汽轮发电机轴电压轴电流在线监测装置的研制

史德利，顾守录，王英志，王　永，韩雪辉（. 上海电气电站设备有限公司发电机厂，上海 0040；. 哈尔滨亚源电力有限公司，哈尔滨 50040）

汽轮发电机轴电压轴电流在线监测装置的研制

史德利1，顾守录1，王英志2，王永2，韩雪辉2
（1. 上海电气电站设备有限公司发电机厂，上海 200240；2. 哈尔滨亚源电力有限公司，哈尔滨 150040）

本文简要介绍汽轮发电机轴电压产生原因及危害、轴电压、轴电流测量的工作原理、功能、试验及应用等情况。轮发电机轴电压轴电流在线监测装置能提供发电机轴电压和轴电流在线检测，及时发现过高的轴电压和轴电流，保证了发电机安全可靠运行。

汽轮发电机；轴电压；轴电流；在线监测

0　引言

汽轮发电机组运行过程中轴电压一直是人们非常重视的问题，在 GB/T7064-2008《透平型同步电机技术要求》中要求“应采取适当的措施防止有害轴电流，幵将转轴良好地接地，电机在运行时应能测试出对地绝缘电阻值。带可控静态励磁所引起的脉冲轴电压可能产生油膜损坏，对此应有效防范；轴电压大于20V时应查明原因”。由于轴电压引起的发电机轴颈灼伤，励发靠背轮电腐蚀的事故幵不鲜见。同型号不同容量或同容量不同型号的汽轮发电机轴电压往往有较大的差异。发电机轴电压与运行所带负荷有关，一般来讲发电机所带负荷越高，轴电压越大。因此如何在线监测轴电压产生有害的轴电流是非常必要的。

发电机轴电压和轴电流在线监测技术在国外早有应用，为了满足国内对汽轮发电机安全可靠运行的需要，与哈尔滨亚源电力公司联合开展了发电机轴电压轴电流在线监测装置（技术）的研制。该装置2007年完成研制，2008年8月在国内某电厂完成了现场验证试验，取得预期的试验成果，目前该装置已在多个电厂进行了应用。

本文主要介绍汽轮发电机轴电压、轴电流的测量原理、功能及参数、验证试验及应用等。

1　轴电压产生原因及危害

1.1轴电压产生原因

对于旋转电机，发电机轴电压的产生是不可避免的，其产生原因主要有以下几个方面：

（1）旋转电机的磁路不对称：定子叠片接缝不对称、转子偏心、转子匝间短路、转子阻尼回路不对称、定子相连接不对称及与分数槽绕组有关的谐波磁场在定子磁轭中引起的环形磁通。

（2）通过轴的轴向单极磁通或交变磁通：剩磁、转子偏心、饱和和转子绕组不对称。

（3）来自蒸汽冲刷汽轮机叶片摩擦产生静电荷。（4）静态励磁系统容性耦合电压。

1.2轴电压的危害

如果对轴电压的抑制和防护措施不当，当轴电压达到一定值后，油膜会被击穿而产生轴电流，会在轴颈和轴瓦表面产生电腐蚀，造成发电机转轴的损伤。若励磁机或集电环处轴承绝缘不好，有害的轴电流会引起励发靠背轮接触面电腐蚀，这些都会影响发电机安全可靠运行。

例如，某电厂发电机轴电压引起的轴电流灼伤了励发联轴器，如图1所示。

图1　励发联轴器表面灼伤

1.3抑制有害轴电流的措施

（1）设置励端双层绝缘

发电机励端轴承设置双层绝缘，包括发电机励端轴承、密封瓦座、油管路等绝缘、励磁机或集电环轴承绝缘，使发电机励侧转轴与地充分隔离，从而阻止有害的轴电流形成回路；

水冷发电机转子水管绝缘被电导水桥接，励端轴头通过高阻对地允许微小的轴电流，不会危害发电机。

（2）设置汽端大轴接地

为了抑制由静电荷引起的轴电压，位于汽机和发电机之间的转轴通过接地碳刷接地。容性电压通过在励端轴与地之间安装一个特殊电路来吸收，电阻限制轴电流在无危害的几mA。

2　装置的使用功能、组成及技术参数

本装置应用于所有大、中型汽轮发电机，提供完整的轴电压和轴电流测量装置解决方案，轴电压和轴电流检测数据的采集、处理、分析全部由计算机完成。能够连续在线检测电压和轴电流，幵提供控制、整定和报警。

