300 Mvar 調(diào)相機大軸保護方案的研究

胡 帥，劉 杰，王廷旺，周 勇

（1.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司檢修公司，烏魯木齊 830002）

0 引言

近年來，隨著遠距離、大容量特高壓跨區(qū)直流輸電項目的不斷投運，調(diào)相機因良好的瞬時無功支撐能力和暫態(tài)響應(yīng)特性而被廣泛應(yīng)用于特高壓直流換流站[1-3]。運行經(jīng)驗證明，調(diào)相機在向系統(tǒng)提供穩(wěn)態(tài)無功補償并提高系統(tǒng)短路容量方面發(fā)揮了巨大的作用[4]。

300 Mvar 調(diào)相機是近年來國內(nèi)換流站配套工程常用機型，均采用SFC（靜止變頻啟動裝置）拖動至3 150 r/min，惰走后同期并網(wǎng)[5]。目前，調(diào)變組保護裝置不僅配置有針對調(diào)相機拖動過程低頻狀態(tài)的啟機保護和注入式轉(zhuǎn)子接地保護，而且有正常運行后工頻狀態(tài)的主、后備保護[6]和雙套不同工作原理的轉(zhuǎn)子接地保護。大軸作為重要的轉(zhuǎn)動機械部件，在調(diào)相機整套啟動和正常運行時調(diào)變組保護裝置均未對其配置任何電氣量保護。

調(diào)相機主體結(jié)構(gòu)與發(fā)電機基本相同。在機組啟動以及正常運行時，大軸均會因磁路不對稱、軸向磁通、靜止勵磁系統(tǒng)等因素疊加不同頻率和幅值的電壓[7-9]。過高的軸電壓將擊穿軸承油膜造成大軸對軸瓦持續(xù)放電，加速潤滑油老化和機械磨損[10]。為此，大型調(diào)相機型式試驗導(dǎo)則中明確規(guī)定：非勵端對勵端軸電壓應(yīng)約等于勵端軸對地電壓，且該值不得大于10 V[11]；隱極同步發(fā)電機技術(shù)要求規(guī)定軸電壓大于20 V 應(yīng)查明原因[12]。

調(diào)相機與發(fā)電機的不同在于調(diào)相機在啟機直至并網(wǎng)過程中不需要汽輪機的拖動，調(diào)相機大軸不需考慮蒸汽靜電效應(yīng)所產(chǎn)生累積電荷的影響。因調(diào)相機無原動機拖動，機組固有頻率與電網(wǎng)振蕩頻率可能引起的大軸共振現(xiàn)象可忽略，調(diào)相機大軸也無需加裝扭振保護。調(diào)相機依靠SFC 拖動至3 150 r/min 后惰走并網(wǎng)，整個過程持續(xù)時間短且軸電壓經(jīng)實測未發(fā)生明顯變化，調(diào)相機整套啟動期間不需增設(shè)專門的大軸保護功能。

目前，關(guān)于300 Mvar 調(diào)相機軸電壓的治理沒有統(tǒng)一的設(shè)計要求和指導(dǎo)意見，為防止軸電壓過高而發(fā)生軸承電腐蝕現(xiàn)象，各主機制造廠采取了很多措施，如：盤車端加裝兩塊碳刷后一點接地、勵磁端軸承座加裝絕緣墊、勵磁端加裝RC（電阻-電容電路）接地模塊[19]以及將軸電壓、軸電流集中接入至調(diào)相機一體化監(jiān)測裝置等。雖然這些措施在實際應(yīng)用后取得了一定效果，但仍存在很多問題，如調(diào)相機兩側(cè)接觸碳刷與大軸接觸不良后不能即時被發(fā)現(xiàn)；勵磁端RC 接地模塊與盤車端接地因地排敷設(shè)質(zhì)量而造成兩側(cè)地電位不一致；調(diào)相機本體至調(diào)相機一體化監(jiān)測裝置距離較遠，軸電壓、軸電流遠距離傳輸后信號衰減和受外部干擾較大，監(jiān)測數(shù)值與實際值存在較大偏差；調(diào)相機軸電壓異常判別完全依賴于運行人員經(jīng)驗。鑒于存在以上問題，大軸以及軸承電腐蝕事件仍然時有發(fā)生[13]。根本原因是在機組軸電壓持續(xù)惡化的過程中沒有用于即時發(fā)出預(yù)警或作用于停機的相應(yīng)手段，因此，有必要研發(fā)一種狀態(tài)監(jiān)測智能且靈敏可靠的大軸保護。

