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水轮发电机轴电流故障的诊断与分析

2019-08-23

罗胤，李坤鹏，徐鹏，薛方方
（河南国网宝泉抽水蓄能有限公司）

　　摘　要：通过现场检查、测试、分析，查找水轮发电机轴电流故障的原因，并对轴电流影响发电机正常运行的风险进行评估，介绍处理轴电流故障的思路，为其它发电厂处理类似问题提供参考。
　　关键词：发电机；轴电流；绝缘；间隙；保护

　　0　引言
　　电机运行过程中产生的轴电流主要通过轴电流保护反映。轴电流保护根据测得的电流值发出信号，有效防止电机轴电流对轴承及其导瓦的破坏^[1]。近年来，某电站#2机组轴电流保护多次动作，且每次都在短时间内返回，但现场发电机无相应故障特征，机组振动、摆度正常，定转子电流、电压正常，匝间电流正常，机组仍正常运行。鉴于轴电流的破坏性，需探究该发电机产生轴电流的原因，以规避其对发电机的危害。

　　1　发电机轴电流系统介绍
　　机组全速运行时，发电机机械转动轴中心与电磁轴中心不完全一致（磁路不对称）以及静电效应、电容电流、单级效应等，均可导致处于强磁场中的大轴两端形成电位差^[2～4]，一般为几伏至几十伏，称该电位差为轴电压^[5～6]。正常运行时，发电机大轴与轴承间的轴电流很小，而在发电机转动悬空部分与发电机轴承机架接地部分接触构成轴电流回路时，轴电流增大，会存在损坏大轴、轴承和烧瓦的可能。
　　如图1所示，发电机轴电流系统一次部分主要由大轴、接地碳刷、推力头、瓦、机架、短路油膜碳刷（绝缘碳刷）、轴电流互感器、轴与轴承间的绝缘油或间隙构成；二次部分主要由试验绕组、工作绕组、带通滤波器、过流继电器、时间继电器构成。当大轴与轴承间的绝缘或间隙被破坏时，轴电流便通过大轴、接地碳刷、瓦、机架、大地等构成回路，并通过互感器反映至工作绕组。当轴电流大于保护整定值时，保护动作报警；当持续时间大于保护整定值时，保护出口跳闸。图1中的轴电流回路为间隙④被破坏后形成的。

　　发电机金属结构的不同，导致所形成的轴电流回路也可能有区别。如，有的发电机为伞式结构，有的未装设绝缘碳刷，有的未装设TA等，都会影响轴电流回路的形成和轴电流的检测方式。发电机轴电流保护元器件有绝缘碳刷、接地碳刷、轴电流互感器等，它们的作用如下。
　　（1）绝缘碳刷（短路油膜碳刷）：轴承绝缘破坏后，由于油膜阻抗远大于绝缘碳刷阻抗（油膜阻抗在额定转速时可达50kΩ），因此轴电流不会通过轴瓦形成回路，绝缘碳刷起到保护油膜和轴瓦的作用，但是大轴与绝缘碳刷摩擦会形成碳粉掉进油盆，污染油质并导致保护误动。部分电厂未装设绝缘碳刷。
　　（2）接地碳刷：可防止大轴绝缘被充电形成的高电压击穿，还可释放摩擦积累的电荷，确保离原动机较近的轴承为零电位点。绝大多数电厂装设接地碳刷。
　　（3）轴电流互感器：将一次侧电流反映至二次侧，便于配置保护、监测装置，但是其二次侧输出易受外界电磁和负荷电流的干扰。
　　（4）发电机结构：伞式机组的推力轴承位于发电机下部，与下导轴承和接地碳刷接近，为零电位点，仅在上导轴承设置绝缘，轴电流保护只保护上导轴承；悬式机组的推力轴承位于发电机上部，上导轴承和推力轴承均设有绝缘，轴电流保护既保护上导轴承又保护推力轴承。
　　（5）轴电流保护类型：电压型保护采用电压继电器或电压模块反应轴电流；电流型保护采用电流继电器或电流模块反应轴电流。

