水电机组轴电流保护误动原因的分析

刘小波， 傅丽文

（1.国电南自电力自动化有限公司技术应用中心， 南京 210061；2.闽东公司周宁水电厂， 福建 宁德 355400）

水电机组轴电流保护误动原因的分析

刘小波1， 傅丽文2

（1.国电南自电力自动化有限公司技术应用中心， 南京 210061；2.闽东公司周宁水电厂， 福建 宁德 355400）

发电机轴电流对机组危害较大，针对水电机组轴电流保护误报警问题，做了一定的分析和探讨，提出了硬件、软件相结合的滤波措施，以采样基波作为保护判据，消除了低频干扰，现场静态、空载及负荷试验证明效果良好，解决了机组轴电流保护误报警问题。

水电站；轴电流；空间磁场；干扰；滤波

正常情况下，发电机转轴与轴承间存在润滑油膜，能起到绝缘的作用。轴电压较低时，轴电流也较小。但当轴承底座绝缘垫因油污损坏或老化等原因失去绝缘性能且当轴电压达到一定数值时，轴电压足以击穿轴与轴承间的油膜而发生放电，轴电流将明显增大，使轴瓦发生电蚀而损伤甚至毁坏， 并加速轴承润滑油的变质老化[1-4]， 为此水电机组都设有轴电流保护。

福建周宁水电站 2 台机组为 400 m 的混流式水轮发电机组， 单机容量 125MW， 轴电流保护集成在国电南自发变组保护装置 801B 中。2005年4月投入运行至今，轴电流保护一直运行不正常，在空载和带负荷工况下，轴电流二次输出值均达到了 180～240mA 左右，使轴电流保护一直动作。现场分析了可能产生轴电流原因，如磁场不平衡产生轴电压、静电感应、外部电源的介入、 轴电流互感器（TA）故障等， 并采取了相应措施，但效果都不理想。有必要查找轴电流产生的真正原因，从而采取相应的解决措施。

1 现场测试

1.1 1， 2 号机组轴电流、 轴电压的测量

轴电流检测 TA 的变比为 2/0.005 A， 二次输出报警值整定为 5 mA，安装在机组上机架中心体下部，亦即转子和上机架中心体之间。现场实测不同工况下 2台机轴电流二次输出值，见表1，表2为 2号机组轴电压实测结果。 因 TA 饱和倍数为 10 倍，而测试值达到了近 40 倍，说明了二次轴电流确实存在。

由表1、 表2 可以看出： 1， 2 号机组带满负荷，在发变组保护屏处实测此时的轴电流：1号机组为 180 mA， 2 号机组为 220 mA， 在 2 号机组机端处测得的轴电压为 480mV。

为了分析各种运行状态下的轴电流，分别在空转和空载状态下，录取了轴电流波形。在空转时， 轴电流为 12.5mA， 在空载时， 轴电流为 320 mA， 频率主要为 7.1 Hz 和 14.2 Hz， 轴电压约为480mV， 频率为 50 Hz。

表1 1，2号发电机轴电流实测结果

表2 2号机组轴电压实测结果

1.2 其他有关参数测量

（1）实测发电机主轴绝缘。 用万用表在发电机接地碳刷接线端子处检测发电机主轴对地电阻：机组停机时，电阻值接近为 0；机组运行时,电阻值均大于1 MΩ。 由于机组下导轴承未采用绝缘隔离措施，停机时主轴与下导瓦直接接触,故其电阻值接近为 0；机组运行中，轴承瓦面油膜已建立，故其电阻值大于1 MΩ。机组检修时，检测上导轴承和推力轴承的绝缘也均满足要求，可见机组转轴对地绝缘并无异常。

（2）机组转轴剩磁检测。 停机时在 1 号、 2 号机组的上导轴、下导轴和水导轴处使用吊线回形针测试其剩磁状况，结果发现主轴均有轻微吸附回形针现象，且2号机组主轴对回形针的吸力强于1号机组，转轴剩磁检测显示转轴存在磁化现象，但不严重。

（3）TA 周围空间磁场。在开机状态下， 利用制作的线圈对1号机发电机上导、下导空间磁场情况进行了测量。在 TA 的固定架上加装了 2个线圈，1个垂直安装，1个水平安装。在空载时上导处均感应测得 7.1 Hz 的电压， 而下导空间则没有。 说明 TA 处确实存在异常的空间磁场，而发电机下导处基本不存在类似的空间磁场。

2 轴电流产生原因分析

由上述现场测试分析可知：

（1）发电机轴电流和轴电压频率不一致， 因此轴电流不可能是由工频轴电压引发的。

（2）实测轴电压较小（0.48 V）， 同时， 机组在空转、空载时转轴绝缘良好，无法形成电流回路，而且机组检修中轴瓦和绝缘油均未见异常，因此，机组不大可能出现较大的轴电流。