2.1使用功能

（1）在线检测发电机轴电压、轴电流有效值、峰峰值和波形；能够显示、记录、存储轴电压和轴电流数据；

（2）能满足电厂现场进传报警要求；

（3）提供自动检测电路及试验方法用于检测碳刷接触是否有故障；

（4）可以间接判断发电机励侧转轴对地绝缘是否良好，防止产生有害的轴电流。

2.2组成

全套装置由一个柜体（型号：A-SVUM）组成：柜体装有显示器、工控机、打印机、电源、信号调理、报警单元部件。

2.3技术参数

信号输入路数：4路模拟量输入

轴电压信号范围：0～100V、0～1500Hz

轴电流信号范围：0～10A、有功无功4～20mA

轴电压信号输入阻抗：20kΩ（输入阻抗可按用户要求设定）

有功功率信号范围：4～20mA

无功功率信号范围：4～20mA

系统精度：±1%

A/D转换速率：400kHz

工作电压：220VAC 50Hz

3　测量原理

3.1轴电压测量

发电机轴电压通过轴的汽端和励端碳刷来测量，如图2所示。汽端接地碳刷须确保轴可靠地接地，励端测量碳刷高阻对地，与汽端测量电刷统一接到汽轮机共用接地点上。。

根据大量发电机实际测量轴电压数据统计，轴电压量程选择为 0～30V。目标是测量轴电压所有值，从发电机空载低轴电压到带负荷的轴电压，再到可能引发故障的高轴电压。

图2　轴电压和轴电流测量工作原理

3.2轴电流测量

发电机轴电流通过安装汽端接地线上的穿心式电流互感器来测量，如图2所示。测量回路为汽端接地线、发电机转轴、励端测量电刷。

轴电流量程 0～10A，发电机正常运行期间，轴电流非常低；如果发生故障轴电流将超过0.1A和1A报警值，如果发生严重故障，轴电流可能更高。

3.3变送器

表1　变送器

3.4电刷故障检测

为保证测量轴电压和轴电流的准确，须确保发电机汽、励端碳刷与轴接触可靠。通过装置上自动检测回路可检测汽、励端碳刷与轴接触是否可靠。

3.4.1励端测量碳刷故障

若励端测量电刷没有和轴接触，所测量的轴电压将为零，如图3所示。此时测量的轴电流仍流过无故障汽端接地碳刷，原来流过励端变送器内阻Ri的电流转为流过高阻的励端绝缘。

图3　励端测量电刷故障示意图

3.4.2汽端接地碳刷不接轴故障

若汽端接地碳刷与轴接触，轴电流将减小至零，因轴电流测量回路不再构成闭合回路，如图4所示。此时也不能对轴电压作准确真实的检测，由于汽端没有接地，来自汽轮机侧电荷可能使轴电压升高。

图4　汽端测量电刷故障示意图

3.4.3自动检测回路

通过测试电阻 Rb与内阻 Ri幵联组成循环检测回路，每12h送一个2s脉冲到检测电路，循环检测汽、励端电刷接触是否可靠。

3.5报警

表2　报警值

4　装置的硬件及软件

装置的功能通过变送器、互感器、继电器、二进制传输器、可调电阻、信号采集卡、处理计算机、显示器等实现。变送器转换测量的轴电压和轴电流为0～5V信号，幵接到工控机，通过内部软件编程，实现数据处理，提供4～20mA报警信号进传到控制室。

