羅胤，李坤鵬，徐鵬，薛方方
（河南國網寶泉抽水蓄能有限公司）

　　摘　要：通過現場檢查、測試、分析，查找水輪發電機軸電流故障的原因，并對軸電流影響發電機正常運行的風險進行評估，介紹處理軸電流故障的思路，為其它發電廠處理類似問題提供參考。
　　關鍵詞：發電機；軸電流；絕緣；間隙；保護

　　0　引言
　　電機運行過程中產生的軸電流主要通過軸電流保護反映。軸電流保護根據測得的電流值發出信號，有效防止電機軸電流對軸承及其導瓦的破壞^[1]。近年來，某電站#2機組軸電流保護多次動作，且每次都在短時間內返回，但現場發電機無相應故障特征，機組振動、擺度正常，定轉子電流、電壓正常，匝間電流正常，機組仍正常運行。鑒于軸電流的破壞性，需探究該發電機產生軸電流的原因，以規避其對發電機的危害。

　　1　發電機軸電流系統介紹
　　機組全速運行時，發電機機械轉動軸中心與電磁軸中心不完全一致（磁路不對稱）以及靜電效應、電容電流、單級效應等，均可導致處于強磁場中的大軸兩端形成電位差^[2～4]，一般為幾伏至幾十伏，稱該電位差為軸電壓^[5～6]。正常運行時，發電機大軸與軸承間的軸電流很小，而在發電機轉動懸空部分與發電機軸承機架接地部分接觸構成軸電流回路時，軸電流增大，會存在損壞大軸、軸承和燒瓦的可能。
　　如圖1所示，發電機軸電流系統一次部分主要由大軸、接地碳刷、推力頭、瓦、機架、短路油膜碳刷（絕緣碳刷）、軸電流互感器、軸與軸承間的絕緣油或間隙構成；二次部分主要由試驗繞組、工作繞組、帶通濾波器、過流繼電器、時間繼電器構成。當大軸與軸承間的絕緣或間隙被破壞時，軸電流便通過大軸、接地碳刷、瓦、機架、大地等構成回路，并通過互感器反映至工作繞組。當軸電流大于保護整定值時，保護動作報警；當持續時間大于保護整定值時，保護出口跳閘。圖1中的軸電流回路為間隙④被破壞后形成的。

　　發電機金屬結構的不同，導致所形成的軸電流回路也可能有區別。如，有的發電機為傘式結構，有的未裝設絕緣碳刷，有的未裝設TA等，都會影響軸電流回路的形成和軸電流的檢測方式。發電機軸電流保護元器件有絕緣碳刷、接地碳刷、軸電流互感器等，它們的作用如下。
　　（1）絕緣碳刷（短路油膜碳刷）：軸承絕緣破壞后，由于油膜阻抗遠大于絕緣碳刷阻抗（油膜阻抗在額定轉速時可達50kΩ），因此軸電流不會通過軸瓦形成回路，絕緣碳刷起到保護油膜和軸瓦的作用，但是大軸與絕緣碳刷摩擦會形成碳粉掉進油盆，污染油質并導致保護誤動。部分電廠未裝設絕緣碳刷。
　　（2）接地碳刷：可防止大軸絕緣被充電形成的高電壓擊穿，還可釋放摩擦積累的電荷，確保離原動機較近的軸承為零電位點。絕大多數電廠裝設接地碳刷。
　　（3）軸電流互感器：將一次側電流反映至二次側，便于配置保護、監測裝置，但是其二次側輸出易受外界電磁和負荷電流的干擾。
　　（4）發電機結構：傘式機組的推力軸承位于發電機下部，與下導軸承和接地碳刷接近，為零電位點，僅在上導軸承設置絕緣，軸電流保護只保護上導軸承；懸式機組的推力軸承位于發電機上部，上導軸承和推力軸承均設有絕緣，軸電流保護既保護上導軸承又保護推力軸承。
　　（5）軸電流保護類型：電壓型保護采用電壓繼電器或電壓模塊反應軸電流；電流型保護采用電流繼電器或電流模塊反應軸電流。

