可分為定轉子故障（約占總故障的20%左右）、軸承故障（約占總故障的20%左右）、機械制動裝置、機組冷卻設備故障（占總故障的60%左右）。其中，定轉子故障主要體現在轉子的磁極及其連接線、磁軛、磁極和定子線棒、繞組和鐵心硅鋼片等部件上。

2.2.1 轉子故障的體現

（1）磁極引出線，連接線故障；

（2）磁極鐵心故障；

（3）極間支撐、阻尼繞組的故障；

（4）集電裝置故障。

2.2.2 轉子故障的后果

（1）轉子接地從而使接地保護報警或動作；

（2）轉子磁場不平衡從而使定子繞組匝間保護動作。

2.2.3 定子故障的體現

（1）定子鐵心故障；

（2）定子繞組連接與絕緣故障；

（3）定子繞組固定及匯流排故障。

2.2.4 定子故障的后果

（1）定子接地故障；

（2）定子匝間短路故障；

（3）定子繞組相間短路甚至燒損；

（4）定子部件松動，位移甚至使機組掃膛。

2.2.5 其他類型故障及后果

（1）軸電流過高或機組軸瓦溫度過高可能導致機組燒瓦；

（2）機組發生高速加閘的情況（高轉速誤投機械制動）將導致機械制動損壞故障；

（3）發電機電動機冷卻水管路漏水會導致定轉子接地或短路故障。

3 軸電流保護

基于抽水蓄能發電電動機的工作特點，對機組軸承提出新的要求，繼電保護對軸瓦的保護也受到業內的關注。

圖1 軸電流保護回路

軸電流一般是由于定轉子之間氣隙不均勻，轉子繞組之間短路或大軸磁化感應出軸電壓而產生的。

抽水蓄能機組有軸電壓是無法避免的，所產生的軸電壓也比較低。但是由于其回路電阻小，當機組產生軸電流的通路時，會產生很大的軸電流，影響到機組的正常運行。如果是大軸、導瓦、機架到接地回路形成通路，會導致軸瓦發生腐蝕。特別是當軸承與大軸之間的油膜被擊穿后，轉動部件與導瓦之間就會產生金屬性接觸，情況嚴重時灼傷機組導瓦。當發生軸電流時，大電流也會使軸瓦之間絕緣潤滑油發生碳化作用，從而使導瓦之間失去潤滑，導致機組燒瓦發生。如果在軸承油槽之外產生接地回路，就會損壞機組的絕緣或者金屬結構，從而大大降低機組的安全運行。

為了防止轉子上的諧波分量感應到大軸上后，通過軸承支架與地形成回路，生成軸電流引起軸承發熱進而損環軸承瓦面，因此在發電電動機轉子上方的各個軸承支架以及油盆支架與大地之間設置絕緣，破壞其產生通道。為了監視絕緣情況，需要設置軸電流保護。轉子中的諧波分量在正常情況下，由于有絕緣墊，電流不會形成通路，從而保護軸瓦。當絕緣破壞以后，瓦面上還有油膜，這時候油膜的阻抗就會遠大于大軸碳刷的阻抗，電流會經碳刷、繼電器、軸承、絕緣及支架后通過地形成回路，既保護了瓦面，又可利用這個電流使其報警或停機。

以懸式機組為例。在轉子的上方有上導軸承和推力軸承，在轉子的下方有下導軸承，下導軸承的下方有大軸電流互感器，用來測量大軸是否對地絕緣。

圖2 懸式機組軸電流保護回路

只有當上導或推力與機架間絕緣破壞并且上導或推力軸瓦油膜被破壞時，大軸上才有電流通過，保護才動作。

4 沙河抽水蓄能電站軸電流保護動作導致抽水啟動失敗案例

4.1 初始狀態、故障現象及處理過程

2016年06月13日09：25：00，1號機組發電啟動過程中，上位機報文顯示“1號機組A柜跳閘總信號”“1號機組B柜跳閘總信號”，1號機組發電啟動失敗轉停機。

經運行人員現地檢查，1號機組A、B保護柜跳閘指示燈亮，現地保護液晶面板均顯示軸電流保護動作。接運行人員通知，檢修人員迅速檢查處理，對1號機組保護動作數據進行了查看，軸電流保護動作電流為2.05 mA（定值0.5 mA，延時9 s），A、B保護柜動作數據和故障錄波波形一致。