（3）发电机转子上导处 TA 的内侧， 有 2 根沿转轴上下走向、 在转轴圆周上呈约 103°夹角分布的励磁引线，对轴电流监测装置有影响。发电机加励后，励磁回路将产生横向分布的磁场。该磁场随主轴一起旋转，并与 TA和空心线圈的磁回路相互作用， 在TA和空心线圈内部极可能产生与转频或二倍转频一致的感应电势。下导处由于没有类似励磁引线的通电导体且离转子较远，基本上不存在空间磁场，因而空心线圈测得的感应电压很小，且不存在转频成分。

由此推断：大的一次轴电流不存在，对机组安全运行不会构成威胁， 而二次轴电流由 TA附近的空间磁场感应产生，轴电流保护装置接于TA 二次侧，由感应产生的轴电流可能使保护误发信号。

3 解决措施

3.1 可能的解决措施

（1）在发电机保护柜内， 对 TA 二次回路加装信号 过 滤装置 ， 滤 除 7.1 Hz 和 14.2 Hz 谐 波 分 量的低频干扰信号， 并确保工频 50 Hz及以上高频信号进入轴电流保护装置，同时在软件上进行滤波和优化。

（2）鉴于发电机下导处不存在空间干扰磁场，若将TA由发电机转子上部改装到发电机下导轴承下部，可有效解决轴电流异常超标问题。

考虑到在 TA 二次侧加装滤波装置更为方便， 选择措施（1）， 采用软/硬件相结合的滤波优化措施。

3.2 硬件滤波

硬件滤波参考文献[5]， 设计 1 个有源二阶滤波通道，滤除低频谐波分量，同时让基波和三次谐波通道通过。该通道幅频特性如图1所示。

图1 中， 基波对 7.1 Hz 谐波滤过比为 5/0.06= 84； 基波对 8 Hz 谐波滤过比为 5/0.066=76； 基波对 9 Hz 谐波滤过比为 5/0.07=72； 基波对 14.2 Hz谐波滤过比为 5/0.062=81； 基波增益为 7.5/5=1.5倍； 三次谐波增益为 6.16/5=1.2 倍。 由此可知： 通过该通道的低频谐波量被很大程度地衰减。

图1 滤波通道幅频特性

要使得通道具有上述幅频特性，输入的电压波形必须为正弦波，然而当低频信号通过普通TA 时， TA 饱和， 二次侧电压产生畸变， 从而使得输入通道的电压不再是正弦波，无法抑制低频信号的同时，也产生了新的干扰。经过多次试验， 采用了能够让低频信号通过的 TA。该 TA 动态线性范围广、频率范围宽，能很好地满足通道输入波形的要求。

3.3 软件滤谐

为了可靠地滤掉 7.1 Hz 和 14.1 Hz 谐波， 保护采用了以 7.1 Hz 为基波的傅氏算法。以 7.1 Hz为基波， 提取其 7 次谐波（50 Hz）分量。

对于全周傅氏算法[6-7]， 采 样频 率 为 600 Hz，则以 7.1 Hz 为基波的 7 次倍频分量（50 Hz）的实部、虚部模值为：

式（1）、 式（2）的滤波特性如图2 所示。 由于在现场检查测试中，并没有发现轴电流中存在35.5 Hz 的谐波分量， 因此， 该算法满足要求。

由式（1）、 式（2）可知， 计算结果必须在故障后第 78个采样值出现后才是准确的， 所以该算法存在 0.128 s 的固有延时， 现场轴电流保护动作于发信， 且延时整定为 10 s， 可以在延时整定中考虑补偿此固有延时。

图2 以 7.1 Hz 为基波的傅氏算法幅频响应

4 结语

针对周宁水电站轴电流保护误报警的问题，对轴电流成因做了分析，提出了硬件、软件相结合的滤波措施，以采样基波和三次谐波作为保护判据，消除了低频干扰。目前，已将上述解决措施落实于轴电流保护装置，通过现场试验，效果较好，从而彻底解决了轴电流保护误报警问题。

[1]王 维 俭.电 气 主 设 备 继 电 保 护 原 理 与 应 用[M].北 京 ∶中国电力出版社，2002.

[2]周建为.抽水蓄能机组轴电流保护[J].水电自动化与大坝监测，2003，27（1）∶68-69.

[3]田 葳 ， 李 树 科.发 电 机 轴 电 流 的 危 害 及 防 范 措 施[J].电机技术，2004（24）∶28-29.

[4]宁 屹,宁 峻.发 电 机 上导 油 槽 油 色 变 黑 成 因 分 析 及 处 理[J].江西电力，2007，31（2）∶15-16.

[5]刘小波，包明磊．百万机组注入式定子接地保护的研究与 开 发[C]//第 十 一 届 全 国 保 护 和 控 制 学 术 研 讨 会 论 文集．2007．

[6]谢 小 荣 ， 韩 英 铎 ， 电 力 系 统 频 率 测 量 综 述[J].电 力 系 统自动化，1999，3（3）∶1-10.

[7]胡志坚，张承学.滤除衰减非周期分量的微机保护算法研 究[J].电 网 技 术 ，2001，25（3）∶7-11.

（本文编辑：杨 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

刘小波（1978-）， 男， 江苏如东人， 工程师， 硕士，从事发电厂继电保护开发研究工作。