本文在不改變調(diào)相機主機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，改進現(xiàn)有軸電壓、軸電流監(jiān)測回路，提出基于軸電壓、軸電流復(fù)合判據(jù)的調(diào)相機大軸保護方案，該保護可實現(xiàn)在接地碳刷和電壓監(jiān)視碳刷接觸不良或回路斷線時的即時預(yù)警，以及軸電壓持續(xù)升高或軸電流超標(biāo)時發(fā)出告警或跳閘指令。

1 調(diào)相機軸電壓、軸電流故障特征

軸電壓是電機運行過程中在轉(zhuǎn)軸兩端或軸的局部區(qū)域產(chǎn)生的電勢差[14]，大軸、軸承和基座一旦形成閉合的回路后，大軸對地就能產(chǎn)生持續(xù)的軸電流。軸電流的大小取決于軸電壓和回路電阻，軸電壓越高，軸電流越大[15]。當(dāng)軸電流密度超過0.2 A/mm2，大軸軸頸的滑動表面與軸瓦就可能遭到損壞[16]。目前各種異常工況下調(diào)相機軸電壓、軸電流監(jiān)測數(shù)據(jù)的具體分析尚未見報道，本文借鑒發(fā)電機大軸異常狀況的研究成果來開展調(diào)相機大軸相同影響因素的研究分析。文獻[17]對轉(zhuǎn)子偏心引起的軸電壓進行了分析和實驗室驗證，得出轉(zhuǎn)子偏心時軸電壓信號以一、三、五等奇次諧波為主，基波占主要組成部分。文獻[18]對靜態(tài)勵磁系統(tǒng)引起的軸電壓進行仿真分析，得到靜態(tài)勵磁系統(tǒng)引起軸電壓的成分是以共模電壓基波及三、五、七次高頻奇次諧波分量組成。文獻[16]認(rèn)為軸向磁通產(chǎn)生的單極電動勢所引起的軸電流較小，不會造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞。

文獻[16，20]對軸電流監(jiān)測二次回路和濾波電路進行了詳細(xì)闡述，兩者均一致認(rèn)為軸電流是以基波和三次諧波為主，同時混疊多次諧波的電氣量。

考慮調(diào)相機與發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及主勵磁方式相同，因此以往發(fā)電機在正常運行狀態(tài)下的靜態(tài)勵磁系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)子偏心軸電壓的分析同樣適用于調(diào)相機。綜上所述，正常運行時調(diào)相機軸電壓可認(rèn)為是以基波為主，三、五、七次高頻奇次諧波疊加的電氣量，軸電流是以基波和三次諧波為主的電氣量。

