羅胤，李坤鵬（péng），徐鵬，薛方方
（河南國網寶泉抽水（shuǐ）蓄能有限公司）

　　摘　要：通過現場檢查、測（cè）試、分（fèn）析（xī），查找水輪發電機軸（zhóu）電（diàn）流故障的原因，並對（duì）軸電流（liú）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（tā）發電廠處理類似問題提供參考（kǎo）。
　　關鍵詞：發電機；軸（zhóu）電（diàn）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（diàn）流保護反映。軸電（diàn）流保護根據（jù）測得的電流值發出信號，有效防（fáng）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（zuò），且每次都在短時間內返回，但現場發電機無相（xiàng）應故障（zhàng）特（tè）征，機組振動、擺度正常，定轉子電流、電壓正（zhèng）常，匝間（jiān）電（diàn）流正常，機組仍正常運行。鑒於軸電流的破壞性，需（xū）探究該發電機產（chǎn）生軸電流的（de）原因，以規避其（qí）對發電（diàn）機（jī）的危害（hài）。

　　1　發電機軸電流係統介紹（shào）
　　機組全速運行時，發（fā）電機機械轉動軸中心與（yǔ）電（diàn）磁軸中心不完（wán）全一致（磁路不對稱）以及靜（jìng）電效應、電容電流、單級效應等，均（jun1）可導致處於強磁場中的（de）大軸兩端形成電（diàn）位差^[2～4]，一般為幾伏至幾（jǐ）十伏，稱（chēng）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（zhóu）電流很小，而在（zài）發電機（jī）轉動懸空部（bù）分與發電機軸承機架接地部（bù）分接觸構成軸電（diàn）流回路（lù）時，軸電流增大，會存（cún）在損壞大軸、軸承和燒（shāo）瓦的（de）可能。
　　如圖1所示，發電機軸電流係（xì）統一次部分主要由大軸、接地（dì）碳刷（shuā）、推力頭（tóu）、瓦、機架、短路油膜碳刷（絕緣碳刷）、軸電流互感器、軸與軸（zhóu）承間（jiān）的絕緣油或間隙構成（chéng）；二次部分主要（yào）由（yóu）試驗繞組、工作繞（rào）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（jiān）隙被破壞時，軸電流便通過（guò）大軸、接地碳刷、瓦、機架、大地等構成回路，並通過互感器反映至工作（zuò）繞組。當軸電（diàn）流大（dà）於保護整定值時，保護動作報警；當（dāng）持續時間大於保護整定值時，保護出口跳閘。圖1中的軸電流（liú）回路為間隙④被破壞後形成的。

　　發電機（jī）金（jīn）屬結構（gòu）的不同，導致所形成的（de）軸電流回（huí）路（lù）也可能有區別。如，有的發電機為傘（sǎn）式結構，有的未裝（zhuāng）設絕緣碳刷（shuā），有（yǒu）的未裝設TA等，都會影響軸電流回路的形成和軸電（diàn）流（liú）的（de）檢測方（fāng）式。發電機軸電流保護元器件（jiàn）有絕緣碳刷、接地碳刷、軸電流互感器等，它（tā）們的作用如下。
　　（1）絕緣碳刷（短路（lù）油膜（mó）碳刷）：軸承絕（jué）緣破壞後，由（yóu）於（yú）油（yóu）膜阻抗遠大於絕緣碳刷阻抗（油（yóu）膜阻抗在額定轉（zhuǎn）速時可達（dá）50kΩ），因此軸電流不會通過軸瓦形成回路（lù），絕緣碳刷起到保護油膜和軸瓦（wǎ）的作用，但是大軸（zhóu）與絕緣碳刷摩擦會形成碳粉掉進油盆，汙染油質並導致保護誤動。部分電廠未裝設絕緣碳刷。
　　（2）接地碳刷：可防（fáng）止大軸絕緣被充電形成的（de）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（liú）反映至二次側，便於配置保護、監測裝置，但是（shì）其二次側輸出易受外界電磁（cí）和負荷電（diàn）流的幹擾。
　　（4）發電機結構：傘式機組（zǔ）的推力軸承位於發電（diàn）機下（xià）部，與下導軸承和接地碳刷接（jiē）近（jìn），為零電位點，僅在上導軸承設置絕緣，軸電流保（bǎo）護隻保護上導軸承；懸式機組（zǔ）的推力軸承位於發電機上部，上導軸承和推力軸（zhóu）承均設有絕緣，軸電流保護（hù）既保護上導軸承又保護推力軸（zhóu）承。
　　（5）軸電流（liú）保護類型：電壓型（xíng）保護采用電壓（yā）繼（jì）電器或電（diàn）壓模塊反應軸電流；電流型保（bǎo）護采用電流繼電（diàn）器（qì）或電流模塊反應軸電流（liú）。

