抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)軸電流保護(hù)原理與實(shí)際應(yīng)用

畢承凱，李云峰

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

1 概述

沙河抽水蓄能電站地處江蘇省溧陽市天目湖鎮(zhèn)境內(nèi)，裝有兩臺單機(jī)容量50 MW的混流可逆式機(jī)組。接入系統(tǒng)方式為：機(jī)組、主變壓器采用單元接線，機(jī)組與變壓器之間設(shè)置斷路器與換相開關(guān)，主變壓器高壓側(cè)為聯(lián)合單元，一回220 kV線路至茶亭變電所。機(jī)組主要通過SFC進(jìn)行抽水工況啟動，背靠背拖動為備用。

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，加之新能源發(fā)電的占比越來越高，抽水蓄能的削峰填谷以及事故備用的作用就顯得日益重要，因此對抽水蓄能機(jī)組保護(hù)方面，有著越來越高的要求。

2 發(fā)電電動機(jī)

2.1 抽水蓄能電站發(fā)電電動機(jī)特點(diǎn)

（1）正反旋轉(zhuǎn)。抽水蓄能電站發(fā)電電動機(jī)有發(fā)電和抽水兩種工況，發(fā)電電動機(jī)在這兩種不同工況下旋轉(zhuǎn)方向相反，所以這就要求其三相繞組相序能切換來滿足磁場的要求。

（2）啟停頻率高。沙河抽水蓄能電站平均啟停次數(shù)為4次/d（抽水、發(fā)電各2次）。這就對保護(hù)提出了更高的要求。

（3）有專門的啟動方式。抽水蓄能機(jī)組抽水一般采用靜止變頻器啟動或者背靠背啟動，導(dǎo)致電氣接線、控制操作復(fù)雜。

（4）過渡過程工況復(fù)雜。在工況轉(zhuǎn)換過程中要經(jīng)歷各種瞬態(tài)過程，這些瞬態(tài)過程使得機(jī)組需要承受更多的振動。

2.2 發(fā)電電動機(jī)故障

發(fā)電電動機(jī)故障按其組成部件可分為定轉(zhuǎn)子故障（約占總故障的20%左右）、軸承故障（約占總故障的20%左右）、機(jī)械制動裝置、機(jī)組冷卻設(shè)備故障（占總故障的60%左右）。其中，定轉(zhuǎn)子故障主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的磁極及其連接線、磁軛、磁極和定子線棒、繞組和鐵心硅鋼片等部件上。

2.2.1 轉(zhuǎn)子故障的體現(xiàn)

（1）磁極引出線，連接線故障；

（2）磁極鐵心故障；

（3）極間支撐、阻尼繞組的故障；

（4）集電裝置故障。

2.2.2 轉(zhuǎn)子故障的后果

（1）轉(zhuǎn)子接地從而使接地保護(hù)報(bào)警或動作；

（2）轉(zhuǎn)子磁場不平衡從而使定子繞組匝間保護(hù)動作。

2.2.3 定子故障的體現(xiàn)

（1）定子鐵心故障；

（2）定子繞組連接與絕緣故障；

（3）定子繞組固定及匯流排故障。

2.2.4 定子故障的后果

（1）定子接地故障；

（2）定子匝間短路故障；

（3）定子繞組相間短路甚至燒損；

（4）定子部件松動，位移甚至使機(jī)組掃膛。

2.2.5 其他類型故障及后果

（1）軸電流過高或機(jī)組軸瓦溫度過高可能導(dǎo)致機(jī)組燒瓦；

（2）機(jī)組發(fā)生高速加閘的情況（高轉(zhuǎn)速誤投機(jī)械制動）將導(dǎo)致機(jī)械制動損壞故障；

（3）發(fā)電機(jī)電動機(jī)冷卻水管路漏水會導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子接地或短路故障。

3 軸電流保護(hù)

基于抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)的工作特點(diǎn)，對機(jī)組軸承提出新的要求，繼電保護(hù)對軸瓦的保護(hù)也受到業(yè)內(nèi)的關(guān)注。

圖1 軸電流保護(hù)回路

軸電流一般是由于定轉(zhuǎn)子之間氣隙不均勻，轉(zhuǎn)子繞組之間短路或大軸磁化感應(yīng)出軸電壓而產(chǎn)生的。

抽水蓄能機(jī)組有軸電壓是無法避免的，所產(chǎn)生的軸電壓也比較低。但是由于其回路電阻小，當(dāng)機(jī)組產(chǎn)生軸電流的通路時(shí)，會產(chǎn)生很大的軸電流，影響到機(jī)組的正常運(yùn)行。如果是大軸、導(dǎo)瓦、機(jī)架到接地回路形成通路，會導(dǎo)致軸瓦發(fā)生腐蝕。特別是當(dāng)軸承與大軸之間的油膜被擊穿后，轉(zhuǎn)動部件與導(dǎo)瓦之間就會產(chǎn)生金屬性接觸，情況嚴(yán)重時(shí)灼傷機(jī)組導(dǎo)瓦。當(dāng)發(fā)生軸電流時(shí)，大電流也會使軸瓦之間絕緣潤滑油發(fā)生碳化作用，從而使導(dǎo)瓦之間失去潤滑，導(dǎo)致機(jī)組燒瓦發(fā)生。如果在軸承油槽之外產(chǎn)生接地回路，就會損壞機(jī)組的絕緣或者金屬結(jié)構(gòu)，從而大大降低機(jī)組的安全運(yùn)行。