2 調(diào)相機大軸保護方案

2.1 數(shù)據(jù)測量

以往軸電壓、軸電流多由主機碳刷直接引出或引出電纜穿TA（電流互感器）后經(jīng)4-20 mA 變換器送至調(diào)相機一體化監(jiān)測裝置。為了擴展軸電壓、軸電流數(shù)值的可識別范圍，調(diào)相機軸電壓通過安裝在大軸勵磁端的碳刷直接引入保護裝置進行A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采樣?？紤]勵磁端軸承基座絕緣墊的絕緣性能下降時軸電壓擊穿油膜后可能帶來設(shè)備損傷，勵磁端接地碳刷引出線經(jīng)無源RC電路（電阻R=500 Ω，電容C=10 μF）接地，如圖1 所示。500 Ω 的電阻可以將軸電流限制在毫安級，10 μF 的電容并聯(lián)于電阻兩端主要用于限制靜止勵磁系統(tǒng)帶來的高頻脈沖電壓[7]。為減少以往因大軸兩側(cè)不同接地點電位差所帶來的軸電壓測量誤差，勵磁端接地碳刷經(jīng)RC 回路引出后，在盤車端大軸一點接地處可靠連接。調(diào)相機軸電流可通過盤車端接地碳刷引出線，經(jīng)穿心TA 進行數(shù)據(jù)測量，TA 安裝于勵磁端接地點上側(cè)，變比為10/1。

2.2 數(shù)據(jù)處理

圖1 大軸保護接線示意

從軸電壓、軸電流的測量接線形式可將調(diào)相機軸電壓回路等效為一個一階RC 并聯(lián)電路，電路如圖2 所示，U 為調(diào)相機軸電壓，R 和C 分別為無源RC 電路的電氣元件，I 為軸電流。根據(jù)圖2 所示的電路可知，軸電流有效值及其模值如公式（1）所示：

圖2 軸電壓回路原理

上文提到文獻[16，20]表明三次諧波是軸電流產(chǎn)生后比較明顯的電氣特征量，因此，開展軸電壓、軸電流有效值以及軸電流三次諧波分量的計算能夠準(zhǔn)確判斷出大軸確因軸電壓升高而出現(xiàn)異常。

根據(jù)目前某換流站1 號、2 號調(diào)相機（生產(chǎn)廠家為東方電氣，設(shè)備型號為TT-300-2 型）軸電壓運行監(jiān)測的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，調(diào)相機在拖動、空載、滿負(fù)荷狀態(tài)下機組軸電壓有效值基本維持在0～7 V。綜合考慮軸電壓可能出現(xiàn)的最大值以及調(diào)變組保護裝置采樣插件的采樣精度，調(diào)變組保護裝置中關(guān)于軸電壓的監(jiān)測量程可設(shè)定為0～50 V。本文建議調(diào)相機大軸根據(jù)軸電壓有效值范圍劃分為三個狀態(tài)，即正常、告警、跳閘。機組正常運行時軸電壓的有效值為0～10 V，告警狀態(tài)時數(shù)值范圍為10～20 V，跳閘狀態(tài)時數(shù)值范圍為20～50 V。根據(jù)公式（1），C=10 μF，R=500 Ω，可計算出大軸在各運行工況下軸電流有效值的變化范圍，如表1 所示。

表1 各階段軸電壓、軸電流數(shù)值范圍

前期文獻研究表明軸電壓和軸電流信號均可認(rèn)為是周期性、不規(guī)則的畸變信號，因此，軸電流信號f（t）滿足狄利赫里條件，可以進行快速傅里葉變換。對f（t）的每個周期均勻進行N 個點的采樣，得到離散的序列f（n），f（k）為f（n）的傅里葉變換，如公式（2）所示：

式中：Ak為諧波余弦項系數(shù)；Bk為諧波正弦項系數(shù)。

可得軸電流三次諧波幅值I3如公式（3）所示：

2.3 判據(jù)的實現(xiàn)方法

2.3.1 啟動元件

大軸對軸瓦發(fā)生油膜擊穿時，大軸對地均會出現(xiàn)較高的軸電壓和軸電流。根據(jù)隱極發(fā)電機監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，當(dāng)軸瓦油膜擊穿之前，軸電壓都會保持在相對高且穩(wěn)定的電位值。一旦軸瓦油膜被擊穿，軸電流會因油膜被擊穿面積的擴大而緩慢增大，整個過程持久且緩慢。傳統(tǒng)的微機保護多考慮突變量啟動元件，但該啟動元件因有效信息持續(xù)時間短，不適合用于設(shè)備狀況漸進惡化的保護場景。鑒于以上分析，大軸保護可采用基于軸電壓或軸電流有效值判斷的穩(wěn)態(tài)量啟動元件。軸電壓有效值Uz或軸電流有效值Iz大于整定值Uset或Iset，則開放大軸保護。

