周精明，羅紅云，吳義斌，陳 晗

（廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 桂平 537226）

1 概述

大藤峽水利樞紐擁有國內(nèi)最大單機(jī)容量200 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，其中左岸廠房的3臺(tái)（8號(hào)、7號(hào)、6號(hào)）機(jī)組已投產(chǎn)發(fā)電。機(jī)組主要設(shè)備有哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的SF 200-88/17200型水輪發(fā)電機(jī)，浙富公司生產(chǎn)的ZZ-LH-1040型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，機(jī)組調(diào)節(jié)方式為導(dǎo)葉、槳葉協(xié)聯(lián)雙重調(diào)節(jié)。大藤峽水利樞紐水輪發(fā)電機(jī)軸電流互感器安裝在推力軸承和下導(dǎo)軸承之間，能有效減少轉(zhuǎn)子磁場干擾。裝設(shè)有專門的軸電流監(jiān)測(cè)裝置，通過軸電流互感器的精確感應(yīng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸電流有效值、軸電流基波分量（50 Hz）幅值、軸電流三次諧波分量（150 Hz）幅值，并在數(shù)值異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并實(shí)現(xiàn)軸電流保護(hù)。本文基于大藤峽水利樞紐機(jī)組軸電流異常的實(shí)際案例，對(duì)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組軸電流異常的情況進(jìn)行檢測(cè)與分析，得出造成軸電流異常的兩種主要原因，并提出軸電流異常的防范措施。

2 軸電流產(chǎn)生機(jī)理及危害

同步發(fā)電機(jī)的磁路往往不對(duì)稱，這種不對(duì)稱通常是由于定子鐵心組合縫、定子硅鋼片接縫、定子與轉(zhuǎn)子空氣間隙不均勻造成的，在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)發(fā)電機(jī)磁路更是不對(duì)稱。發(fā)電機(jī)主軸在這種不對(duì)稱磁場中旋轉(zhuǎn)，會(huì)在其兩端產(chǎn)生交流電壓即軸電壓，如果電機(jī)主軸兩端軸承沒有絕緣墊，或者轉(zhuǎn)軸與軸承間絕緣油膜含有雜質(zhì)超標(biāo)，軸電壓將擊穿油膜而放電，這個(gè)電壓就會(huì)通過電機(jī)兩端軸承支架形成電流回路，這個(gè)電流叫軸電流[1]。

正常情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與軸承間存在油膜絕緣，較低的軸電壓不會(huì)產(chǎn)生軸電流。但當(dāng)軸承絕緣因損壞、老化等原因失去絕緣性能，軸電壓會(huì)擊穿軸承油膜并形成軸電流。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與外殼基座也會(huì)由于其他原因構(gòu)成閉合回路、形成軸電流。由于該閉合回路阻抗極小，在軸電壓的作用下，將會(huì)形成較大的軸電流，導(dǎo)致潤滑和冷卻的油質(zhì)逐漸劣化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞軸瓦，造成停機(jī)事故[2]。

3 軸電流異常情況

7號(hào)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電后，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)多次報(bào)出軸電流告警動(dòng)作，軸電流告警設(shè)定值為5A，發(fā)電機(jī)保護(hù)盤柜中軸電流跳閘壓板未投入?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)軸電流監(jiān)測(cè)裝置中軸電流有效值示數(shù)維持在4 A左右，僅在機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)跳變幾次，幅度大約為1～2 A，初步判斷軸電流告警信號(hào)是由幾次短暫跳變?cè)斐伞?號(hào)機(jī)組首次升壓過程中，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)持續(xù)報(bào)出軸電流告警動(dòng)作，軸電流告警設(shè)定值為5 A，發(fā)電機(jī)保護(hù)盤柜中軸電流跳閘壓板未投入?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)軸電流監(jiān)測(cè)裝置軸電流有效值示數(shù)為18.5 A，機(jī)端電壓達(dá)到額定電壓（15.75 kV)時(shí)，軸電流有效值示數(shù)穩(wěn)定在14 A左右，已超過機(jī)組軸電流告警設(shè)定值5 A的2.8倍。為避免軸電流繼續(xù)上升，需要找出軸電流產(chǎn)生的根源，并采取防范措施，確保機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

4 檢測(cè)方法

針對(duì)大藤峽水利樞紐7號(hào)、6號(hào)機(jī)組存在的軸電流異常問題，結(jié)合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，以對(duì)軸電流成因進(jìn)行分析。