　　2　故障诊断与测试
　　分析发电机结构和轴电流形成原理，可知有以下可能原因导致产生轴电流。
　　（1）轴电流保护装置因故障而误动。
　　（2）轴电流互感器故障不能反映真实的轴电流。
　　（3）轴电流互感器二次侧输出回路受外界电磁干扰。
　　（4）传感器等二次元件绝缘破损的导线搭接于大轴或传感器等二次元件接线直接与轴电流互感器二次接线形成寄生回路。
　　（5）接地碳刷接触不牢固导致发电机大轴被充电^[7]，瞬时放电击穿绝缘或间隙较薄弱处。
　　（6）轴与轴承间的绝缘层或间隙被破坏。
　　2.1轴电流保护装置校验
　　（1）二次侧校验。保护装置整定为1mA，延时1s。在工作绕组接入毫安表、保护测试仪后，逐渐增大保护测试仪电流，直至保护装置动作。实测值为0.996mA，延时1023ms，保护装置正确动作。
　　（2）一次侧校验。在工作绕组接入毫安表，试验绕组（4匝）接入电流表和保护测试仪后，逐渐增大通入试验绕组的电流，测量工作绕组中的感应电流，结果见表1。

　　由表1可知，试验绕组的输入与工作绕组的输出并不是标准的线性关系，这是因为工作绕组中的感应电流是由杂散磁场的不平衡磁通切割轴产生的。但是，在保护装置的整定范围（0～2mA）内，工作绕组可基本反映一次轴电流，即使故障轴电流过大，瞬间使轴电流互感器达到饱和，保护装置也能准确动作，正确反映电机轴电流。该数据与保护说明书及出厂试验报告一致，可判断保护装置功能正常。
　　2.2轴电流互感器试验
　　轴电流互感器为环形分瓣结构，互感器铁芯被分为两部分。现场将互感器拆除后进行试验。
　　（1）用500VDC绝缘摇表对互感器的工作绕组、试验绕组、屏蔽电缆进行绝缘试验，测试时间为1min。测试结果显示，绝缘电阻均大于100MΩ，满足要求。
　　（2）用互感器测试仪测量轴电流互感器的伏安特性及二次负载，并与出厂时的数据对比，数据基本无变化。
　　为彻底排除轴电流互感器损坏可能，现场将#1、#2机组的轴电流互感器互换后进行整组测试。启机运行10min内，仍出现轴电流保护动作报警，说明轴电流的产生与轴电流互感器无关。
　　2.3保护动作行为分析
　　按IEEE112标准进行电机轴电流的测量与录波。将测得的电流与录制的一次、二次电流波形进行对比，分析故障时的轴电流保护动作，并判断故障轴电流是否由外界电磁干扰造成的^[9]。试验接线如图2所示。接线完毕，启动机组运行，并逐步增加发电机负荷，测得的轴电流数据见表2。

　　在负荷逐渐增至250～300MW时，连续出现2次轴电流保护动作报警。该保护动作开关量能启动录波装置，录制的轴电流波形如图3所示。

　　（1）对比轴电流一次、二次波形图可知，二次电流随一次电流的增大而增大，轴电流保护动作的时间与一次电流突增时间相吻合，由此可判断轴电流保护动作并非由外界电磁干扰所致。
　　（2）对比表1、表2，并结合互感器测试结果进行分析，机组运行时的数据与轴电流保护静态测试的数据基本吻合，由此可判断轴电流互感器没有故障，其二次回路完好，二次电流的数据是真实有效的。
　　（3）通过分析轴电压及静、动态时轴电流数据可知，不存在传感器等二次元件导线搭接大轴或传感器等二次元件接线搭接互感器二次接线形成寄生回路的可能。
　　（4）故障发生时，轴电压有降低的趋势，录波图也反映轴电流有明显突变，且该故障为瞬时发生的，轴电流幅值很大。
　　结论：轴电流保护的测量电流基本正确反映了一次电流，保护动作原因是轴电流确实存在，轴电流保护正确动作。由于轴电流保护本体无故障，因此故障点在轴电流的一次回路上。
　　2.4碳刷检查与测试
　　接地碳刷位于发电机下导轴承下部，是发电机大轴的零电位点。该接地碳刷脱落或与大轴接触不良，都可能导致发电机大轴电荷不断积累，轴电压升高。电压过高时，大轴可能对绝缘薄弱处放电，产生瞬时轴电流并形成电腐蚀区，进而破坏轴承及其导瓦。绝缘碳刷或转子导电碳刷与发电机转轴摩擦可能脱落或产生的大量碳粉搭接在绝缘或间隙间形成轴电流回路。
　　现场检查碳刷表面完整无异常，碳刷的磨损量不足80%，碳刷牢固地固定在支架上，无松动迹象，碳刷与大轴接触良好并无碳粉附着和累积。
　　为彻底排除轴与轴承间绝缘层被破坏形成轴电流的可能，在绝缘碳刷引线处接入电流表。若轴与轴承间的绝缘层被破坏而形成轴电流回路，则绝缘碳刷必为回路的一部分，即使绝缘层与轴瓦油膜同时被击穿，部分轴电流也会流过绝缘碳刷。启动机组进行测试，在启动机组运行6min内，机组仍出现轴电流保护动作报警，而电流表读数为零，说明轴电流未从绝缘碳刷处流过，必然由其它回路产生。
　　2.5轴与轴承的绝缘和间隙检查与测试
　　图1所示机组轴与轴承间仅在推力头部分有一层绝缘，发电机的其它部位均靠间隙来阻断轴电流通路。发电机推力头为两部分嵌套结构，在两部分间设有绝缘层。绝缘层为两层式结构，单层绝缘皮厚2mm，绝缘层中心为金属层，方便进行绝缘测试。用500VDC绝缘摇表对两绝缘层进行测试，时间为1min。测试结果显示，两层绝缘层电阻均大于2GΩ，满足绝缘要求。
　　固定螺栓或螺杆松动可能造成轴与轴承间的间隙发生变化，导致大轴与轴承在发电机转动时接触，并构成轴电流回路。对发电机间隙进行重新测量，结果见表3。

