大型水轮发电机组大轴绝缘监测应用研究

王 林，毛 健，李新田

（向家坝水力发电厂，四川 宜宾 644612）

1 轴电压的产生及其危害

由于定、转子之间的气隙不均匀以及定子铁芯的局部磁阻较大、磁路不对称等原因，导致发电机的定子磁场存在不平衡，这会使得水轮发电机的转子上产生与轴相交的交变磁通和轴向的感应电势，即轴电压[1]。对于水轮发电机，由于机组转速不高，且通过设计制造和安装单位对机组安装质量的控制，机组正常运行时该感应电势对地不会太高，发电机上端轴轴电压一般不超过2～3 V，某大型电站机组的轴电压也大致处于这一水平。仅某大型电站个别机型因定子磁路设计上的问题，轴电压偏高，峰值甚至达数十V。

在波形特征上，轴电压谐波特征明显，但起主要作用的是基波与三次谐波[2]。以某大型电站机型为例，通过FFT分析，（如图1、2）当机端电压为额定时，三次谐波占整个电压比例的一半以上。随着机端电压的下降，高次谐波比重加大，如电压为40%Un时，15次谐波成主要成分，这说明轴电压的性质与转速有关系。

尽管轴电势数值不大，但在发电机内部各种交变的脉冲磁场的作用下，其峰值却很高（如图1）。由于转子轴内电阻很小，且一般轴承与大轴间只有不到1 mm的油膜间隙，如轴领与大轴间绝缘破坏，它将在轴电压的作用下，沿轴承和底板形成的闭合回路，对轴瓦击穿放电，轴电流可达很大数值（数百到数千安培），对轴瓦造成电气侵蚀，同时使润滑油劣化进一步恶化轴瓦的运行环境。导致油质劣化，轴承震动增大，轴瓦烧伤等事故。从某种意义上讲，轴瓦的破坏程度取决于轴电流的幅值和作用时间；从运行角度来讲，运行人员需要随时或提前知道轴电流的变化或轴承绝缘的损坏程度。因此一次设备制造厂家就提出各种对轴绝缘进行监测的方法。

图1 额定电压下发电机轴电压波形

图2 发电机轴电压FFT分析

2 轴绝缘监测措施

为了防止轴电流对润滑油和轴瓦的损害，大型水轮发电机组主要采用两种预防措施。其一是机组制造厂家在设计上采取在转子下端对大轴采用碳刷接地，在上端轴与上端轴领间加酚醛玻璃板绝缘，以防止轴电流形成回路，同限制大轴对地电位；其二就是采用轴绝缘监测手段对轴绝缘进行监测，以保证在轴电流达到轴瓦的破坏电流值以前，通知运行人员，采取必要的措施。

国内大型水轮发电机组大致采用了两类不同的轴电流监测方案。一类监测方案是加装轴CT，通过监测轴电流监视上端轴绝缘情况；另一类监测方案是采用两块SINEAX V604通用可编程变送器利用姆欧法对上端轴轴领、轴领与大轴间的铜箔及大轴间的绝缘进行分段监视。

（1）轴CT测量法

原某大型电站电站哈电机组采用轴电流保护装置通过轴CT对通过大轴的交流电流的大小进行监测的方法，来间接监视轴绝缘情况。

轴电流监测装置能够通过轴CT将发电机大轴上产生的轴电流检测出来，并根据不同的轴电流值发出相应的信号，从而能有效地防止轴电流的破坏，保护轴承及轴领。同时，轴电流保护装置还可将测量值转换为电流或电压信号送监控记录。

轴电流保护装置由轴电流互感器和轴电流信号装置组成。其结构如图3所示。

图3 轴电流保护装置结构示意图

轴电流监测装置主要监测轴电流中的基波分量与三次谐波分量。轴电流互感器在设计上一方面考虑安装拆卸方便性，设计成两瓣或者四瓣结构，另一方面考虑监测的灵敏性，铁芯采用特殊硅钢片卷绕，可以检测出1 A以下的轴电流。

轴CT正常输出信号较小，为了降低电磁干扰对测量的影响，采取在CT输出端并电阻的方法，将电流信号转为电压信号引至测量装置，但该电压信号仅为几十毫伏，测试不太方便。为了试验方便，除了工作绕组外，轴CT一般还绕有试验绕组，以便解决试验信号弱小而存在的检验困难问题。安装测试绕组后，可通过专门的试验模块，对轴电流保护进行校验。但在正常运行时，应注意断开试验绕组，以防止试验绕组内的感应电流对工作绕组的影响。有些轴电流保护厂家不提供试验绕组电源回路，估计也有这方面的考虑。

轴电流保护的整定值应该是当机组绝缘损坏时，保护装置动作的轴电流不能使轴瓦与轴领损坏为原则，也就是说应以轴瓦所能承受的轴电流作为保护装置整定的依据。按有关资料介绍[3]，当轴电流密度不超过0.2 A/cm2时，可以认为不会导致损坏轴瓦。因此应对机组正常运行的轴电流进行实际测量后，再按以上轴电流密度进行校核，以取得一个合理的整定值。

在实际运行过程中,由于轴CT安装于发电机上端轴段,据有关资料[4]表明机组起励电流对轴电流监测装置是有影响的。因此应对轴电流保护设置一定延时，避过瞬时的脉冲电流，并对峰值进行记录分析，这样，即能保证设备的正常运行，又可发现故障隐患，及早处理。