為了防止轉(zhuǎn)子上的諧波分量感應(yīng)到大軸上后，通過軸承支架與地形成回路，生成軸電流引起軸承發(fā)熱進(jìn)而損環(huán)軸承瓦面，因此在發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子上方的各個(gè)軸承支架以及油盆支架與大地之間設(shè)置絕緣，破壞其產(chǎn)生通道。為了監(jiān)視絕緣情況，需要設(shè)置軸電流保護(hù)。轉(zhuǎn)子中的諧波分量在正常情況下，由于有絕緣墊，電流不會形成通路，從而保護(hù)軸瓦。當(dāng)絕緣破壞以后，瓦面上還有油膜，這時(shí)候油膜的阻抗就會遠(yuǎn)大于大軸碳刷的阻抗，電流會經(jīng)碳刷、繼電器、軸承、絕緣及支架后通過地形成回路，既保護(hù)了瓦面，又可利用這個(gè)電流使其報(bào)警或停機(jī)。

以懸式機(jī)組為例。在轉(zhuǎn)子的上方有上導(dǎo)軸承和推力軸承，在轉(zhuǎn)子的下方有下導(dǎo)軸承，下導(dǎo)軸承的下方有大軸電流互感器，用來測量大軸是否對地絕緣。

圖2 懸式機(jī)組軸電流保護(hù)回路

只有當(dāng)上導(dǎo)或推力與機(jī)架間絕緣破壞并且上導(dǎo)或推力軸瓦油膜被破壞時(shí)，大軸上才有電流通過，保護(hù)才動作。

4 沙河抽水蓄能電站軸電流保護(hù)動作導(dǎo)致抽水啟動失敗案例

4.1 初始狀態(tài)、故障現(xiàn)象及處理過程

2016年06月13日09：25：00，1號機(jī)組發(fā)電啟動過程中，上位機(jī)報(bào)文顯示“1號機(jī)組A柜跳閘總信號”“1號機(jī)組B柜跳閘總信號”，1號機(jī)組發(fā)電啟動失敗轉(zhuǎn)停機(jī)。

經(jīng)運(yùn)行人員現(xiàn)地檢查，1號機(jī)組A、B保護(hù)柜跳閘指示燈亮，現(xiàn)地保護(hù)液晶面板均顯示軸電流保護(hù)動作。接運(yùn)行人員通知，檢修人員迅速檢查處理，對1號機(jī)組保護(hù)動作數(shù)據(jù)進(jìn)行了查看，軸電流保護(hù)動作電流為2.05 mA（定值0.5 mA，延時(shí)9 s），A、B保護(hù)柜動作數(shù)據(jù)和故障錄波波形一致。

隨后，檢修人員對1號機(jī)組風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行檢查：

（1）上導(dǎo)擺度傳感器、安裝支架及連接電纜完好；

（2）上導(dǎo)瓦和推力瓦共18塊瓦溫傳感器絕緣完好；

（3）上導(dǎo)油盆蓋與上機(jī)架間60只聯(lián)接螺栓的絕緣襯套、絕緣墊片完好，油盆蓋與上機(jī)架間絕緣膠墊完好；

（4）大軸與導(dǎo)瓦等電位連接電纜及碳刷完好；

（5）軸電流互感器本體及二次接線完好。

隨后檢修人員又對上導(dǎo)油盆部件絕緣檢查。

11：08：00進(jìn)行空載試驗(yàn)，11：11：00 1號機(jī)組A、B保護(hù)柜軸電流保護(hù)動作，保護(hù)動作時(shí)刻軸電流為2.9 mA，試驗(yàn)不成功。

經(jīng)討論分析，認(rèn)為在上導(dǎo)油盆蓋的絕緣膠墊上和上導(dǎo)推力循環(huán)油內(nèi)存在導(dǎo)電雜質(zhì)。

依次拆除上導(dǎo)油盆相關(guān)元器件、60套聯(lián)接螺栓、油盆蓋分瓣螺栓，分別將4瓣油盆蓋吊走，檢查油盆蓋與上機(jī)架間絕緣膠墊完好；用頂轉(zhuǎn)子油泵手動對風(fēng)閘打壓至11 MPa，轉(zhuǎn)子頂起0.6 mm，測量推力瓦對地絕緣情況；對油盆蓋所有接觸面進(jìn)行清潔；對絕緣膠墊進(jìn)行檢查、清潔。