5　试验

5.1正常检测功能测试

在国内某电厂发电机带负荷状态下轴电压和轴电流实测数据见表3，波形见图5。

表3　轴电压和轴电流实测数据

图5　轴电压和轴电流波形

5.2故障检测功能测试

5.2.1汽端接地碳刷故障

断开汽端接地碳刷接线，装置显示轴电压有效值19.38 V，轴电流有效值0.02A，装置汽端接地故障信号红灯亮，能准确发出故障报警信号。

5.2.2汽端接地碳刷正常

当汽端接地碳刷与轴接触良好，检测电路投入，装置显示轴电压有效值19.20 V，轴电流有效值0.18A，装置汽端接地故障信号灯未亮，无故障报警信号。

5.3励端测量碳刷故障

正常检测时，断开励端接地碳刷接线，装置轴电压跌落，显示轴电压有效值0.33 V，装置励端接地故障信号红灯亮，发出励端测量电刷故障报警信号。

试验表明装置能准确记录发电机带负荷运行时的轴电压、轴电流及波形；故障检测测试动作准确，确保测量数据正确。当轴电压、轴电流超出设定限值，能及时发出报警信号，确保发电机安全可靠运行。

6　应用情况

2006年发电机轴电压和轴电流在线监测装置研发成功，目前已在国内多个电厂百万机组上应用，已投运10余台，实际使用能够实时监测运行中发电机轴电压和轴电流，对异常的轴电压或轴电流发出报警信号，从而保证发电机安全可靠运行。

7　结论

发电机运行时轴电压是不可避免的幵且很难改变的，一般来讲由发电机本身设计结构和制造工艺所决定，一旦发电机制造完成，其轴电压也就确定下来；轴电压与发电机运行所带负荷相关，一般说轴电压随着负荷增大而增大。

与其说预防轴电压，不如说预防产生有危害的轴电流；预防轴电流就是要控制好轴对地绝缘，如果轴对地绝缘良好，那么产生的轴电流就很小，反之会产生较大的轴电流，对发电机转子轴颈和联轴器等造成危害。

当轴电流明显上升，表明轴对地绝缘电阻下降。当轴电流超过限值，该装置会发出报警信号，提示发电机励端绝缘需要检修维护，对发电机安全可靠运行提供及时的保护。

发电机轴电压和轴电流监测装置的成功开发应用，为发电机安全可靠运行提供了一种有效的在线监测手段。

［1］汪耕， 李希明. 大型汽轮发电机设计、制造与运行［M］. 上海： 上海科学技术出版社， 2000.

［2］汤蕴璆. 电机学--机电能量转换［M］. 北京： 机械工业出版社， 1981， 07.

史德利（1968-），1991年本科毕业于哈尔滨电工学院电机专业，2006年工程硕士毕业于哈尔滨工业大学电气工程系，现在上海电气电站设备有限公司发电机厂设计部工作，任主管工程师，高级工程师。

审稿人：毕纯辉

Development of Turbo-generator Shaft Voltage and Shaft Current Monitor

SHI Deli1， GU Shoulu1， WANG Yingzhi2， WANG Yong2， HAN Xuehui2
（1. Generator Works， Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.， Ltd， Shanghai 200240， China；2. Harbin Asia Power Co.， Ltd， Harbin 150040， China）

In this paper the causes and harmfulness of generator shaft voltage are briefly described，also the principle， structure composition， functions and tests for a kind of generator shaft voltage and current monitor are discussed. This monitor can provide online measuring of shaft voltage and current while a generator is operating， and prompt to take some actions in time when detecting high shaft voltage and harmful shaft current. This device is helpful to ensure the safe and reliable operation of a generator.

turbo-generator； shaft voltage； shaft current； online measuring

TM311

B

1000-3983（2016）04-0015-04

2014-08-17