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水轮发电机轴绝缘监测方法及效果分析(1)

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2012/6/11 11:30:05   

  所属频道:  水力发电    关键词:  水轮发电机 轴绝缘监测 轴电压

摘要:当绝缘薄弱时,低值的轴电压也可能对发电机部件造成一定的危害。结合现场测量数据对轴电压的性质作了分析,列举出对发电机造成损坏的各种情形。在其检测手段上,分别对轴绝缘检测法和轴电流测量法的原理进行了分析,对三峡电站的应用效果作了评估,比较了两种方法的特点优劣,提出了应用注意事项和优化手段。

1 轴电压的性质与轴绝缘监视的必要性

由于定、转子之间的气隙不均匀以及定子铁芯的局部磁阻较大、磁路不对称等原因,导致发电机的定子磁场存在不平衡,这会使得水轮发电机的转子上产生与轴相交的交变磁通和轴向的感应电势,即轴电压[1]。对于水轮发电机,由于机组转速不高,且通过设计制造和安装单位对机组安装质量的控制,机组正常运行时该感应电势对地不会太高,发电机上端轴轴电压一般不超过10 V,三峡电站机组的轴电压也大致处于这一水平。

图1 为某型水轮发电机的轴电压现场实录波形,该型机因定子磁路设计上的问题,轴电压偏高,峰值甚至达数十伏。

轴电压谐波特征明显,但起主要作用的是基波与三次谐波[2]。以三峡某机型为例,通过FFT 分析,(如图2)当机端电压为额定时,三次谐波占整个电压比例的一半以上。清华大学与福建省电力系统研究和生产单位合作,也获取了有价值的轴电压频谱数据[3],结论与三峡机型的特征是吻合的。

图1 额定电压下发电机轴电压波形

尽管轴电势有效值不大,但在发电机内部各种交变的脉冲磁场的作用下,其峰值可能很高。对水轮发电机而言,由于转子大轴电阻很小,且一般轴承与大轴间只有不到1 mm 的油膜间隙,如轴领与大轴间绝缘破坏,轴电压将沿轴承和底板形成闭合回路产生轴电流。视瓦面油膜破坏情况,轻则使润滑油劣化进一步恶化轴瓦的运行环境,轴承震动增大,重则对轴瓦放电甚至击穿,对轴瓦造成电气侵蚀,灼伤瓦面和镜板。除了对瓦面和镜板造成潜在损坏外,如果轴电流足够大,还会磁化大轴。已知发生过的故障轴电流最大值可达数百安培。有案例[4]表明,某200 MW 汽轮发电机发生轴承油膜被轴电压击穿而受破坏,导致较大轴电流。经过近4个月的检修再次起动并列时,由于轴向剩磁太大,转轴成为单极直流发电机,感应电动势产生的轴电流很快使轴瓦冒烟,被迫再次停机进行严格退磁,才使剩磁降低。

图2 发电机轴电压FFT 分析

正常的轴电压对设备本身并不产生直接危害,只有在轴绝缘破坏后才产生后果。因此,轴绝缘的监测的必要性逐渐成为广泛共识。从某种意义上讲,轴瓦的破坏程度取决于轴电流的幅值和作用时间;从运行角度来讲,运行人员需要随时或提前知道轴电流的变化或轴承绝缘的损坏程度。根据这两种取向,一次设备制造厂家就提出各种对轴绝缘进行监测的方法。

2 轴绝缘监测方法

为了防止轴电流对润滑油和轴瓦的损害,三峡电站机组主要采用两种防范手段。一是从结构上入手,在转子下端对大轴碳刷接地,在上端轴与上端轴领间加酚醛玻璃板绝缘,以防止轴电流形成回路,同时限制大轴对地电位;二是采用轴绝缘监测手段对轴绝缘进行监测,以保证在轴电流达到轴瓦的破坏电流值以前,通知运行人员,采取必要的措施。

三峡机组的生产厂家分别采用了两类不同的轴绝缘监测方案。一类监测方案是加装轴CT,通过监测轴电流监视上端轴绝缘情况;另一类监测方案是采用两块SINEAX V604 通用可编程变送器利用姆欧法对上端轴轴领、轴领与大轴间的铜箔及大轴间的绝缘进行分段监视,可参见图4。

2.1 轴CT 电流测量法

通过轴CT 对通过大轴的交流电流的大小进行监测的方法是国内机组制造厂商普遍采用的一种方法。

轴电流监测装置能够通过轴CT 将发电机大轴上产生的轴电流检测出来,并根据不同的轴电流值发出相应的信号,从而有效地防止轴电流的破坏,保护轴承及轴领。同时,轴电流保护装置还可将测量值转换为电流或电压信号送监控记录。

轴电流保护装置由轴电流互感器和轴电流信号装置组成。其结构如图3 所示。轴电流监测装置主要监测轴电流中的基波分量与三次谐波分量。轴电流互感器在设计上一方面考虑安装拆卸方便性,设计成两瓣或者四瓣结构,另一方面考虑监测的灵敏性,铁芯采用特殊硅钢片卷绕,可以检测出1 A 以下的轴电流。

来源:电力系统保护与控制
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