參照表1 中大軸運行數(shù)據(jù)且考慮一定的量值裕度，分別取0.95 倍的軸電壓和軸電流告警狀態(tài)臨界低值作為啟動元件固定整定值，即軸電壓大于9.5 V 或軸電流大于35.34 mA 時，保護開放。

2.3.2 保護邏輯

大軸保護邏輯由碳刷故障告警邏輯、過壓定時限告警邏輯、過流定時限跳閘邏輯組成，如圖3 所示。

碳刷與大軸良好接觸才能保證測量時軸電壓、軸電流的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。為防止大軸保護因碳刷接觸不良而失效，保護中依據(jù)軸電壓、軸電流連續(xù)采樣值設(shè)置了碳刷故障告警邏輯。當(dāng)兩者采樣數(shù)值任一項有效值為零且持續(xù)時間超過15 s，即可判定碳刷接觸不良或測量回路斷線，保護延時t0報碳刷故障告警。

為了在軸電壓逐漸增大的過程中保護裝置即時告警，大軸保護中設(shè)計了過壓定時限告警邏輯。在軸電壓持續(xù)增大且油膜尚未大面積被擊穿時，軸電流因幅值過小而無法被保護裝置準(zhǔn)確采樣，此時根據(jù)軸電壓有效值可判斷出當(dāng)前大軸的狀態(tài)。當(dāng)軸電壓增大到預(yù)設(shè)定值時，保護裝置發(fā)出過壓定時限告警。鑒于DL/T 2024—2019《大型調(diào)相機型式試驗導(dǎo)則》中軸電壓不得大于10 V 的要求，軸電壓告警值可固定設(shè)置為10 V，當(dāng)啟動元件動作且軸電壓大于10V 時，保護延時t1發(fā)過壓定時限告警信號。

當(dāng)軸電壓繼續(xù)升高且軸承油膜被大面積擊穿時，軸電流數(shù)值會隨之逐漸增大。通過快速傅里葉變換可求得軸電流三次諧波幅值。考慮到調(diào)相機生產(chǎn)廠家安裝工藝以及配套主勵磁的差別，調(diào)相機軸電流三次諧波的含有率難免也存在差異。因此，軸電流三次諧波保護整定值可參照調(diào)相機滿負(fù)荷運行時軸電流的實測值進行整定。因保護整定需留有適當(dāng)?shù)脑６?，軸電流三次諧波定值可整定為機組滿負(fù)荷運行時調(diào)變組裝置軸電流三次諧波分量實測值的1.3 倍。軸電流有效值可參照表1 中跳閘狀態(tài)最低軸電流有效值的1.05 倍進行定值固化整定，也可根據(jù)機組實際狀況進行定值調(diào)整。鑒于以上分析，當(dāng)軸電壓有效值達到告警或跳閘狀態(tài)時，軸電流有效值或其三次諧波任意一項幅值達到整定值時，保護延時t2發(fā)過流定時限跳閘信號。

圖3 大軸保護邏輯

3 抗干擾措施

本方案需要重點考慮的電磁干擾侵入點主要有：兩側(cè)碳刷引出線、勵磁端RC 回路、盤車端TA 以及軸電流、軸電壓至保護裝置測量電纜。以下為針對電磁干擾問題所提出的解決辦法。

