楊海英，劉立春，吳 桃

（國能大渡河枕頭壩發(fā)電有限公司，樂山 614000）

在大型水輪發(fā)電機組長期運行期間，軸承的絕緣性能下降，將產(chǎn)生較大的軸電流以及相對較高的軸電壓。軸承表面的軸電流密度超過0.2 A/cm2，會對軸瓦造成電腐蝕、油膜損壞、軸瓦發(fā)熱以及一系列設備隱患，危及機組的安全穩(wěn)定運行。因此，安全可靠的軸流保護裝置在大型水電機組保護中非常重要。傳統(tǒng)的軸電流在線監(jiān)測系統(tǒng)直接對發(fā)電機軸電流基波和三次諧波振幅進行采樣，當軸電流測量值超過設定的保護閾值時，采取保護措施。但只應用在故障發(fā)生后，仍然對發(fā)電機的安全運行構成威脅。而ATZDL-901 軸電流在線監(jiān)測分析系統(tǒng)可以進一步提升保護動作功能。

軸電流在線監(jiān)測裝置將實時采樣的軸電流測值上傳至后臺數(shù)據(jù)處理軟件，記錄軸電流歷史曲線，并對該數(shù)據(jù)曲線進行趨勢分析；同時高速、高密度采集軸電流、軸電壓，提高電流、電壓波形的置信系數(shù)，在對軸電壓信號進行高速、高精度采樣后，通過傅里葉算法對軸電壓信號進行高次諧波分解運算，用于后期數(shù)據(jù)分析處理；實時判斷出軸電流異常并及時給出告警輸出，該系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用FFT 等算法，并提出一套自學習預報算法，通過對集中收到的數(shù)據(jù)進行完整頻譜分析以及中長期趨勢分析，對軸電流和軸電壓歷史數(shù)據(jù)的學習處理，分析水輪機運行工況，從而在發(fā)現(xiàn)軸電流存在異常趨勢時及時發(fā)出預警。

1 軸電流對發(fā)電機組的影響

水輪發(fā)電機組大軸與軸承之間的潤滑油膜有著很重要的絕緣作用，正常情況下，在油膜的作用下，機組不會產(chǎn)生軸電流，而一旦油膜破壞失去絕緣性能，就會產(chǎn)生很大的軸電流。例如，當軸承底座絕緣墊出現(xiàn)產(chǎn)生油污、老化或者損壞等一系列情況時，會嚴重影響潤滑油膜的絕緣性能，導致絕緣性能降低或消失。當軸電壓高到擊穿轉軸與軸承之間的油膜后，會發(fā)生放電現(xiàn)象，由于油膜、轉軸、軸承座及基礎等回路阻抗極小，導致電流增大，并在軸與軸瓦形成金屬性接觸的瞬間產(chǎn)生灼傷，甚至可達到上千安。這種情況將嚴重危及機組的運行安全。軸電流的電解作用可以使?jié)櫥吞蓟?，油膜的絕緣性能在潤滑油進入熔化的金屬微顆粒之后有一定程度的降低，從而進一步加速電火花的擴展、侵蝕，碳化物和熔化后的金屬微粒會造成潤滑系統(tǒng)污染，在一系列的連環(huán)作用下，油的潤滑性能將會變差，軸承溫度將會升高，導致軸瓦在軸承機械嚴重磨損下燒壞，造成事故停機，大大縮短相關設備的使用壽命，這些都將給生產(chǎn)現(xiàn)場帶來極大的安全隱患和負面影響。因此需對軸電流、軸電壓進行實時在線監(jiān)測，以保證機組的安全運行。

2 軸電流產(chǎn)生的原因

水輪發(fā)電機組的轉軸在轉動的過程中[1-3]，必定會在不對稱的磁場中旋轉，產(chǎn)生此種不對稱磁場的原因有很多，例如，磁場中心與大軸中心不一致，轉子磁極線圈短路等很多因素都有可能會產(chǎn)生不對稱磁場。在該不對稱磁場的作用下，轉軸的兩端會產(chǎn)生感應電勢，也就是軸電壓。如果轉軸兩端軸承沒有具備良好絕緣性能的介質，例如絕緣墊、絕緣油膜，電機兩端軸承支架就會在軸電壓的作用下形成電流回路，也就是軸電流。