隨后，檢修人員對1號機組風洞內進行檢查：

（1）上導擺度傳感器、安裝支架及連接電纜完好；

（2）上導瓦和推力瓦共18塊瓦溫傳感器絕緣完好；

（3）上導油盆蓋與上機架間60只聯接螺栓的絕緣襯套、絕緣墊片完好，油盆蓋與上機架間絕緣膠墊完好；

（4）大軸與導瓦等電位連接電纜及碳刷完好；

（5）軸電流互感器本體及二次接線完好。

隨后檢修人員又對上導油盆部件絕緣檢查。

11：08：00進行空載試驗，11：11：00 1號機組A、B保護柜軸電流保護動作，保護動作時刻軸電流為2.9 mA，試驗不成功。

經討論分析，認為在上導油盆蓋的絕緣膠墊上和上導推力循環油內存在導電雜質。

依次拆除上導油盆相關元器件、60套聯接螺栓、油盆蓋分瓣螺栓，分別將4瓣油盆蓋吊走，檢查油盆蓋與上機架間絕緣膠墊完好；用頂轉子油泵手動對風閘打壓至11 MPa，轉子頂起0.6 mm，測量推力瓦對地絕緣情況；對油盆蓋所有接觸面進行清潔；對絕緣膠墊進行檢查、清潔。

用手拉葫蘆將分瓣油盆蓋吊起，在空中拼裝完成，用分瓣螺栓固定；緩慢放置至油盆上方1～2 mm（注意碳精環的收縮），調整位置，位置角度對準后用聯接螺栓逐個定位；整體定位后提起至4 mm左右，拆除單個定位聯接螺栓，塞入絕緣膠墊，對孔后再次用聯接螺栓固定，按程序逐個拆裝聯接螺栓、回裝絕緣膠墊；全部完成后整體落下油盆蓋板，帶絕緣墊片回裝聯接螺栓。

按照工藝要求回裝相關部件。

21：00：00對上導油盆充排油。依次打開1號機組導軸承及調速器回油箱排油總閥、1號機組導軸承排油總閥、1號機組推力及上導軸承油箱排油閥，對上導油盆進行排油。

打開1號組機推力及上導軸承油箱進油閥，循環沖洗后重新排油。打開上導油盆底部排油閥，排除底部剩油。重新充油到合適油位。

14日00：10：00搶修工作結束，1號機組空載試驗正常，恢復備用。

4.2 原因分析

1號機組現在運行正常，運行中軸電流較小。從搶修過程檢查的情況來看，上導與中間環之間的絕緣阻值無窮大，排除了上端軸絕緣損壞而產生軸電流的可能性，對軸電流在線監測進行檢查時，也沒有發生異常現象，排除了互感器損壞的可能性。本次故障的主要原因為機組運行過程中碳刷碳粉落入上導油盆內，引起上導絕緣降低，使得機架到軸承、轉動大軸、機組接地點構成接地回路，從而導致軸電流保護動作。在2016年D修中，結合本次軸電流事故，對機組上導油盆蓋進行了改造。

5 總結

軸電流在機組運行的時候對機組正常運行有一定的危害。如果在軸電流發生時未及時發現，很有可能對機組的主要元件產生破壞。結合沙河電站的運行經驗，總結了以下軸電流的防護措施：

（1）對上導軸承絕緣進行定期測量；

（2）對碳刷架，集電環及時清理，防止摩擦掉落的碳粉影響絕緣強度；

（3）對軸承透平油定期更換，防止絕緣強度下降；

（4）對軸電流互感器和繼電保護裝置按期校驗；

（5）檢修時，對軸承安裝調整后，要檢查機組的軸線位置，調整好各軸承瓦之間的間隙；

（6）在安裝測溫傳感器時，要防止傳感器的外殼與軸承的表面接觸。

目前，國內水輪機軸電流監測都是由電流互感器和保護裝置組成。根據水輪機的特點，軸電流產生時必定是從大軸到機組接地點，因此在接地碳刷上加裝電流互感器就可做到對軸電流數值實時監控。相比在頂軸上加裝互感器和保護裝置，這種方案可以避開發電機漏磁場對軸電流監測的影響，并且這種方式安裝成本較低，便于日后機組的維護檢修。

軸電流是抽蓄機組的一個無法避開的問題，除非抽水蓄能機組在結構上有根本上的改變。另外，文章對軸電流案例進行分析和總結，以期對其他電站機組運行提供借鑒。