　　2　故障診斷與測試
　　分析發電機結構和軸電流形成原理，可知有以下可能原因導致產生軸電流。
　　（1）軸電流保護裝置因故障而誤動。
　　（2）軸電流互感器故障不能反映真實的軸電流。
　　（3）軸電流互感器二次側輸出回路受外界電磁干擾。
　　（4）傳感器等二次元件絕緣破損的導線搭接于大軸或傳感器等二次元件接線直接與軸電流互感器二次接線形成寄生回路。
　　（5）接地碳刷接觸不牢固導致發電機大軸被充電^[7]，瞬時放電擊穿絕緣或間隙較薄弱處。
　　（6）軸與軸承間的絕緣層或間隙被破壞。
　　2.1軸電流保護裝置校驗
　　（1）二次側校驗。保護裝置整定為1mA，延時1s。在工作繞組接入毫安表、保護測試儀后，逐漸增大保護測試儀電流，直至保護裝置動作。實測值為0.996mA，延時1023ms，保護裝置正確動作。
　　（2）一次側校驗。在工作繞組接入毫安表，試驗繞組（4匝）接入電流表和保護測試儀后，逐漸增大通入試驗繞組的電流，測量工作繞組中的感應電流，結果見表1。

　　由表1可知，試驗繞組的輸入與工作繞組的輸出并不是標準的線性關系，這是因為工作繞組中的感應電流是由雜散磁場的不平衡磁通切割軸產生的。但是，在保護裝置的整定范圍（0～2mA）內，工作繞組可基本反映一次軸電流，即使故障軸電流過大，瞬間使軸電流互感器達到飽和，保護裝置也能準確動作，正確反映電機軸電流。該數據與保護說明書及出廠試驗報告一致，可判斷保護裝置功能正常。
　　2.2軸電流互感器試驗
　　軸電流互感器為環形分瓣結構，互感器鐵芯被分為兩部分。現場將互感器拆除后進行試驗。
　　（1）用500VDC絕緣搖表對互感器的工作繞組、試驗繞組、屏蔽電纜進行絕緣試驗，測試時間為1min。測試結果顯示，絕緣電阻均大于100MΩ，滿足要求。
　　（2）用互感器測試儀測量軸電流互感器的伏安特性及二次負載，并與出廠時的數據對比，數據基本無變化。
　　為徹底排除軸電流互感器損壞可能，現場將#1、#2機組的軸電流互感器互換后進行整組測試。啟機運行10min內，仍出現軸電流保護動作報警，說明軸電流的產生與軸電流互感器無關。
　　2.3保護動作行為分析
　　按IEEE112標準進行電機軸電流的測量與錄波。將測得的電流與錄制的一次、二次電流波形進行對比，分析故障時的軸電流保護動作，并判斷故障軸電流是否由外界電磁干擾造成的^[9]。試驗接線如圖2所示。接線完畢，啟動機組運行，并逐步增加發電機負荷，測得的軸電流數據見表2。

　　在負荷逐漸增至250～300MW時，連續出現2次軸電流保護動作報警。該保護動作開關量能啟動錄波裝置，錄制的軸電流波形如圖3所示。

　　（1）對比軸電流一次、二次波形圖可知，二次電流隨一次電流的增大而增大，軸電流保護動作的時間與一次電流突增時間相吻合，由此可判斷軸電流保護動作并非由外界電磁干擾所致。
　　（2）對比表1、表2，并結合互感器測試結果進行分析，機組運行時的數據與軸電流保護靜態測試的數據基本吻合，由此可判斷軸電流互感器沒有故障，其二次回路完好，二次電流的數據是真實有效的。
　　（3）通過分析軸電壓及靜、動態時軸電流數據可知，不存在傳感器等二次元件導線搭接大軸或傳感器等二次元件接線搭接互感器二次接線形成寄生回路的可能。
　　（4）故障發生時，軸電壓有降低的趨勢，錄波圖也反映軸電流有明顯突變，且該故障為瞬時發生的，軸電流幅值很大。
　　結論：軸電流保護的測量電流基本正確反映了一次電流，保護動作原因是軸電流確實存在，軸電流保護正確動作。由于軸電流保護本體無故障，因此故障點在軸電流的一次回路上。
　　2.4碳刷檢查與測試
　　接地碳刷位于發電機下導軸承下部，是發電機大軸的零電位點。該接地碳刷脫落或與大軸接觸不良，都可能導致發電機大軸電荷不斷積累，軸電壓升高。電壓過高時，大軸可能對絕緣薄弱處放電，產生瞬時軸電流并形成電腐蝕區，進而破壞軸承及其導瓦。絕緣碳刷或轉子導電碳刷與發電機轉軸摩擦可能脫落或產生的大量碳粉搭接在絕緣或間隙間形成軸電流回路。
　　現場檢查碳刷表面完整無異常，碳刷的磨損量不足80%，碳刷牢固地固定在支架上，無松動跡象，碳刷與大軸接觸良好并無碳粉附著和累積。
　　為徹底排除軸與軸承間絕緣層被破壞形成軸電流的可能，在絕緣碳刷引線處接入電流表。若軸與軸承間的絕緣層被破壞而形成軸電流回路，則絕緣碳刷必為回路的一部分，即使絕緣層與軸瓦油膜同時被擊穿，部分軸電流也會流過絕緣碳刷。啟動機組進行測試，在啟動機組運行6min內，機組仍出現軸電流保護動作報警，而電流表讀數為零，說明軸電流未從絕緣碳刷處流過，必然由其它回路產生。
　　2.5軸與軸承的絕緣和間隙檢查與測試
　　圖1所示機組軸與軸承間僅在推力頭部分有一層絕緣，發電機的其它部位均靠間隙來阻斷軸電流通路。發電機推力頭為兩部分嵌套結構，在兩部分間設有絕緣層。絕緣層為兩層式結構，單層絕緣皮厚2mm，絕緣層中心為金屬層，方便進行絕緣測試。用500VDC絕緣搖表對兩絕緣層進行測試，時間為1min。測試結果顯示，兩層絕緣層電阻均大于2GΩ，滿足絕緣要求。
　　固定螺栓或螺桿松動可能造成軸與軸承間的間隙發生變化，導致大軸與軸承在發電機轉動時接觸，并構成軸電流回路。對發電機間隙進行重新測量，結果見表3。