　　2　故障診斷與測試
　　分析發（fā）電機結構和軸電流形成原理，可知有以下可（kě）能原因導致產生軸電流。
　　（1）軸（zhóu）電流保護裝置因故（gù）障而誤動。
　　（2）軸電流互感器故障不（bú）能反映真實（shí）的軸電流。
　　（3）軸（zhóu）電流互感器二次側輸出回路受外界電磁（cí）幹擾。
　　（4）傳感器等二次元（yuán）件絕緣破（pò）損（sǔn）的導線搭接於大軸或傳感器等二次元件接線直接與（yǔ）軸電流互感器二次接線形成寄生回路。
　　（5）接地碳刷（shuā）接觸（chù）不牢固導致發電（diàn）機大軸被充電^[7]，瞬時（shí）放電（diàn）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（zhuāng）置（zhì）整定為1mA，延時（shí）1s。在工作繞組接入（rù）毫安表（biǎo）、保護測（cè）試儀後，逐（zhú）漸（jiàn）增大保護（hù）測試儀電流，直至保護裝置動作。實測（cè）值為0.996mA，延時1023ms，保護裝置（zhì）正確（què）動作。
　　（2）一次側校驗。在工作繞組接入毫安表（biǎo），試驗繞組（4匝）接入電流表和保護測試儀後，逐漸（jiàn）增大通（tōng）入（rù）試驗繞組的電流，測量（liàng）工作繞組中（zhōng）的感應電（diàn）流，結果見表1。

　　由（yóu）表1可知，試驗繞組的輸入與工作繞組的輸出並不（bú）是（shì）標準的線性關係，這是因為工作繞（rào）組中的（de）感應電流是由雜散磁場的不平衡磁通切割軸產生（shēng）的。但是，在保護裝置的整定範圍（0～2mA）內，工作繞組可基本反映一次軸電流，即（jí）使故障軸電流過大，瞬間使軸電流互感器達到飽和，保（bǎo）護裝置也（yě）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（chū）廠試（shì）驗報告一致，可判斷保護裝置功能正常（cháng）。
　　2.2軸電（diàn）流互感器試驗
　　軸電流互感器為環形分（fèn）瓣（bàn）結（jié）構，互感器鐵芯被分為兩（liǎng）部分（fèn）。現場將互感器拆除後進行（háng）試驗。
　　（1）用500VDC絕（jué）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，絕緣電阻均大於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（xìng）及二次負載（zǎi），並與出廠時的數據對比，數據基本無（wú）變化。
　　為徹底排除軸電流互感器（qì）損壞可能，現場將#1、#2機組的軸電流互感器互換後（hòu）進行整組測試。啟機運行10min內，仍出現（xiàn）軸電流（liú）保護動作報警，說明軸電流的產生與（yǔ）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。將測得的電流與錄製的一（yī）次、二次電流波（bō）形進行對比，分析故障時的軸電流（liú）保護動作，並判斷故障軸電流是否（fǒu）由外界電磁幹擾造成的（de）^[9]。試驗（yàn）接線如圖（tú）2所示。接（jiē）線完畢，啟動機組運行，並逐步增加發電機負荷，測得的軸電流數據見表2。

　　在負荷逐（zhú）漸增至250～300MW時，連續出現2次軸電流保護動作報警。該（gāi）保護動作開（kāi）關量能啟動錄波裝置（zhì），錄製的軸電流波形如圖3所（suǒ）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（de）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並非由外界電磁幹擾所致。
　　（2）對比表1、表（biǎo）2，並結合互（hù）感器（qì）測試結果進行分析，機組運行時的數據與（yǔ）軸電流保護靜態測試的數據基（jī）本吻合，由此可判斷軸（zhóu）電流互感器（qì）沒有故障，其二次（cì）回路完好，二次電流的數據是真實有效的。
　　（3）通（tōng）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（cì）元件導線搭（dā）接大（dà）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（tú）也反映軸電流有明顯突變，且該故障（zhàng）為瞬時發生的，軸電流幅值很大。
　　結論：軸電流保護的測量（liàng）電流基本正（zhèng）確反映了一次電流，保（bǎo）護（hù）動（dòng）作原因是軸電流（liú）確實存在，軸電流（liú）保護正確（què）動作。由於軸電（diàn）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
　　接地碳刷位於發電機下導軸承下部，是發電機大（dà）軸的零電位點。該接地碳刷（shuā）脫落（luò）或與大軸接觸不良，都（dōu）可能導致發電（diàn）機大（dà）軸電荷不斷（duàn）積累，軸電壓升高。電壓過高時，大軸可能對絕緣薄弱（ruò）處放電，產生瞬時（shí）軸電流並形成電腐蝕區，進而破壞軸承及其導瓦。絕緣碳（tàn）刷或轉子導電碳刷與發電機轉軸摩擦可能脫落（luò）或產生的大量碳粉搭接在絕緣或間隙間形（xíng）成軸電流回（huí）路。
　　現場檢查碳刷表麵完整無異常，碳刷（shuā）的（de）磨損量不足80%，碳刷（shuā）牢固地固定在支架上，無鬆動跡象，碳刷與大軸接觸良（liáng）好（hǎo）並無碳粉附著和（hé）累積。
　　為徹底排除軸與軸承間絕緣層被破（pò）壞形（xíng）成軸（zhóu）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（ér）形成軸（zhóu）電流回路，則絕緣碳刷必為回路（lù）的一部分，即使絕緣層與軸瓦（wǎ）油膜同時被（bèi）擊穿，部分軸電流也會流（liú）過絕緣碳（tàn）刷。啟動機組進行測試，在啟動（dòng）機組（zǔ）運行（háng）6min內，機（jī）組仍出現軸電流保護動（dòng）作報警，而電流表讀數為零，說明（míng）軸電流未從絕緣（yuán）碳刷處流過，必然由其它回路（lù）產生。
　　2.5軸與軸承的絕緣和間隙檢查（chá）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（zhóu）電（diàn）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（jué）緣層中心（xīn）為金屬層（céng），方便進行絕緣測試。用500VDC絕（jué）緣搖表對兩絕緣（yuán）層進（jìn）行測試（shì），時（shí）間為1min。測試結果顯（xiǎn）示，兩層絕緣層電阻均大於2GΩ，滿足絕緣要求。
　　固定螺栓或螺杆鬆動可能造成軸與軸承間的間隙發生變化，導致大軸（zhóu）與軸承在發電機轉動時接觸，並構成（chéng）軸電流回路。對發（fā）電機間隙進（jìn）行重新測（cè）量，結果見表3。

