轴电流产生及轴电流保护装置应用分析

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摘要：主要对轴电流的产生原因，BZL-10C型发电机轴电流保护装置的工作原理、现场安装及故障分析处理。

关键词：轴电流；轴电流保护装置；轴电流继电器；轴电流互感器

【中图分类号】TM307

1 轴电流产生的原因

在水轮发电机组中，由于定子磁场的不平衡或转轴本身带磁，当出现交变磁通时，在转轴上就感应出一定的电压，称为轴电压。一旦绝缘降低或绝缘受到破坏，轴电压由轴经过各油盆内的油膜、轴承、机座和基础底层形成一个电流回路，在此回路内产生一个很大的电流，成为轴电流。在发电机中轴和轴承中出现轴电流的原因有以下几种：①纵向磁通产生的轴电流---发电机正常运行时，转子绕组所产生的磁通和定子绕组的电枢反应磁通，都是与转子轴垂直的，即横向通过转子铁芯。但由于某些原因，也可能使大轴纵向（也称轴向）磁化，存在纵向磁通。这种纵向磁通可以经过水轮发电机组的每个轴径，沿着油膜、各轴瓦、即上导轴承、推力轴承、下导轴承、水导轴承底座，这么一些途径回到发电机的大轴。②由静电荷产生的轴电流---大轴各部与轴瓦处由于油的摩擦产生的静电也能产生较小的轴电压。由大轴与轴瓦摩擦油所产生的静电而引起的轴电压在水轮机运行过程中很难集聚起很高的能量，且在其产生的同时不断的削弱，一般不会对设备造成损坏。③磁通不对称引起的轴电流--- 由于制造、安装、运行、维护等原因，发电机不可避免地会出现转子和定子不能完全同心运行，导致定转子空气间隙不均匀，转子硅钢片的厚度位置不合理，转子绕组匝间短路等问题，造成在转子-大轴-基座的环路中感应出一定的交流电压。对轴危险性最大的是由于磁通不对称所产生的轴电流。④绝缘破坏使轴电流形成闭合回路---如大轴与各轴承的绝缘垫损坏或绝缘垫的绝缘水平降低；由于温差导致各导轴承油盆内冷油器及水管路产生露水或冷油器及水管路漏水到油盆内将导致油和轴承绝缘降低；大轴水封漏水，喷到水导油盘内，油质乳化变质，也将导致绝缘降低；油盆盖与大轴安装时不同心，或者固定油盆盖的螺丝松动，使油盆盖与大轴接触而形成轴电流；等等。⑤同步交流发电机轴电流的大小与所带的负荷有关---根据电磁学原理，当发电机的负载为纯电感时，即无功电流增大，电枢磁场为纵坐标磁场与转子（磁轭）垂直，故在转子轴上感应电势也大，导致轴电流增加。当负载为纯电阻时，即有功电流增大时，电枢磁场为横坐标磁场，横坐标转子（磁轭）平行，轴电势小，这就是有功越大轴电流反而越小的原因。⑥发电机三相负荷不平衡，产生负序电流，从而产生轴电流。

由于长期存在的轴电流会使油质劣化，油温升高，功能降低，较大的轴电流还能直接烧坏轴瓦，造成机组停机的事故。转子一点接地所产生的轴电压通常较大，会造成发电机的剧烈振动和大轴磁化或烧坏大轴及轴瓦的严重后果。采取措施防止轴电流的产生十分必要。

2 轴电流保护装置的工作原理

BZL-10C型发电机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的。当发电机轴绝缘低下或有击穿时，由于发电机轴承不对称，大轴将产生轴电流而损坏其绝缘，发生故障。其损坏程度将取决于轴电流的幅值和持续时间，为了使发电机能够安全运行，提前发现大轴的绝缘故障，以便采取相应措施，就需要有灵敏的轴电流继电保护设备。

轴电流互感器用于测量轴电流的变化，可检测出1A以下的轴电流，为继电保护装置提供监测信号。BZL-10C型发电机轴电流继电器是由放大器、双通道滤波器、A/D转换、单片机智能分析判断控制及过电流动作等环节组成，其组成框图请见图1。BZL-10C型轴电流继电器采用了两种工作方式，即按电流基波分量或电流的三次谐波分量进行检测动作。

图1中，继电器从轴电流互感器CT中取出故障电流信号，经IC1放大后，送入50Hz和150Hz双通道滤波器中，双通道滤波器输出经整流合成后，分别送入两路A/D模数转换器，再送入MCU进行分析、判断、显示轴电流值，经MCU与两个故障电流的设定值进行比较后，送出控制信号触发相应的继电器CZ1，CZ2以控制报警及跳闸等信号。

3 轴电流互感器现场安装

互感器与发电机轴的同心度、水平度允差均为2mm；安装后切口间隙不大于0.2mm。互感器为穿心式，为便于安装分成了两半，配有连接板，经螺栓紧固即可构成环形整体，互感器接线示意图见图2。

4 现场运行情况分析及处理建议

自2012年12月31日首台机投产以来，轴电流继电器超出轴电流报警定值（2.55A）持续报警。分析发电机结构和轴电流形成原理，采取以下措施：①对轴电流保护装置进行一次侧、二次侧校验，验证保护装置能否准确动作。②对轴电流互感器进行绝缘试验、伏安特性及二次负载试验或将#1、#2机组的轴电流互感器互换后进行整组测试，排查轴电流互感器损坏的可能。③按IEEE112标准进行电机轴电流的测量与录波，将测得的电流与录制的一次、二次电流波形进行对比，分析故障时的轴电流保护动作，并判断故障轴电流是否由外界电磁干扰造成。④碳刷检查与测试，检查表面完整度、磨损量、安装是否牢靠、碳刷与大轴接触是否良好、有无碳粉附着和累积，进一步可在绝缘碳刷引线处接入电流表。若机组启动测试，轴电流报警仍在，而电流表读数为0，说明轴电流未从绝缘碳刷处流过，由其它回路产生。⑤轴与轴承的绝缘和间隙检查与测试。另外采用轴电流CT测量大轴电流的方式，是间接测量方式；由于其安装环境、技术的限制，机组内部强磁场、强电场以及可控硅静止励磁装置产生的脉冲等诸多因素都会影响轴电流的测量。

5 结语

总体上说，由于轴电流测量信噪比低，测量值很难真实反映大轴绝缘情况，而发电机结构的多样化导致现场往往较难定位故障点，尤其是出现瞬时的、反复的轴电流故障信号时。而BZL-10C型哈电机专用发电机轴电流保护装置在锦东水电站#1、#2发电机组安装使用较短，运行经验不足，在整定上还有待进一步优化。建议机组厂家对轴电流装置进行调整，一段设延时，且放大整定范围；也可以考虑减小CT变比来提高信噪比。另外保持发电机推力瓦承座、导瓦承座、油管、地脚螺栓、销钉等对外壳之间的良好绝缘，对非故障情况下减小轴电流、防止推力瓦和导瓦的电侵蚀有较好的作用；检修时增加测量转子剩磁，以确定转子是否被严重磁化；检查推力瓦或导瓦的腐蚀情况，确定轴电流的破坏程度。此项工作需要加强各专业间的沟通学习，借助相关仪器的测试数据加以分析，快速排除故障。

参考文献：

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