水輪發(fā)電機(jī)軸電流的設(shè)備治理及效果分析

李 政， 李 巍， 卿 啟 維

(四川革什扎水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 丹巴縣 626302)

1 水輪發(fā)電機(jī)組軸電流產(chǎn)生的原因及危害

水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子不完全同心, 定轉(zhuǎn)子空氣間隙不均勻,導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)磁路不對稱或磁場畸變, 引起磁通脈動, 磁通脈動產(chǎn)生軸電壓,在轉(zhuǎn)子軸承～外殼的環(huán)路中形成軸電流[1]。軸電流大小、頻率與脈動磁通的幅值、頻率及軸承的絕緣性能有關(guān)，軸電流的最大頻率分量是工頻及工頻的3次諧波[2]；電刷裝置的集電環(huán)等環(huán)繞軸的閉合回路磁勢不能相互抵消，產(chǎn)生一個環(huán)軸的剩余磁勢，使轉(zhuǎn)軸磁化，并在機(jī)組旋轉(zhuǎn)時，在轉(zhuǎn)軸兩端產(chǎn)生單極電勢；這種單極效應(yīng)產(chǎn)生的軸電壓隨負(fù)荷電流變化[3]。

正常情況下，轉(zhuǎn)軸與軸承間的潤滑油膜起到絕緣的作用，對于較低的軸電壓，不會產(chǎn)生軸電流。但當(dāng)軸承絕緣因油污、損壞或老化等原因?qū)е陆^緣性能降低軸電流將從轉(zhuǎn)軸-油膜-軸承座及基礎(chǔ)等外部回路通過，產(chǎn)生軸電流, 軸電流的電解作用使?jié)櫥吞炕斐捎偷臐櫥阅茏儾钍馆S承溫度升高，如果絕緣性降低嚴(yán)重，軸電流可達(dá)上千安，將嚴(yán)重灼傷軸瓦。

2 水輪發(fā)電機(jī)組軸電流防范措施

發(fā)電機(jī)軸電壓是無法避免的，但只要不產(chǎn)生閉合回路，就不會產(chǎn)生軸電流。在發(fā)電機(jī)設(shè)計和制造過程中，都會考慮防止發(fā)電機(jī)軸電流產(chǎn)生的措施，一般措施有：

(1)在發(fā)電機(jī)上端軸軸領(lǐng)上加絕緣層，使發(fā)電機(jī)大軸與上導(dǎo)瓦之間絕緣。

(2)在發(fā)電機(jī)上導(dǎo)瓦與瓦座之間加絕緣層，使上導(dǎo)瓦與整個上機(jī)架之間絕緣[4]。

水輪發(fā)電機(jī)安裝時，都加裝軸電流保護(hù)器，起監(jiān)視軸電流的作用。軸承座連接的油管路的法蘭盤之間，安裝絕緣墊；經(jīng)過軸承座上的定位孔和沿著螺釘表面處，易使絕緣降低，故在螺釘頂頭、墊圈、定位塞上涂環(huán)氧樹脂。

運行中，絕緣邊緣、接縫部位的表面臟污會破壞絕緣性能，應(yīng)定期檢查和清擦發(fā)電機(jī)集電環(huán)、刷架，避免碳粉沉積降低正負(fù)兩極絕緣，產(chǎn)生軸電流。定期檢查發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣，絕緣降低必須迅速處理，避免勵磁回路兩點接地。

3 吉牛水電站軸電流的排查及原理分析

3.1 吉牛水電站現(xiàn)狀

吉牛水電站安裝有兩臺由哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的120 MW沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速300 r/min，軸電流監(jiān)測采用在大軸上裝設(shè)電流互感器，軸電流繼電器為新型BZL-10B，軸電流定值按照實際產(chǎn)生的電流值來設(shè)置，現(xiàn)場正常工況下實測軸電流約為0.5 A，因此，哈爾濱電機(jī)設(shè)置報警值為1.5 A、停機(jī)值為2.0 A。自2014年兩臺機(jī)組投運發(fā)電以來，機(jī)組的軸電流檢測裝置多次檢測出1.5～2.0 A異常偏大的軸電流，成為機(jī)組安全運行的隱患。

