官地水力發(fā)電廠機(jī)組軸電流保護(hù)優(yōu)化探討

詹水秋

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司官地水力發(fā)電廠,四川 涼山 615704)

官地水力發(fā)電廠機(jī)組軸電流保護(hù)優(yōu)化探討

詹水秋

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司官地水力發(fā)電廠,四川 涼山 615704)

介紹軸電壓、軸電流產(chǎn)生的機(jī)理及對(duì)機(jī)組產(chǎn)生的危害。介紹官地電廠軸電流CT安裝情況并分析其弊端,介紹某電廠軸電流保護(hù)配置情況并分析其優(yōu)勢(shì),提出解決問(wèn)題的辦法。

軸電壓;軸電流;磁場(chǎng);磁屏蔽

0 引言

由于同步發(fā)電機(jī)磁路的不對(duì)稱,電機(jī)主軸上軸電壓的產(chǎn)生不可避免。如果電機(jī)主軸通過(guò)軸承支架形成軸電流,將大大縮短電機(jī)軸承的使用壽命。官地電廠采用大軸CT的軸電流保護(hù)方式。軸電流CT安裝在略高于轉(zhuǎn)子的大軸上,軸電流CT接入哈爾濱華新電力電子設(shè)備廠生產(chǎn)的BZL-10C型軸電流繼電器,通過(guò)軸電流繼電器的日常監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)軸電流的數(shù)值較大,發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí),軸電流已達(dá)到保護(hù)動(dòng)作值,所以軸電流保護(hù)一直不能投入正常運(yùn)行。

1 軸電壓軸電流介紹

1.1 產(chǎn)生機(jī)理

同步發(fā)電機(jī)的磁路往往不對(duì)稱,這種不對(duì)稱通常是由于定子鐵心組合縫、定子硅鋼片接縫、定子與轉(zhuǎn)子空氣間隙不均勻造成的,在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)發(fā)電機(jī)磁路更是不對(duì)稱。發(fā)電機(jī)主軸在這種不對(duì)稱磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn),會(huì)在其兩端產(chǎn)生交流電壓即軸電壓,如果電機(jī)主軸兩端軸承沒(méi)有絕緣墊,或者轉(zhuǎn)軸與軸承間絕緣油膜含有雜質(zhì)超標(biāo),軸電壓將擊穿油膜而放電,這個(gè)電壓就會(huì)通過(guò)電機(jī)兩端軸承支架形成電流回路,這個(gè)電流叫軸電流[1]。

1.2 軸電流危害

軸電流對(duì)機(jī)組的影響主要在于對(duì)推力瓦和導(dǎo)軸承瓦的影響,如果軸電流CT測(cè)得的電流是大軸與接地碳刷和機(jī)架間形成的回路電流,說(shuō)明大軸絕緣破損。在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,如果在電機(jī)兩軸承端或轉(zhuǎn)軸與軸承間存在軸電流時(shí),將會(huì)大大縮短電機(jī)軸承的使用壽命嚴(yán)重時(shí)只能運(yùn)行幾小時(shí)。

2 官地電廠軸電流保護(hù)

2.1 軸電流CT安裝位置

目前,水輪發(fā)電機(jī)組常采用軸電流CT對(duì)軸電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并依據(jù)其精確感應(yīng)出的基波軸電流和三次諧波軸電流來(lái)設(shè)置保護(hù)。安裝位置見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 常規(guī)軸電流CT安裝示意圖 圖2官地軸電流CT安裝示意圖

2.2 軸電流保護(hù)使用情況

官地電廠某2臺(tái)機(jī)組軸電流近一個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(每周1次)如表1:

表1 官地電廠軸電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

官地電廠發(fā)電機(jī)軸電流保護(hù)具有報(bào)警和跳閘功能,其定值為兩段,第一段延時(shí)報(bào)警,第二段延時(shí)跳閘,軸電流報(bào)警值和跳閘值分別為0.5A、1.5A;通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行觀察,發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)軸電壓測(cè)量正常,大軸未見(jiàn)絕緣破損跡象,但機(jī)組軸電流數(shù)據(jù)在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)遠(yuǎn)高于定值,分別調(diào)整軸電流報(bào)警值和跳閘值為上限5A、10A后,軸電流數(shù)據(jù)仍略高于定值。官地電廠退出了軸電流保護(hù)功能。