（2）轴绝缘电阻测量法

向家坝右岸ALSTOM机组、某大型电站ALSTOM机组以及改造后的某大型电站哈电机组为了有效的抑制轴绝缘破坏所造成的危害，加强轴绝缘监视，采用在轴领与大轴绝缘层中加装金属铜箔的方式，将轴领绝缘分为两段，并将铜箔用导线引出到大轴表面的金属环上，采用两块SINEAX V604通用可编程变送器利用姆欧法对两段分别监视绝缘电阻。通过直接测量轴绝缘电阻来检测轴绝缘情况。当其中的一段绝缘损坏后发信，发电机可以继续运行，两端绝缘都异常后跳闸。图4是ALSTOM发电机厂商采用欧姆表法进行绝缘测试的连接示意图。

SINEAX V604通用可编程变送器通过注入幅值为60～380μA自适应的恒定电流信号，测量端口电压来计算回路绝缘情况。装置具备多个信号指示灯。当绿灯闪动表明测量传感器开路，表示被测回路绝缘良好。如果测量电阻低于测量整定值，则指示灯变为常亮，指示被测回路绝缘下降。

图4 测量绝缘回路示意图

对于采用分级轴绝缘方式的发电机，当发电机在运行时，还可采用专用的欧姆表，在上导轴上进行油膜电阻的附加测试。尽管结果不完全可信，但当轴有轻微的擦伤或者有热块恶化时，仍然能指示出一定的金属间的联系。当运行着的电机具有较高的阻值时，表明轴绝缘情况良好。另外，当需了解在高压润滑系统建立油膜、决定启动系统多快能完成油膜建立或在停机时油膜能支持多久的情况时，也可以使用这种测试。

3 轴绝缘监测装置运行情况分析

(1)采用轴CT测量大轴电流的方式，是间接测量方式。但由于其安装位置及安装方式与安装质量的限制，机组内部强磁场、强电场以及可控硅静止励磁装置产生的脉冲等诸多因素，都会影响轴电流测量装置的测量。且由于轴CT的变比较大，其CT二次电流多为毫安级，抗干扰能力差，致使轴CT测量装置在机组正常运行时，可能就已超过整定值而误动。在某大型电站机组投产时，观察到哈电机组轴电流较大，已超过装置显示范围。停机后检查轴绝缘却未发现异常。

经分析，认为引起误差大的主要原因在于：a、轴电流互感器安装平整度、水平度、精密度。b、空间磁场分布不均匀等方面。

由于轴电流测量装置不能真实反映大轴绝缘情况，又由于哈电机组符合安装注入式分段轴绝缘监视装置的条件，为此2008年冬修期间，某大型电站电气维修部保护分部对右岸电站哈电机组进行了大轴绝缘保护的改造，全部改造成注入式轴绝缘电阻监测的方式，运行情况良好。

(2)采用SINEAX V604注入式轴绝缘电阻监测的方式是一种直接测量方式。对于轴电压不高，且磁路设计良好的轴绝缘，监视效果较好。某大型电站ALSTOM机组轴绝缘装置运行情况良好，在机组运行期间，曾监测到轴领根部由大量碳刷粉末堆积导致的轴绝缘下降，并正确告警。但当由于磁路设计不太好而造成轴电压较高，且轴电压中谐波较大时，则需对测量回路采用滤波措施。该装置在某电站机组上采用时，由于ALSTOM对发电机的定子相分支数进行了调整，但未对定子铁芯做相应调整，结果造成磁路有轻微的不平衡，致使轴电压较高，同时轴电压中谐波含量也较高，对SINEAX V604轴绝缘监视装置的测量造成了极大的干扰，后经采用在测量回路上并接滤波电容后，大致消除了对装置测量的影响，装置工作正常。

(3)大轴接地碳刷接地不良将影响轴绝缘监测装置测量，对轴电流测量监视装置的影响尤其明显。且由于某大型电站机组推力轴承与推力头间无绝缘，仅靠位于推导下端的大轴接地碳刷平衡与大地间的地位差。因此大轴接地碳刷的好坏，直接关系到推导轴承的运行安全。因此定期检查大轴接地碳刷是十分有必要的。在进行大轴接地碳刷定期检查或更换工作时应注意检查碳刷在刷握内活动自如，弹簧应压在碳刷中心位置，压力正常，检查发电机碳刷运行正常。

4 结语

本文介绍了国内大型水轮发电机组采用的两种发电机轴绝缘监测方法以及在某大型电站和向家坝电站的应用情况。轴绝缘电阻测量方法更适用于有中间绝缘体、且有引出线结构的发电机。因为其要注入方波信号，该方波如果直接加在没有绝缘层的发电机上，可能对绝缘效果适得其反。ALSTOM机组轴绝缘测量法在某大型电站机组运行中，曾经正确报警，检查发现轴领根部有大量碳刷碳粉堆积，验证了此方法的有效性。

而轴CT的测量方法存在整定值经验不丰富，依据不足的缺点。目前，国内还有其它一些方法，比如在上导瓦外侧与油槽壁绝缘材料中安装引出线等形式，设计原理大同小异，而效果仍有待观察。

[1][德]奥托·豪斯.轴电压和轴承电流及其产生原因对电机的影响和补救措施[A].电机译文集[C],1996:35-38.

[2]徐海潮.发电机轴电流检测器[J].电测与仪表,1997.3:31-34.

[3]王维俭.发电机变压器继电保护应用[M].北京：中国电力出版社,1998:14-15.

[4]陈显芳.轴电流及其监测装置[J].东方电机,1997.1:12-15.