3.2 現(xiàn)場排查及問題原因分析

3.2.1 軸電流互感器、繼電器及其二次接線檢查

軸電流互感器、繼電器安裝前進(jìn)行過校驗，采用哈爾濱市華新電力電子設(shè)備廠生產(chǎn)的BZL-10B型，軸電流表為毫安級電流表，顯示電流為互感器一次側(cè)電流，輸入、輸出具有線性關(guān)系。二次接線采用了屏蔽電纜，防止電磁干擾的影響。通過在軸電流互感器與大軸的縫隙中穿引電纜，在電纜中施加交流電流，測量軸電流表計讀數(shù)。施加電流與表計顯示的記錄如表1所示。結(jié)果表明整體輸入、輸出得到正常反映。

表1 施加電流與表計顯示關(guān)系

3.2.2 單極效應(yīng)檢查

發(fā)電機(jī)勵磁電纜由勵磁柜引至機(jī)組集電環(huán)，而后采用勵磁銅排經(jīng)過主軸表面開槽由上而下穿過大軸中空位置向下引至轉(zhuǎn)子磁極。軸電流互感器安裝在轉(zhuǎn)子磁極與滑環(huán)間的主軸上，發(fā)電機(jī)主軸、勵磁電流、形成簡單的交流發(fā)電機(jī)，軸電流互感器將產(chǎn)生交變的電勢，產(chǎn)生虛假的軸電流，由于BZL-10B裝置采取了濾波措施，該軸電流不會顯示出來。如果由轉(zhuǎn)軸磁化產(chǎn)生的軸電流，該軸電流會隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化[5]。為此，機(jī)組帶不同的負(fù)荷，軸電流大小如表二所示。結(jié)果表明機(jī)組異常軸電流不是機(jī)組單極效應(yīng)產(chǎn)生。

表2 勵磁電流與軸電流關(guān)系

3.2.3 絕緣檢查

在機(jī)組運行中，當(dāng)軸電流達(dá)到1.5 A一級報警時，停機(jī)檢查。檢查大軸接地碳刷，接地可靠，再對主軸各部位可能存在的接地點進(jìn)行排查，用500 V搖表測量，發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)油擋蓋板處絕緣電阻為0.3 MΩ，轉(zhuǎn)子回路對地絕緣0.5 MΩ(拉開滅磁開關(guān))，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)油擋蓋板邊緣、接縫部位的表面臟污碳粉沉積較重，集電環(huán)、刷架碳粉沉積，油污較重。分析認(rèn)為絕緣邊緣或接縫部位的表面臟污破壞絕緣性能，應(yīng)加強(qiáng)檢查和清擦，發(fā)電機(jī)集電環(huán)、碳刷、刷架，碳粉沉積降低正負(fù)兩極絕緣，使機(jī)組運行的軸電流增大。

根據(jù)以上分析對絕緣邊緣、接縫部位的表面臟污進(jìn)行清擦，擦拭發(fā)電機(jī)集電環(huán)、刷架。清潔完成后，開機(jī)運行，軸電流恢復(fù)至0.4～0.5 A的正常值。運行約300 h后軸電流又出現(xiàn)異常緩慢升高現(xiàn)象，因而只好定期檢查、清理。為徹底消除該隱患，2017年檢修期對1F、2F機(jī)組集電環(huán)、刷架進(jìn)行治理。

4 吉牛水電站防范軸電流的設(shè)備治理

針對由于碳粉、油污造成絕緣性能降低，導(dǎo)致軸電流異常緩慢升高，吉牛電站對集電環(huán)、碳刷進(jìn)行了改造，并加裝碳粉收集裝置。

4.1 集電環(huán)及刷架治理

集電環(huán)原截面尺寸為75 mm×40 mm，改為85 mm×40 mm，增加集電環(huán)的導(dǎo)電截面積，降低集電環(huán)電密；集電環(huán)外圓周表面為呈螺旋狀溝槽結(jié)構(gòu)，利于集電環(huán)通風(fēng)散熱，并防止碳粉沉積；集電環(huán)和刷架吊桿的絕緣墊圈加厚，并采用中間凹弧形結(jié)構(gòu)，有效防止碳粉堆積。導(dǎo)電環(huán)由半環(huán)改為整環(huán)，導(dǎo)電環(huán)截面尺寸是16 mm×80 mm，改為20 mm×100 mm，有效降低導(dǎo)電環(huán)電密和溫升，并利于裝碳粉收集裝置。針對機(jī)組轉(zhuǎn)速高的特性，采用NCC634碳刷，具體尺寸是25 mm×32 mm×100 mm，額定電流密度是0.1 A/mm2, 該碳刷質(zhì)地較軟、均勻，對集電環(huán)所造成的機(jī)械磨損較少，減緩機(jī)械磨損所導(dǎo)致的損蝕，有效抑制碳刷打火。采用帶電可拆卸刷握，在帶電運行狀態(tài)下可方便更換碳刷，且具有鎖定碳刷和指示碳刷磨損情況的功能。