軸電壓產(chǎn)生的原因主要可分為以下2 種情況：

（1）存在軸向漏磁；

（2）發(fā)電機轉軸在旋轉時，切割不平衡的磁通。

造成發(fā)電機磁場不平衡，形成軸電壓的原因主要有以下3 種情況：

（1）勵磁回路接地或轉子繞組匝間短路；

（2）由于制造工藝或者安裝工藝等因素產(chǎn)生的氣隙不對稱、磁路不均衡；

（3）發(fā)電機發(fā)生不對稱短路。當發(fā)電機內外部發(fā)生不對稱短路時，感應電流會產(chǎn)生在定子繞組的短路部分，阻止合成磁通通過短路繞組所在的定子區(qū)域，然而，未短路部分正常通磁，這種作用和定子磁路不對稱性質差不多，主要是形成軸向以基頻為主的交變磁通。但是，如果機組定子繞組引出線位于發(fā)電機長度方向的兩側，那么不對稱的外部短路也很有可能產(chǎn)生軸電壓。

3 軸電流在線監(jiān)測分析系統(tǒng)

3.1 軸電流保護功能

ATZDL-901 軸電流在線監(jiān)測裝置通過對軸電流互感器采集到的軸電流信號進行諧波提取算法，提取出軸電流的三次諧波和基波幅值大小來檢測軸承的絕緣情況。當電流基波或三次諧波測值超過設置的閾值則裝置保護動作開出，以此來保護電機軸承，避免軸承的損壞。

當電機內部干擾磁場比較強，并且互感器內部存在三次諧波分量時，裝置將會自動判別基波和三次諧波作為保護動作依據(jù)，從而保證裝置能安全、穩(wěn)定工作。當電機內部磁場干擾特別小，并且二軸電流內部又沒有存在諧波干擾時，該軸電流在線監(jiān)測裝置以基波電流幅值作為保護動作依據(jù)。因電樞磁場的不對稱分布將在大軸產(chǎn)生感應電壓，軸電壓中包含了大量的高次諧波。裝置會采集軸電壓信號并計算分析其各高次諧波信息，配合后臺分析的自學習預報算法，分析出軸電壓的狀態(tài)趨勢，以便盡早發(fā)現(xiàn)問題，在其未對軸承產(chǎn)生危害前處理掉可能出現(xiàn)的問題，防患于未然，保證機組安全可靠運行。

3.2 ATZDL-901 軸電流在線監(jiān)測裝置

ATZDL-901 裝置硬件結構如圖1 所示，核心控制部分均采用先進的嵌入式系統(tǒng)設計，該裝置的所有功能板均采用插件式設計，軟件功能也可以根據(jù)各現(xiàn)場控制要求靈活配置。主要由軸電流在線監(jiān)測裝置和后臺數(shù)據(jù)分析處理軟件兩大部分組成。

圖1 ATZDL-901 裝置硬件結構Fig.1 Hardware structure of ATZDL-901 device

（1）軸電流在線監(jiān)測分析裝置

為了對軸電壓、軸電流進行高精度高速率的采樣和控制運算，裝置由可編程邏輯陣列FPGA、數(shù)字信號處理芯片DSP 和16 位AD 芯片等組成。FPGA芯片主要負責AD 芯片的采樣控制邏輯，開關按鍵控制邏輯、控制邏輯等。DSP 芯片則完成對實時數(shù)據(jù)的基波和三次諧波的濾波運算，人機界面的顯示控制、參數(shù)的設置存儲以及與上位機的數(shù)據(jù)通訊控制。

ATZDL-901 軸電流在線監(jiān)測裝置配置有友好的人機界面，可實時顯示當前軸電壓、軸電流基波和三次諧波的幅值，可以方便的對報警閾值、通訊參數(shù)等進行設置。裝置配有對應于軸電壓和軸電流的4～20 mA 的模擬量的輸出，以便監(jiān)控系統(tǒng)的采集監(jiān)控。

（2）后臺數(shù)據(jù)分析處理軟件

裝置的后臺數(shù)據(jù)分析處理軟件基于國產(chǎn)Linux操作系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，采用國際標準的通信規(guī)范及數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)系統(tǒng)的開放、可擴展。通過專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡接收各個在線監(jiān)測分析裝置原始數(shù)據(jù)，實時計算分析，一旦發(fā)現(xiàn)異常，即時告警。同時，ATZDL-901 軸電流在線監(jiān)測裝置還具備直觀統(tǒng)一的人機圖形界面，清晰展現(xiàn)以下數(shù)據(jù)信息：

1）4 個機組的實時軸電流基波顯示；

2）4 個機組的實時軸電流三次諧波顯示；

3）4 個機組的軸電流基波月波形圖顯示；

4）4 個機組的軸電流三次諧形月波形圖顯示；

5）異常數(shù)據(jù)提示。

（3）功能配置

系統(tǒng)軟件采用專用的大數(shù)據(jù)分析算法，從長期積累數(shù)據(jù)中分析水輪機組運行工況，發(fā)掘其變化趨勢，給出相應處理意見。同時，ATZDL-901 軸電流在線監(jiān)測裝置為滿足各種生產(chǎn)現(xiàn)場控制要求，其核心控制部分采用先進的嵌入式系統(tǒng)設計，裝置各功能板采用插件式設計。具體功能配置如下：