用手拉葫蘆將分瓣油盆蓋吊起，在空中拼裝完成，用分瓣螺栓固定；緩慢放置至油盆上方1～2 mm（注意碳精環(huán)的收縮），調(diào)整位置，位置角度對準(zhǔn)后用聯(lián)接螺栓逐個(gè)定位；整體定位后提起至4 mm左右，拆除單個(gè)定位聯(lián)接螺栓，塞入絕緣膠墊，對孔后再次用聯(lián)接螺栓固定，按程序逐個(gè)拆裝聯(lián)接螺栓、回裝絕緣膠墊；全部完成后整體落下油盆蓋板，帶絕緣墊片回裝聯(lián)接螺栓。

按照工藝要求回裝相關(guān)部件。

21：00：00對上導(dǎo)油盆充排油。依次打開1號機(jī)組導(dǎo)軸承及調(diào)速器回油箱排油總閥、1號機(jī)組導(dǎo)軸承排油總閥、1號機(jī)組推力及上導(dǎo)軸承油箱排油閥，對上導(dǎo)油盆進(jìn)行排油。

打開1號組機(jī)推力及上導(dǎo)軸承油箱進(jìn)油閥，循環(huán)沖洗后重新排油。打開上導(dǎo)油盆底部排油閥，排除底部剩油。重新充油到合適油位。

14日00：10：00搶修工作結(jié)束，1號機(jī)組空載試驗(yàn)正常，恢復(fù)備用。

4.2 原因分析

1號機(jī)組現(xiàn)在運(yùn)行正常，運(yùn)行中軸電流較小。從搶修過程檢查的情況來看，上導(dǎo)與中間環(huán)之間的絕緣阻值無窮大，排除了上端軸絕緣損壞而產(chǎn)生軸電流的可能性，對軸電流在線監(jiān)測進(jìn)行檢查時(shí)，也沒有發(fā)生異?，F(xiàn)象，排除了互感器損壞的可能性。本次故障的主要原因?yàn)闄C(jī)組運(yùn)行過程中碳刷碳粉落入上導(dǎo)油盆內(nèi)，引起上導(dǎo)絕緣降低，使得機(jī)架到軸承、轉(zhuǎn)動大軸、機(jī)組接地點(diǎn)構(gòu)成接地回路，從而導(dǎo)致軸電流保護(hù)動作。在2016年D修中，結(jié)合本次軸電流事故，對機(jī)組上導(dǎo)油盆蓋進(jìn)行了改造。

5 總結(jié)

軸電流在機(jī)組運(yùn)行的時(shí)候?qū)C(jī)組正常運(yùn)行有一定的危害。如果在軸電流發(fā)生時(shí)未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，很有可能對機(jī)組的主要元件產(chǎn)生破壞。結(jié)合沙河電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了以下軸電流的防護(hù)措施：

（1）對上導(dǎo)軸承絕緣進(jìn)行定期測量；

（2）對碳刷架，集電環(huán)及時(shí)清理，防止摩擦掉落的碳粉影響絕緣強(qiáng)度；

（3）對軸承透平油定期更換，防止絕緣強(qiáng)度下降；

（4）對軸電流互感器和繼電保護(hù)裝置按期校驗(yàn)；

（5）檢修時(shí)，對軸承安裝調(diào)整后，要檢查機(jī)組的軸線位置，調(diào)整好各軸承瓦之間的間隙；

（6）在安裝測溫傳感器時(shí)，要防止傳感器的外殼與軸承的表面接觸。

目前，國內(nèi)水輪機(jī)軸電流監(jiān)測都是由電流互感器和保護(hù)裝置組成。根據(jù)水輪機(jī)的特點(diǎn)，軸電流產(chǎn)生時(shí)必定是從大軸到機(jī)組接地點(diǎn)，因此在接地碳刷上加裝電流互感器就可做到對軸電流數(shù)值實(shí)時(shí)監(jiān)控。相比在頂軸上加裝互感器和保護(hù)裝置，這種方案可以避開發(fā)電機(jī)漏磁場對軸電流監(jiān)測的影響，并且這種方式安裝成本較低，便于日后機(jī)組的維護(hù)檢修。

軸電流是抽蓄機(jī)組的一個(gè)無法避開的問題，除非抽水蓄能機(jī)組在結(jié)構(gòu)上有根本上的改變。另外，文章對軸電流案例進(jìn)行分析和總結(jié)，以期對其他電站機(jī)組運(yùn)行提供借鑒。