4.2 碳粉收集裝置

碳粉收集裝置由密閉的碳粉收集系統(tǒng)、碳粉回收處理系統(tǒng)、管路連接系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。每臺發(fā)電機(jī)組采用2臺碳粉吸收裝置。在導(dǎo)電環(huán)上設(shè)置集塵罩，集塵罩與集電環(huán)圍成一個相對密閉的腔體，使碳粉限制在密閉空間內(nèi)，碳粉收集裝置將碳粉吸出并收集，防止碳粉堆積造成絕緣性能降低，避免碳粉對發(fā)電機(jī)集電環(huán)及機(jī)組其他部件的污染。同時，將集電環(huán)與集塵罩之間密閉腔體內(nèi)的空氣吸出，外部空氣不斷進(jìn)入補充，如此循環(huán)達(dá)到碳粉收集及集電環(huán)降溫的目的。

集塵罩采用非金屬絕緣材料，使用模具整體成型，強(qiáng)度高，不易老化變形。風(fēng)路系統(tǒng)的管道采用具有良好的耐熱、抗老化性能的軟管。所有管路用支架固定，吸塵裝置與集電環(huán)通風(fēng)散熱采用一體形式，電機(jī)額定電壓為AC 380 V，單臺電機(jī)功率1.5kW，并帶有三相電源相序自適應(yīng)功能模塊、防止電機(jī)反轉(zhuǎn)，風(fēng)量滿足碳粉收集及集電環(huán)系統(tǒng)的降溫要求，風(fēng)機(jī)實測噪音75db. 絕緣套管的絕緣等級為“F”級絕緣?？刂蒲b置分為手動、自動兩種控制模式，用于遠(yuǎn)方控制的系統(tǒng)運行、系統(tǒng)故障、系統(tǒng)停止?fàn)顟B(tài)的電氣接點獨立，且每種狀態(tài)節(jié)點兩對，保證運行的可靠性。

5 設(shè)備治理后的效果

設(shè)備改造后效果圖如圖1所示。吉牛水電站1F、2F機(jī)組集電環(huán)、刷架于2017年4月整改完成，截至2018年8月底已運行16個月，機(jī)組在進(jìn)相、滯相運行狀態(tài)下1F機(jī)組軸電流穩(wěn)定在0.4 A，2F機(jī)組軸電流穩(wěn)定在0.5 A，不再對機(jī)組進(jìn)行定期停機(jī)清灰,增強(qiáng)了機(jī)組運行可靠性。加裝碳粉收集裝置后，機(jī)組在額定120 MW和勵磁電流1 100 A工況下，碳刷溫度在65 ℃附近波動，集電環(huán)溫度在72 ℃附近波動，降低了碳刷、集電環(huán)溫度，改善了運行工況。

圖1 設(shè)備治理效果圖

6 結(jié) 語

實踐證明，在絕緣性能降低時，低值的軸電壓就會形成較大的軸電流，對發(fā)電機(jī)部件造成一定的危害。經(jīng)驗告訴我們，發(fā)電機(jī)大軸與導(dǎo)瓦之間絕緣性能降低在水電機(jī)組運行中最易發(fā)生，因此，水輪發(fā)電機(jī)都要加裝軸電流保護(hù)器，起到監(jiān)視軸電流的作用。對軸電流異常問題的排查，既要重視異常原因的分析，又要重視引起軸電流的產(chǎn)生的機(jī)組結(jié)構(gòu)問題，即發(fā)電機(jī)集電環(huán)、刷架、碳粉沉積會降低正負(fù)兩極的絕緣性能。吉牛水電站1F、2F機(jī)組因碳刷粉塵不能收集，導(dǎo)致絕緣性能降低引起軸電流異常升高，通過對集電環(huán)、導(dǎo)電環(huán)進(jìn)行改造，并加裝碳粉收集裝置，不但解決了軸電流異常升高問題，同時還降低了碳刷、集電環(huán)運行溫度，機(jī)組等效可用系數(shù)得到提高，增強(qiáng)了機(jī)組可靠性。