长河坝水电站机组轴电流报警原因分析及处理

长河坝水电站机组轴电流报警原因分析及处理

王斌宇

四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川 康定 626000

摘要： 目前, 随着国内水轮发电机组单机容量的不断增加，轴电压成为大型发电机采用自并励不可忽视的问题。正常情况下，机组各轴承对地绝缘良好，产生的轴电流非常小；当绝缘下降后，机组大轴与接地系统构成一个回路，则在整个回路形成很大的轴电流。轴电流长时间作用下将使各导轴承与轴领之间的油膜发生劣化，从而使导轴瓦温度升高，甚至烧毁轴瓦，造成机组停运。长河坝水电站采用哈尔滨电机厂主机及监测设备，4台机组均存在不同程度的轴电流，其中1号机组轴电流最为突出，本文重点介绍长河坝1号机组轴电流超标的排查方法。为同类型机组轴电流分析排查提供参考。

关键词： 长河坝水电站；轴电流；产生原因；危害；排查方法；

Cause Analysis and treatment of shaft current alarm for Changheba Dam unit

Wang Bin Yu

(Sichuan Datang International Ganzi Hydroelectric Co., Ltd, SiChuan KangDing, 626000)

Abstract: At present, with the increasing development of unit installed capacity of hydroelectric generating set in China, the shaft voltage has become a problem that can not be ignored in the application of self-shunt excitation for large hydro generators. Normally, each shaft of the unit is well insulated from the ground, and the generated shaft current is very small. However, When the insulation is reduced, the large shaft unit and the grounding system will form a loop which can form a large shaft current throughout the whole circuit. Under the long-term action of shaft current, the oil film between each guide bearing and collar will be deteriorated, which will lead to the rise of temperature in guide bearing shoe, even burn out the bearing, finally will result in the shutdown of the unit. Changheba hydroelectric power station adopts the main engine and monitoring equipment from Harbin Electric Machinery Factory. There are different degrees of shaft current in our four units, and the shaft current of Unit 1 is the most prominent. This paper mainly focuses on the troubleshooting method of shaft current of unit 1 in Changheba hydroelectric power station, and provides a reference for the analysis and investigation of shaft current of the same type unit.

Key words: Changheba hydroelectric power Station; Shaft current; Causes; Harmfulness; Troubleshooting method;

1 概述

长河坝水电站位于甘孜藏族自治州康定县境内，为大渡河干流水电梯级开发的第10级电站。长河坝水库正常蓄水位1690.00m，死水位1650.00m，具有季调节能力，电站总装机容量2600MW，采用地下厂房开发布置方式，厂房内安装4台650MW的水轮发电机组。

长河坝1-4号机组自投产以来，4台机组均存在不同程度的轴电流。其中1号机组最为明显，发电机轴电流检测装置显示值超过报警值（一级设计报警值10A、二级设计报警值15A），报警输出。在停机状态下，显示轴电流数值为零，当负荷逐渐增加时，轴电流数值相应增大，当负荷达到500MW时，轴电流达到一级报警10A，当满负荷650MW运行时，轴电流达到14A，同时报警灯亮，报警输出。其他机组满负荷时均在5-7A之间。本文重点介绍长河坝水电站1号机组轴电流排查情况。

长河坝轴电流监测系统采用哈尔滨华新电力电子公司的成套设备，装置型号为BZL-10B，轴电流继电器将测量的电流信号经放大器、双通道滤波器、A/D转换、单片机智能分析判断控制，然后输出报警。该轴电流继电器技术参数良好，广泛运用于我国采用哈尔滨电机厂主机的水电站。

2 轴电流产生原因

对于水轮发电机组，首先是两端轴承（上导轴承和下导轴承）产生轴电压，其次是绝缘不良形成闭合回路，产生轴电流。而轴电压的产生原因一般有下列情况：1、电磁不平衡产生轴电压。由于水轮发电机组转子磁轭、定子铁心由扇形冲片、硅钢片叠加而成，不可避免的存在不平衡磁阻，当旋转轴切割交变磁通时就在大轴两端形成轴电压，这是轴电压形成的主要原因。2、静电感应产生轴电压。发电机周围存在高压设备或电缆，在强电场作用下，在大轴两端形成感应电压。3、外部强点介入产生测量轴电压。现场电缆较多且接线复杂，如果测量回路接入外部电源，将产生测量误差。4、励磁电流中存在高次谐波分量产生轴电压。由于励磁电流存在高次谐波，定子绕组端部、转轴之间产生电磁感应，使转轴的电位发生变化，从而产生轴电压。

正常情况下，转轴和各导轴承之间润滑油膜的存在，起到一定的绝缘，且各支撑底座和大地之间安装有绝缘垫，不会构成回路，即不会产生轴电流。但当轴承绝缘破坏时，轴电压会通过回路形成轴电流，对于较低的轴电压，油膜还能起到一定的绝缘作用，不会击穿油膜放电，当轴电压大于某一数值，轴电压将击穿油膜放电，构成回路，且回路阻抗较小，所以产生的的轴电流很大。

3 轴电流产生的危害

较大的轴电流在旋转轴和轴瓦之间产生高温，使轴承转动工况恶化，严重时导轴承局部烧熔，在轴承内表面上烧出小凹坑。其损坏程度将取决于轴电流的幅值和持续时间，轴电流的危害主要体现在以下几个方面：1、在轴承外表面形成电腐蚀。2、轴承内的润滑油在电流和高温作用下稳定性变差，加快润滑油老化，降低润滑性能和绝缘性能。3、导轴承的使用寿命会大大缩短，轻微时轴瓦温度升高，严重情况下将烧毁轴瓦，迫使机组停运，造成严重的生产安全影响和经济效益。长河坝水电站1号机组在满负荷情况下达到14A，远超过设计报警值，严重影响到机组的安全运行，需及时进行原因分析和处理。