1）保護功能

具備實時報警、動作功能，設置有一級和二級報警功能，可根據(jù)定值設置的動作依據(jù)（電流的基波或三次諧波）和動作閾值進行保護動作。當裝置保護動作時，裝置會記錄實時的電流數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)和保護動作狀態(tài)，并可進行可視化操作分析，最多存儲10 條保護動作波形數(shù)據(jù)。

2）試驗功能

為了方便現(xiàn)場調試，在裝置的試驗模式下，裝置會輸出可調節(jié)的交流試驗電流，將此試驗電流接入到互感器的試驗繞組用于裝置采集和功能的檢測。該功能必須讓裝置處于試驗模式，在該模式下調節(jié)裝置背部的旋鈕即可調節(jié)輸出電流的大小。

3）測控功能

裝置支持1 路軸電流和1 路軸電壓的采樣；支持6 路開關量輸入、輸出；2 路4～20 mA 模擬量輸出，分別對應著電流和電壓幅值，比例可靈活設置。

4）輔助功能

完善的自檢功能，當裝置在自檢期間檢測到裝置故障，裝置會閉鎖所有的開出和保護動作等功能模塊，并記錄故障信息，同時發(fā)送遠方報警信號；完善的事件記錄功能，可記錄裝置各操作信息、狀態(tài)信息、動作信息和報警信息等，最多可存儲64 條事件信息，事件信息存滿后裝置會自動覆蓋最早的事件信息來進行循環(huán)存儲，并可追溯；波形記錄功能，記錄每次軸電流保護動作時的電流數(shù)值、動作狀態(tài)和電壓波形，用于動作響應的事后分析，可追溯；使用4.3 寸TFT 液晶屏和多按鍵構成的友善的人機接口。

5）通信功能

裝置可通過1 個RS485 通訊接口用于與后臺系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，使用Modbus 通訊協(xié)議；在實際應用中可方便快捷的實現(xiàn)與計算機監(jiān)控系統(tǒng)或綜合數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)的通訊及數(shù)據(jù)交互。

4 在線監(jiān)測分析系統(tǒng)技術指標

ATZDL-901 軸電流軸電壓在線監(jiān)測分析裝置的技術指標參數(shù)如下：

（1）工作電壓：220 V DC/AC±20% 50 Hz。

（2）RS485 接口：Modbus 規(guī)約，波特率可編程。

（3）模擬量輸出：軸電流監(jiān)測裝置至少有2 路4～20 mA 的模擬量輸出，即一路軸電流模擬量輸出、一路軸電壓模擬量輸出。

（4）電磁干擾：滿足廠站現(xiàn)場的電磁干擾能力，軸電流監(jiān)測裝置附近1 m 使用對講機不對裝置造成干擾。

（5）數(shù)據(jù)采集：采用“就近采集，通訊上送”的原則，將采集到的數(shù)據(jù)實時傳送至服務器系統(tǒng)。

（6）技術指標類型及相關參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗類型及相關參數(shù)Tab.1 Test types and related parameters

（7）測控功能參數(shù)如表2 所示。

表2 測控功能參數(shù)Tab.2 Measurement and control function parameters

5 結語

水輪發(fā)電機在正常運行的過程中，軸電壓是無法避免、難以更改并一直存在的，主要是因為發(fā)電機本身的結構設計和制造工藝，一旦完成制造，其軸電壓也基本確定，而對于機組軸承來說，軸電流的存在對其有比較大的負面影響，破壞性較強。因此，采用新型軸電流在線監(jiān)測分析系統(tǒng)對軸承的絕緣情況加以實時監(jiān)測、運算、分析，進一步提升機組安全運行穩(wěn)定性，已經(jīng)成為大型水輪發(fā)電機組軸電流保護的必然發(fā)展方向。

因為電磁以及負載電流變化等外界因素很容易干擾到電流互感器二次側電流值。大多數(shù)情況下，水輪發(fā)電機組軸電流保護主要是采用大軸側裝有交流互感器的軸電流保護方式。與之相比較，ATZDL-901 軸電流在線監(jiān)測分析裝置最大優(yōu)點就是可以在一定程度上避免或減小這種干擾，可以實時判斷出軸電流異常并及時給出告警輸出，讓運行和維護人員可以及時發(fā)現(xiàn)設備異常。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場設備實際運行情況，進一步分析、判斷軸電流保護動作的原因，并根據(jù)不同的故障原因采取相應的處置措施，及時處理，從而避免事故的擴大，避免機組因燒瓦等方面發(fā)生的非停事件或者造成的人身設備事故有著極其重大的意義，進一步保障了生產(chǎn)一線人員和設備的安全，為機組安全經(jīng)濟運行提供保證。