　　對比間隙檢查結果與發電機安裝調試報告可知，主要間隙的尺寸并未發生較大變化，也未發現有異常位移的間隙，因此再次檢查各間隙間有無放電痕跡、有無異物或粉塵搭接。
　　拆除上導油盆下部擋油環后，利用內窺鏡檢查發現擋油桶的頂部與大軸間有輕微放電痕跡；大軸與推力頭間的定位鍵間的間隙有一直徑約為15mm的扇型金屬異物（厚度忽略不計）。

　　3　原因分析及風險評估
　　根據發電機一次、二次、機械部位的檢查結果以及發電機上導推力結構圖，確定了軸電流回路，如圖4、圖5所示。

　　該異物在大軸與推力頭間，即圖4、圖5中“圓圈”所示位置。但是，推力頭部位外部絕緣層的存在，致使該異物在該位置也不可能構成軸電流回路。該異物隨發電機轉動可能存在以下情況。
　　（1）間隙②大于異物較大直徑，因此異物不可能直接搭接在擋油桶的頂部與絕緣墊間，而是隨著發電機轉動可能越過間隙②到達間隙⑤。間隙⑤為10mm，小于異物直徑，因此異物可能卡在該位置。但是大軸與擋油桶間仍存在間隙，故該情況下不可能構成故障電流回路。
　　（2）隨著發電機轉動，異物可能越過間隙②、間隙⑤直接到達油盆內，但間隙④的存在，導致該情況下不可能構成故障電流回路。
　　（3）間隙④為10mm。異物越過間隙③直接進入間隙④后便很難再回到大軸與推力頭間，且異物在間隙④內，每次發電機啟動時，異物都會搭接構成故障回路，那么軸電流保護必然動作，然而現場軸電流保護并不是在每次機組啟動時都動作，因此異物搭接于間隙④構成回路的可能性不大。
　　（4）根據擋油桶頂部與大軸間的間隙為13mm，略小于異物較大直徑，以及擋油桶頂部與大軸間有輕微放電等現象，認為該異物能隨發電機的轉動到達間隙③。由于間隙③存在該異物活動的空間，因此異物隨發電機一起轉動，并可能搭接在大軸與擋油桶間，構成軸電流回路。該軸電流是隨機的出現的，呈瞬時突變狀態。在隨發電機轉動的過程中，該異物還可能回到推力頭間隙內，此時故障軸電流消失。
　　風險評估：根據發電機結構圖，推測軸電流形成回路為大地-上機架-推力瓦架-擋油桶-大軸-接地碳刷-大地。該軸電流不通過上導推力軸瓦，也不通過絕緣碳刷，因此在絕緣碳刷處檢測不到。該軸電流雖然不會引起燒瓦事故，但是會對大軸造成部分電腐蝕，進而影響發電機壽命，因此需將異物取出。

　　4　結束語
　　發電機結構的多樣化，導致現場往往較難定位故障點，尤其是出現瞬時的、反復的軸電流故障信號時。因此，需提高二次人員對發電機結構的熟知程度，加強各專業間的溝通學習，在出現軸電流保護動作信號時保持思路清晰，同時借助相關儀器的測試數據加以分析，快速排除故障。

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來源： 《電工技術》