（1）調(diào)相機盤車端的閑置區(qū)域裝設(shè)密封且外殼接地良好的金屬就地端子箱。就地端子箱內(nèi)設(shè)接線端子排和截面積不小于100 mm2且與主地網(wǎng)相連的等電位銅排。調(diào)相機碳刷引出線采用屏蔽電纜穿金屬管后接入就地端子箱端子排，金屬管與地網(wǎng)可靠焊接。碳刷引出線電纜的屏蔽層接入就地端子箱的等電位銅排。勵磁端RC 回路、盤車端電流互感器及其二次回路均安裝在盤車端的就地端子箱內(nèi)。

（2）軸電壓、軸電流分別由就地端子箱轉(zhuǎn)接至保護裝置。轉(zhuǎn)接電纜采用線芯不小于2.5 mm2的屏蔽電纜，沿途增設(shè)護套進行屏蔽，電纜屏蔽層兩端分別采用截面積不小于4 mm2的多股銅質(zhì)軟導(dǎo)線，可靠連接在兩側(cè)的等電位銅排。

（3）保護裝置采用軟件濾波，重點關(guān)注所需頻段信號，減少高次諧波的干擾。另外，保護裝置設(shè)置多重指令，可以極大地避免單重指令在受干擾時容易錯誤的現(xiàn)象。

4 可行性分析

前提調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)在運的調(diào)相機均未配置大軸保護，一些保護生產(chǎn)廠家雖然曾對大型火電機組提出過大軸保護方案，但皆因所需外部配合回路無具體的配置要求或研發(fā)思路未被相關(guān)安裝、調(diào)試單位準(zhǔn)確把握而未被廣泛應(yīng)用。

目前各主機制造廠所生產(chǎn)的調(diào)相機兩側(cè)均安裝有碳刷，大軸一點接地碳刷均安裝在盤車端，勵磁端碳刷主要用來實現(xiàn)調(diào)相機一體化監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)取用。文中所提到的軸電壓、軸電流檢測回路正是基于主流調(diào)相機制造現(xiàn)狀，在不改變調(diào)相機主機制造工藝的前提下，只需加裝就地端子箱以及相關(guān)的RC 電路和TA 回路，即可實現(xiàn)軸電壓、軸電流數(shù)據(jù)的安全取用。

該大軸保護方案在現(xiàn)有調(diào)變組保護裝置上經(jīng)以下技術(shù)改造后便可實現(xiàn)應(yīng)用：

（1）軟件方面，在現(xiàn)有的調(diào)變組保護裝置中增設(shè)大軸保護啟動元件，邏輯判別程序以及出口方式定義。

（2）硬件方面，配置專用的軸電壓、軸電流采樣插件，配置相應(yīng)的功能壓板、出口壓板。

5 結(jié)語

本文介紹了300 Mvar 調(diào)相機軸電壓產(chǎn)生機理以及大軸保護的研究現(xiàn)狀，分析了調(diào)相機大軸異常后的電氣故障特征量，在此基礎(chǔ)上提出了基于調(diào)變組保護裝置可實現(xiàn)的大軸保護研究思路。所提出的調(diào)相機電氣量檢測回路及實施辦法，定義了三種調(diào)相機大軸運行狀態(tài)（正常、告警、跳閘），根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算出各運行狀態(tài)理論檢測數(shù)據(jù)范圍，創(chuàng)新性地提出了基于軸電壓、軸電流檢測的碳刷故障監(jiān)測及保護跳閘邏輯，最后，對保護方案在實施過程中的抗干擾措施給出了具體的指導(dǎo)意見。

本文所提方案在不改變調(diào)相機主機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過規(guī)范大軸電氣量檢測回路即可完成數(shù)據(jù)的有效采集，實現(xiàn)方法簡單可靠。文中大軸保護邏輯判據(jù)所需外部接入信號較少，邏輯易于實現(xiàn)且監(jiān)測范圍廣。綜上所述，本文關(guān)于調(diào)相機大軸保護的分析和研究可以為設(shè)備研發(fā)、現(xiàn)場應(yīng)用提供新的思路，具有一定的實踐指導(dǎo)意義。