4 原因排查及方法

4.1 长河坝水电站轴电流检测系统配置情况

轴电流互感器为穿心式，分成两半安装，安装在发电机转子上部，配有连接板，经螺栓紧固即可构成环形整体，通过四个安装支架固定在发电机机体上，如下图：

图一 安装示意图（D为发电机大轴直径，D+20mm为互感器内径）

互感器与发电机大轴的同心度、水平度允差均为2mm，安装牢固，互感器的试验绕组和工作绕组均用2×4mm2铜线引出机体外专用配电箱，互感器变比为2.0/0.005A。

BZL-10B型轴电流继电保护装置，是利用轴电流互感器检测出来的轴电流基波或三次谐波电流信号，来检测轴承绝缘状态， 有电流基波分量或电流的三次谐波分量进行检测两种工作方式。当发电机内磁场干扰甚小，而轴电流中又无谐波干扰时，仪器即按50HZ频率轴电流进行监测；当内干扰磁场较强，且互感器输出电流中含有三次谐波分量时，仪器可同时测量50HZ 和150HZ信号，电流信号经滤波器滤除50HZ或150Hz的杂散干扰电流，使继电器能够稳定的检测。轴电流装置工作原理如下：

图二 轴电流互感器工作原理

4.2长河坝水电站轴电流报警排查情况

结合现场实际情况和本着由易到难的原则，首先排查二次测量和静电感应、强点介入情况，再排查互感器情况和电磁不平衡。

4.2.1轴电流继电器装置检查

首先检查BZL-10B轴电流继电器参数设置和现场接线正确，然后进行进行装置自检（按下自检按钮）。

1. 调节试验电流调节旋钮至一级报警设定值，一级报警信号灯亮，继续调节试验电流调节旋钮至二级报警设定值，二级报警信号灯亮。

2. 拆除轴电流继电器外部测量接线，用过程校验仪对轴电流装置进行加量检测。逐步增加校验仪输出，装置显示与所加电量一致，排除轴电流继电器装置的问题。

4.2.2测量回路和回路强电接入排查

按照设计图纸全面检查二次回路接线正确且紧固，测试试验绕组和工作绕组的回路电阻分别为0.7Ω、0.8Ω，满足设备说明书的要求（每组绕组的阻值≤4Ω），且回路没有断线。用万用表对回路电压进行测量，电压正常，没有外部电源接入测量回路。

4.2.3励磁电流和感应电测试、电磁不平衡检查

机组在空转状态下记录机组振动摆度和轴电流大小，让机组至空载态，记录下上述两组数值，然后逐步增加机组负荷至满负荷，中间均匀选取8个负荷点，等机组稳定后记录相同的数据。对不同负荷下机组振动摆度和轴电流大小进行比较，机组振动摆度随负荷增加有减小的趋势，轴电流大小随负荷增加而增加（近似线性关系），由此可以排除静电感应和电磁不平衡对机组轴电流大小的影响，励磁电流对轴电流的影响暂不能排除。

4.2.4轴领、接地碳刷等绝缘接地和轴电流互感器安装工艺检查

机组停机后，逐一对发电机各轴领、电刷等进行对地绝缘测试，检查发电机转子接地情况。经排查，轴端接地碳刷接地存在轻微不可靠情况，与转轴接触良好。下导个别轴领绝与大地缘数值偏小。进入发电机转子上部，对轴电流互感器安装工艺进行检查。检查安装切口为0.12mm，满足设备说明书要求的0.15mm，互感器连接螺栓及支架定位螺栓安装合适且牢固。整个轴电流互感器安装满足工业要求，排除安装工艺要求。

5 制定控制对侧与实施效果评价

根据上述排查情况分析，可以确定有如下原因：1、断轴电流与励磁电流增大有关系；2、轴端接地碳刷接地存在轻微不可靠和个别下导轴领绝缘偏小有关。

1. 机组在开机运行时，用滤波仪对励磁电流进行滤波，检测其中的交流分量。在不同负荷下，测得励磁电流中不存在交流分量，也没有检测到高次谐波分量。

2. 针对接地不良请况，机组停机后，对轴端接地碳刷进行全面检查，对下导处与地基础连接的把合螺栓绝缘垫进行更换。

接地情况处理完毕后，1号机组开机进行效果验证。在空载态下，逐步增加负荷，测不同负荷下轴电流大小，机组符合在400MW以下，基本没有轴电流，当负荷达到500MW时，轴电流为0.5A，在满负荷650MW情况下，轴电流为0.7A，远小于设计报警值和处理前的数值。采用同样的分析思路，对另外三台机组进行逐一排查，消除轴电流。

6结语

轴电流对机组可能会造成严重影响，烧坏轴瓦将影响机组安全运行和经济效益，且轴电流普遍存在各类型的发电机中。当机组出现轴电流时必须尽快处理，消除隐患，而本文对长河坝1号机组轴电流进行全面分析和排查处理，为同类型的机组和轴电流检测系统提供了分析思路和处理步骤，具有很强的实用性。

参考文献：

1. 张晓辉、刘彦阳、王炳辉、张勇 某水电站机组轴电流报警原因分析和处理, 人民长江, 2019, 50（z1）

2. 朱万明、何欧、秦恒浩、陈税 轴电流产生原因及防范措施, 重庆西昌矿业, 2019