3 原因分析

官地電廠軸電流CT安裝于大軸上端部,受到較多的電磁干擾,測(cè)得的軸電流并不準(zhǔn)確,使軸電流保護(hù)失去意義。三相同步電機(jī)模型見(jiàn)圖3,軸電流CT周圍磁場(chǎng)分布見(jiàn)圖4。

圖3 三相同步電機(jī)模型(P=1)

圖4 軸電流CT周圍磁場(chǎng)分布

由于定子鐵心組合縫、定子硅鋼片接縫、定子與轉(zhuǎn)子空氣間隙不均勻等原因,發(fā)電機(jī)的磁路往往不對(duì)稱,發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子始終在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下,所以穿過(guò)軸電流CT(閉合金屬環(huán))的磁通量在變化。

由于官地電廠軸電流CT處在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁直流正負(fù)極之間,存在一定量的漏磁通會(huì)穿過(guò)軸電流CT,理論上正負(fù)極間磁場(chǎng)應(yīng)相互抵消,但由于安裝工藝局限性,不可能完全保證轉(zhuǎn)子正負(fù)極與軸電流CT所在平面垂直,也不可能完全保證軸電流CT金屬環(huán)的圓心在轉(zhuǎn)子正負(fù)極的中間位置。從這一方面來(lái)說(shuō),穿過(guò)軸電流CT(閉合金屬環(huán))的磁通量也是在不斷變化的。

由于軸電流CT周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)不均勻,加上轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不可避免的有擺動(dòng)現(xiàn)象,與轉(zhuǎn)子機(jī)架連接的軸電流CT也會(huì)同時(shí)擺動(dòng),所以穿過(guò)軸電流CT的磁通量也是在不斷變化。

綜上所述,穿過(guò)軸電流CT的磁通量在機(jī)組停機(jī)或空載狀態(tài)下不存在,所以在機(jī)組停機(jī)或空載狀態(tài)下軸電流繼電器測(cè)不到電流,這一點(diǎn)在軸電流日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表中可以得到驗(yàn)證;在機(jī)組帶載運(yùn)行時(shí)穿過(guò)軸電流CT的磁通量受到多方面的影響,磁通量在不斷變化并且這種變化很復(fù)雜是非均勻的。根據(jù),軸電流CT在機(jī)組帶載運(yùn)行時(shí)因電磁干擾將產(chǎn)生非均勻變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),產(chǎn)生的感應(yīng)電流也是不斷變化的,這種變化過(guò)快造成實(shí)際軸電流繼電器測(cè)得的電流在跳變。

4 解決辦法

4.1 更改軸電流CT安裝位置

官地電廠假軸電流的產(chǎn)生是因?yàn)檩S電流CT安裝在略高于轉(zhuǎn)子的位置,受到較多的電磁干擾。如果軸電流CT常規(guī)性地安裝在水車室內(nèi)大軸上,距離磁場(chǎng)源發(fā)電機(jī)更遠(yuǎn),且發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)水車室和發(fā)電機(jī)之間水泥墻的折反射,會(huì)得到削弱,軸電流CT受到的電磁干擾會(huì)大大減少。

4.2 磁屏蔽

4.2.1 建立模型

圓柱形導(dǎo)磁腔體具有明顯的磁屏蔽作用,已得到科學(xué)論證,這里不再贅述。用作磁屏蔽的圓柱形導(dǎo)磁腔體如圖5所示:

圖5 圓柱形導(dǎo)磁腔體磁屏蔽示意圖

導(dǎo)磁腔體材料的相對(duì)磁導(dǎo)率u越高,或?qū)Т徘惑w越厚(即r1與r2的比值越小),則屏蔽效果越佳。

4.2.2 應(yīng)用模型

用磁導(dǎo)率較高的材料(如硅鋼片)做成較厚的圓柱形導(dǎo)磁腔體環(huán)繞著軸電流CT,可以較好地屏蔽軸電流CT周圍的電磁干擾,達(dá)到磁屏蔽的較好效果。