4.1 7號(hào)機(jī)組檢測(cè)項(xiàng)目

4.1.1 絕緣電阻測(cè)量

7號(hào)機(jī)組在檢修態(tài)時(shí)，分別測(cè)量軸絕緣銅絲網(wǎng)觸點(diǎn)對(duì)大軸的絕緣電阻、軸絕緣銅絲網(wǎng)觸點(diǎn)對(duì)滑轉(zhuǎn)子的絕緣電阻、滑轉(zhuǎn)子對(duì)大軸的絕緣電阻，分析絕緣電阻測(cè)值可知，這三者之間的絕緣均滿足要求。數(shù)據(jù)見表1。

表1 絕緣電阻值

同時(shí)，測(cè)量7號(hào)機(jī)組大軸接地碳刷對(duì)地電阻值為0.2 Ω，證明接地碳刷接地良好。

4.1.2 軸電流測(cè)量

7號(hào)機(jī)組帶負(fù)荷112 MW時(shí)，軸電流監(jiān)測(cè)裝置軸電流有效值示數(shù)為4.69 A，軸電流基波分量（50 Hz）幅值示數(shù)為1.35 A，軸電流三次諧波分量（150 Hz）幅值示數(shù)為2.75 A。測(cè)量接地碳刷接地處電流值為2.08 A。

4.2 6號(hào)機(jī)組檢測(cè)項(xiàng)目

6號(hào)機(jī)組額定電壓空載時(shí)，軸電流監(jiān)測(cè)裝置軸電流有效值示數(shù)為13.87 A，軸電流基波分量（50 Hz）幅值示數(shù)為3.55 A，軸電流三次諧波分量（150 Hz）幅值示數(shù)為10.18 A。測(cè)量接地碳刷接地處軸電流值為2.9 A。

6號(hào)機(jī)組帶負(fù)荷128 MW時(shí)，軸電流監(jiān)測(cè)裝置軸電流有效值示數(shù)為19.81 A，軸電流基波分量（50 Hz）幅值示數(shù)為6.88 A，軸電流三次諧波分量（150 Hz）幅值示數(shù)為14.94 A。測(cè)量接地碳刷接地處軸電流值為4.3 A。

5 原因分析

大藤峽水利樞紐7號(hào)機(jī)組帶負(fù)荷后，軸電流一般在2 A～5 A范圍波動(dòng)，偶爾出現(xiàn)跳變超過10 A。6號(hào)機(jī)組帶128 MW負(fù)荷時(shí)，軸電流達(dá)到19.81 A。通過對(duì)機(jī)組運(yùn)行情況了解和機(jī)組結(jié)構(gòu)分析，以及對(duì)7號(hào)、6號(hào)機(jī)組一些針對(duì)性檢測(cè)試驗(yàn)，分析得出大藤峽水利樞紐水輪發(fā)電機(jī)軸電流形成原因如下。

軸電流形成必須有兩個(gè)條件，一個(gè)是存在電位差（轉(zhuǎn)子上下產(chǎn)生的軸電壓），另一個(gè)是存在電流回路。

5.1 軸電流回路

大藤峽水利樞紐水輪發(fā)電機(jī)軸電流互感器安裝在接地碳刷上方、推力軸承和下導(dǎo)軸承之間，依據(jù)發(fā)電機(jī)總裝圖和水輪機(jī)主軸操作油管裝配圖，軸電流互感器能檢測(cè)到的回路電流應(yīng)為兩條回路，即圖1所示的內(nèi)回路（回路②）和外回路（回路①）。

圖1 軸電流產(chǎn)生等效電路圖

內(nèi)回路（回路②）由大軸外壁和水輪機(jī)主軸操作管路構(gòu)成一個(gè)電阻回路，外回路（回路①）由大軸外壁和滑轉(zhuǎn)子絕緣、油膜、油擋等與大地構(gòu)成一個(gè)電容回路。

外回路（回路①）多處設(shè)置了防軸電流絕緣：軸與滑轉(zhuǎn)子設(shè)軸絕緣、軸與油槽油擋設(shè)絕緣密封體、水輪機(jī)操作油管靜止部分與上機(jī)架處設(shè)有絕緣、水輪機(jī)操作油管引出管路法蘭位置設(shè)絕緣，外回路（回路①）上所設(shè)置的絕緣可以將軸電流回路阻斷。滑轉(zhuǎn)子和上導(dǎo)瓦之間的油膜也具有較好的絕緣性能，整個(gè)回路中，任何兩個(gè)導(dǎo)體間絕緣都構(gòu)成一個(gè)電容，如絕緣良好，整個(gè)回路的電流為電容電流，一般數(shù)值較小。如絕緣損壞，回路中可能同時(shí)存在電阻和電容電流，數(shù)值較大時(shí)，需要對(duì)絕緣進(jìn)行修復(fù)，阻斷電阻電流。