　　對比間隙檢查結果與發電（diàn）機（jī）安裝調試（shì）報告可知，主要（yào）間隙的尺寸並未發生（shēng）較大變化，也未（wèi）發現有異常位移的間隙，因此再次檢（jiǎn）查各間（jiān）隙間（jiān）有無放電痕跡、有無（wú）異物或粉塵搭接。
　　拆除上導油盆下部擋油環（huán）後，利用（yòng）內窺鏡檢查發（fā）現擋油桶的頂部與大（dà）軸間有輕微（wēi）放電（diàn）痕跡；大軸與推力頭間的定位鍵間（jiān）的間隙（xì）有一直（zhí）徑約為15mm的（de）扇型金屬異物（厚度忽略不計）。

　　3　原（yuán）因（yīn）分析及風險評估
　　根據發電機一次（cì）、二次、機械部位（wèi）的檢（jiǎn）查結果以及發電（diàn）機上導推力結（jié）構圖，確定了軸電流（liú）回路，如圖4、圖5所示。

　　該異物在（zài）大軸與推力頭間，即圖4、圖5中“圓圈（quān）”所示位置。但是，推力頭部位外（wài）部絕緣層的（de）存在（zài），致使該異物在該位置也不可能構成軸電流回路。該異（yì）物隨發電機（jī）轉（zhuǎn）動可能存在以下情況。
　　（1）間隙②大於異物較大直徑，因此異物不可能直（zhí）接（jiē）搭接在擋油桶的頂部與絕緣墊間（jiān），而是隨著（zhe）發電機轉動（dòng）可能越過間隙②到（dào）達間隙⑤。間（jiān）隙⑤為10mm，小於異物直徑（jìng），因（yīn）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（gāi）情況下不（bú）可能構（gòu）成故（gù）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（zài），導致（zhì）該情況下不可能（néng）構成故障（zhàng）電（diàn）流回路。
　　（3）間隙④為10mm。異物越過間隙③直接進入間隙④後便很難再（zài）回到（dào）大軸與推（tuī）力頭間，且異物（wù）在間隙④內，每次發電機啟動時，異物都會搭接（jiē）構成故障回路，那麽軸電流保護必然動作，然而現場軸電流（liú）保護並不是在每次機組啟動時都動作，因此異（yì）物搭（dā）接於（yú）間隙④構成回路的可能性不大。
　　（4）根據擋油（yóu）桶頂部與大軸（zhóu）間的間隙為13mm，略小於異物較大直徑，以及擋油桶頂部與大軸（zhóu）間有輕微放電等現象，認為（wéi）該異物（wù）能隨發電（diàn）機的轉動到（dào）達間隙③。由於間隙③存在該異物活動的空間，因此異物隨發電機一起轉動，並可（kě）能搭接在大軸與擋油桶間，構成軸電流（liú）回路。該軸電流是隨機的出現的，呈（chéng）瞬時突變狀態。在隨發電機轉動（dòng）的（de）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（tuī）測（cè）軸電流（liú）形（xíng）成回路為大地-上機架-推力瓦架-擋油桶-大（dà）軸-接地碳刷（shuā）-大地。該軸電流不（bú）通過上導推力軸瓦，也不（bú）通過絕緣碳刷（shuā），因此在（zài）絕緣碳刷處檢（jiǎn）測不到。該軸電流雖然不會引（yǐn）起燒瓦事故，但是會對大軸造成部分電腐蝕，進而影響（xiǎng）發電機壽命，因此需將異物取（qǔ）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（shùn）時的、反複的軸電流（liú）故障信號（hào）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（gōu）通學習，在出（chū）現軸電流保護動作（zuò）信號時（shí）保持思路清（qīng）晰，同時借助相關儀器的測試數據（jù）加以分析（xī），快（kuài）速排除故障。

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來源： 《電工技術》