　　对比间隙检查结果与发电机安装调试报告可知，主要间隙的尺寸并未发生较大变化，也未发现有异常位移的间隙，因此再次检查各间隙间有无放电痕迹、有无异物或粉尘搭接。
　　拆除上导油盆下部挡油环后，利用内窥镜检查发现挡油桶的顶部与大轴间有轻微放电痕迹；大轴与推力头间的定位键间的间隙有一直径约为15mm的扇型金属异物（厚度忽略不计）。

　　3　原因分析及风险评估
　　根据发电机一次、二次、机械部位的检查结果以及发电机上导推力结构图，确定了轴电流回路，如图4、图5所示。

　　该异物在大轴与推力头间，即图4、图5中“圆圈”所示位置。但是，推力头部位外部绝缘层的存在，致使该异物在该位置也不可能构成轴电流回路。该异物随发电机转动可能存在以下情况。
　　（1）间隙②大于异物较大直径，因此异物不可能直接搭接在挡油桶的顶部与绝缘垫间，而是随着发电机转动可能越过间隙②到达间隙⑤。间隙⑤为10mm，小于异物直径，因此异物可能卡在该位置。但是大轴与挡油桶间仍存在间隙，故该情况下不可能构成故障电流回路。
　　（2）随着发电机转动，异物可能越过间隙②、间隙⑤直接到达油盆内，但间隙④的存在，导致该情况下不可能构成故障电流回路。
　　（3）间隙④为10mm。异物越过间隙③直接进入间隙④后便很难再回到大轴与推力头间，且异物在间隙④内，每次发电机启动时，异物都会搭接构成故障回路，那么轴电流保护必然动作，然而现场轴电流保护并不是在每次机组启动时都动作，因此异物搭接于间隙④构成回路的可能性不大。
　　（4）根据挡油桶顶部与大轴间的间隙为13mm，略小于异物较大直径，以及挡油桶顶部与大轴间有轻微放电等现象，认为该异物能随发电机的转动到达间隙③。由于间隙③存在该异物活动的空间，因此异物随发电机一起转动，并可能搭接在大轴与挡油桶间，构成轴电流回路。该轴电流是随机的出现的，呈瞬时突变状态。在随发电机转动的过程中，该异物还可能回到推力头间隙内，此时故障轴电流消失。
　　风险评估：根据发电机结构图，推测轴电流形成回路为大地-上机架-推力瓦架-挡油桶-大轴-接地碳刷-大地。该轴电流不通过上导推力轴瓦，也不通过绝缘碳刷，因此在绝缘碳刷处检测不到。该轴电流虽然不会引起烧瓦事故，但是会对大轴造成部分电腐蚀，进而影响发电机寿命，因此需将异物取出。

　　4　结束语
　　发电机结构的多样化，导致现场往往较难定位故障点，尤其是出现瞬时的、反复的轴电流故障信号时。因此，需提高二次人员对发电机结构的熟知程度，加强各专业间的沟通学习，在出现轴电流保护动作信号时保持思路清晰，同时借助相关仪器的测试数据加以分析，快速排除故障。

　　参考文献
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来源： 《电工技术》