內(nèi)回路（回路②）由大軸外壁和水輪機(jī)主軸操作油管構(gòu)成軸電流回路，在這個(gè)回路里，操作油管有3處和大軸連接處未設(shè)絕緣，可由軸電壓作用在回路中產(chǎn)生電阻電流。軸電流互感器只能測(cè)到大軸外壁流過的電流，而通過水輪機(jī)主軸操作油管流回的電流（指內(nèi)回路②）由于大軸的屏蔽作用，互感器無法測(cè)得。同理，軸電壓只產(chǎn)生在轉(zhuǎn)子上下的大軸上，水輪機(jī)主軸操作油管由于大軸對(duì)磁場的屏蔽作用，是不產(chǎn)生軸電壓的，故產(chǎn)生內(nèi)外回路軸電流的電壓是同一軸電壓。

5.2 軸電流互感器監(jiān)測(cè)電流

（1）內(nèi)回路（回路②）的電阻電流；

（2）外回路（回路①）的電容電流；

（3）轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，注入式20 Hz的交流電軸電流監(jiān)測(cè)裝置不顯示（軸電流監(jiān)測(cè)裝置只顯示50 Hz和150 Hz）。

5.3 跳變?cè)?/h3>

因?yàn)檩S電壓產(chǎn)生原因復(fù)雜、因素多，轉(zhuǎn)子上下感應(yīng)的軸電壓不僅含有基波，還有高次諧波。而且，軸電壓波形電壓還有跳變峰值，相對(duì)應(yīng)電阻電流和電容電流也發(fā)生跳變。另外也可能存在與軸接觸的部件所設(shè)絕緣有虛接或動(dòng)靜部件輕微刮碰的現(xiàn)象。電阻電流和電容電流公式分別為：

式中：u—軸電壓；R—回路電阻。

式中：f—頻率；U—電容電壓；C—電容。

產(chǎn)生電阻電流和電容電流的電壓（軸電壓）是同一個(gè)電壓。

6 處理措施

（1）由于機(jī)組運(yùn)行，防軸電流所設(shè)置的絕緣不能全部檢測(cè)，不排除有個(gè)別絕緣性能差，可在機(jī)組檢修期對(duì)各處絕緣進(jìn)行檢測(cè)。

1）機(jī)組停機(jī)時(shí)，需檢查圖2各處絕緣是否有問題。如絕緣電阻滿足要求，可將軸電流監(jiān)測(cè)裝置中一級(jí)報(bào)警值設(shè)定為8 A,二級(jí)報(bào)警值設(shè)定為15 A；

2）停機(jī)時(shí)，需檢查水輪機(jī)主軸操作油管轉(zhuǎn)動(dòng)部分與固定部分間隙，排查是否可能在機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)部分與固定部分虛連接，引起軸電流跳變；

（2）根據(jù)大藤峽水利樞紐機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建議將軸電流互感器安裝在接地碳刷處，監(jiān)測(cè)流過上導(dǎo)軸承油膜的電容電流(可能造成破壞油膜的電流)。

（3）根據(jù)大藤峽水利樞紐機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，大軸外壁和水輪機(jī)主軸操作油管間存在較大電阻電流。由于軸電流互感器安裝位置(在下導(dǎo)軸承和推力軸承之間)還有部分電阻電流沒測(cè)到，為降低內(nèi)回路②的電阻電流，建議在水輪機(jī)主軸操作管路與發(fā)電機(jī)大軸連接處加裝絕緣。

（4）若要軸電流互感器能真實(shí)反應(yīng)會(huì)影響水輪發(fā)電機(jī)的軸電流值，需要斷開內(nèi)回路②，內(nèi)回路斷開的方法是在頂軸和受油器連接處設(shè)置絕緣墊。

圖2 絕緣檢測(cè)位置

7 結(jié)論

綜上所述，本文結(jié)合實(shí)際案例，深入分析了大藤峽水利樞紐水輪發(fā)電機(jī)軸電流異常原因及檢測(cè)方法，分析結(jié)果表明，水輪發(fā)電機(jī)軸電流在運(yùn)行中是客觀存在的，很難從根本上得到有效控制[3]。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組軸電流異常的主要原因有2種，1種是由大軸外壁和大軸內(nèi)部操作管路構(gòu)成電阻回路形成軸電流；第2種是由大軸外壁和滑轉(zhuǎn)子絕緣、油膜及油擋等與大地構(gòu)成電容回路形成軸電流。其中由大軸外壁和滑轉(zhuǎn)子絕緣、油膜及油擋等與大地構(gòu)成電容回路形成的軸電流才有可能破壞軸承油膜，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞軸瓦。在具體處理中，可根據(jù)軸電流形成的原因，從絕緣檢測(cè)及修復(fù)、更改軸電流互感器位置、受油器絕緣阻斷3個(gè)方面來考慮，確保軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。