4.3 軸電流保護(hù)原理改造

4.3.1 某電廠機(jī)組軸電流保護(hù)配置方法

某電廠發(fā)電機(jī)上部布置有推力軸承和上導(dǎo)軸承,在推力瓦、推力油盤(pán)蓋板及上導(dǎo)軸承三處布置了絕緣墊,以防軸電流構(gòu)成回路。為防止機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)大軸所感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)過(guò)高而對(duì)瓦面放電,在下導(dǎo)下方設(shè)置一大軸接地碳刷。為盡量減少軸電流真正發(fā)生時(shí)對(duì)瓦面的影響,在推力蓋板上方設(shè)置一大軸絕緣碳刷。由于瓦面上的油膜阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大軸的絕緣碳刷阻抗,當(dāng)三處絕緣墊任一處絕緣破損時(shí),軸電流就會(huì)通過(guò)大軸、絕緣碳刷、保護(hù)繼電器、瓦架、破壞的絕緣墊、支架、接地碳刷、大地形成軸電流回路。這樣既保護(hù)了瓦面、又可報(bào)警或跳閘。如圖6所示:

圖6 某電廠機(jī)組軸電流保護(hù)示意圖

某電廠軸電流保護(hù)采用獨(dú)立的電流繼電器64SH,為一集成電路型三相二級(jí)式過(guò)流繼電器,其一側(cè)分別連接至推力軸承、推力蓋板、上導(dǎo)軸承的絕緣部分,另一側(cè)三相短接后作為一公共端連接到大軸的絕緣碳刷上。與通常所采用大軸CT的軸電流保護(hù)方式相比,其最大優(yōu)點(diǎn)是可以避免CT二次側(cè)輸出受外界電磁干擾。當(dāng)軸電流保護(hù)繼電器64 SH檢測(cè)到電流大于保護(hù)定值且經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后作用于報(bào)警、跳閘[2]。

4.3.2 類比改造

類比上述電廠軸電流保護(hù)配置方法,拆除軸電流CT,在大軸頂端安裝一絕緣碳刷,更換原有BZL-10C型軸電流繼電器為集成電路型兩相二級(jí)式過(guò)流繼電器。過(guò)流繼電器一側(cè)連接至推力軸承、上導(dǎo)軸承的絕緣部分,另一側(cè)兩相短接后作為一公共端連接到大軸的絕緣碳刷上。再將過(guò)流繼電器的報(bào)警、跳閘回路接至機(jī)組非電量保護(hù)柜,實(shí)現(xiàn)軸電流保護(hù)報(bào)警、跳閘功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本人介紹了通常采用的大軸側(cè)裝有電流互感器的軸電流保護(hù)方式,并分析了其弊端。分析了官地水力發(fā)電廠軸電流CT安裝位置的不合理性并嘗試性地針對(duì)磁屏蔽問(wèn)題提出解決辦法。借鑒某電廠軸電流保護(hù)配置方法提出解決官地水力發(fā)電廠軸電流的問(wèn)題。采用軸電流繼電器對(duì)軸承的絕緣情況加以監(jiān)視,它成為大型發(fā)電機(jī)組軸電流保護(hù)的發(fā)展方向,它最大優(yōu)點(diǎn)就是可以避免因電流互感器二次側(cè)電流受電磁干擾而帶來(lái)的外界影響[1]。導(dǎo)軸承和推力軸承是水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)械部分最關(guān)鍵的部件,為防止軸電流形成灼傷軸瓦,軸承絕緣必須可靠,軸承座與墊板把緊后測(cè)量電阻值應(yīng)不低于1MΩ。軸承封蓋前,應(yīng)對(duì)軸承及軸瓦冷卻管路、高壓油頂起裝置清掃和做耐壓試驗(yàn),并保證絕緣油質(zhì)。安裝測(cè)溫傳感器時(shí),防止傳感器外殼與軸承表面接觸[3]。在軸電流測(cè)量誤差較大的情況下還應(yīng)做好軸電流數(shù)據(jù)的日常記錄。

[1]趙九育.水電廠發(fā)電機(jī)組軸電流的危害及防范措施[J].民營(yíng)科技,2012(8).

[2]曾 輝,張亞武.天荒坪電廠機(jī)組軸電流保護(hù)改進(jìn)[J].水電站機(jī)電技術(shù),2002(2).

[3]周建為.抽水蓄能機(jī)組軸電流保護(hù)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2003(2).

TV743

B

1672-5387(2017)07-0082-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.025

2017-04-27

詹水秋(1989-),男,工程師,從事繼電保護(hù)維護(hù)工作。