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大型水輪發(fā)電機(jī)組大軸絕緣監(jiān)測應(yīng)用研究

文檔作者：王林毛健李新田文檔來源：向家壩水力發(fā)電廠		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年06月03日
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第35卷第5期
84 2012年l0月
水電站機(jī)電技術(shù)
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trical Technique of Hydropower Station
大型水輪發(fā)電機(jī)組大軸絕緣監(jiān)測應(yīng)用研究
王林，毛健，李新田
(向家壩水力發(fā)電廠，四川宜賓644612)
摘要：簡要介紹了軸電壓的特征、形成與危害，以及監(jiān)測的必要性。通過監(jiān)測手段的應(yīng)用研究，分析實(shí)際效果，指出
了各種方式的優(yōu)劣，對設(shè)計(jì)和應(yīng)用部門均有一定的借鑒和參考意義。
關(guān)鍵詞：電氣工程；軸絕緣；分析對比；發(fā)電機(jī)大軸；軸電壓
中圖分類號：TK730．3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1 672—5387(201 2)05—0084—03
1軸電壓的產(chǎn)生及其危害
由于定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙不均勻以及定子鐵芯
的局部磁阻較大、磁路不對稱等原因，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的
定子磁場存在不平衡，這會(huì)使得水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子
上產(chǎn)生與軸相交的交變磁通和軸向的感應(yīng)電勢，即
軸電壓【 。對于水輪發(fā)電機(jī)，由于機(jī)組轉(zhuǎn)速不高，且通
過設(shè)計(jì)制造和安裝單位對機(jī)組安裝質(zhì)量的控制，機(jī)
組正芎運(yùn)行時(shí)該感應(yīng)電勢對地不會(huì)太高，發(fā)電機(jī)上
端軸軸電壓一般不超過2-3 V，某大型電站機(jī)組的
軸電壓也大致處于這一水平。僅某大型電站個(gè)別機(jī)型
因定子磁路設(shè)計(jì)上的問題，軸電壓偏高，峰值甚至達(dá)
數(shù)十V。
在波形特征上，軸電壓諧波特征明顯，但起主要
作用的是基波與三次諧波翻。以某大型電站機(jī)型為
例，通過FFvr分析，(如圖1、2)當(dāng)機(jī)端電壓為額定
時(shí)，三次諧波占整個(gè)電壓比例的一半以上。隨著機(jī)端
電壓的下降，高次諧波比重加大，如電壓為40％Un
時(shí)，15次諧波成主要成分，這說明軸電壓的性質(zhì)與
轉(zhuǎn)速有關(guān)系。
盡管軸電勢數(shù)值不大，但在發(fā)電機(jī)內(nèi)部各種交
變的脈沖磁場的作用下，其峰值卻很高(如圖1)。由
于轉(zhuǎn)子軸內(nèi)電阻很小，且一般軸承與大軸問只有不
到1 mm的油膜間隙，如軸領(lǐng)與大軸間絕緣破壞，它
將在軸電壓的作用下，沿軸承和底板形成的閉合回
路，對軸瓦擊穿放電，軸電流可達(dá)很大數(shù)值(數(shù)百到
數(shù)千安培)，對軸瓦造成電氣侵蝕，同時(shí)使?jié)櫥土?
化進(jìn)一步惡化軸瓦的運(yùn)行環(huán)境。導(dǎo)致油質(zhì)劣化，軸承
震動(dòng)增大，軸瓦燒傷等事故。從某種意義上講，軸瓦
的破壞程度取決于軸電流的幅值和作用時(shí)間；從運(yùn)
圖1額定電壓下發(fā)電機(jī)軸電壓波形
FF1s 射曲●口e ua-∞w
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圖2發(fā)電機(jī)軸電壓FFT分析
行角度來講，運(yùn)行人員需要隨時(shí)或提前知道軸電流
的變化或軸承絕緣的損壞程度。因此一次設(shè)備制造
廠家就提出各種對軸絕緣進(jìn)行監(jiān)測的方法。
2軸絕緣監(jiān)測措施
為了防止軸電流對潤滑油和軸瓦的損害，大型
水輪發(fā)電機(jī)組主要采用兩種預(yù)防措施。其一是機(jī)組
制造廠家在設(shè)計(jì)上采取在轉(zhuǎn)子下端對大軸采用碳刷
收稿日期：2012—07—20
作者簡介：王林(1985一)，男，助理工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保
護(hù)維護(hù)工作。
萬方數(shù)據(jù)
王林，等：大型水輪發(fā)電機(jī)組大軸絕緣監(jiān)測應(yīng)用研究 85
接地，在上端軸與上端軸領(lǐng)間加酚醛玻璃板絕緣，以
防止軸電流形成回路，同限制大軸對地電位；其二就
是采用軸絕緣監(jiān)測手段對軸絕緣進(jìn)行監(jiān)測，以保證
在軸電流達(dá)到軸瓦的破壞電流值以前，通知運(yùn)行人
員，采取必要的措施。
國內(nèi)大型水輪發(fā)電機(jī)組大致采用了兩類不同的
軸電流監(jiān)測方案。一類監(jiān)測方案是加裝軸CT，通過
監(jiān)測軸電流監(jiān)視上端軸絕緣情況；另一類監(jiān)測方案
是采用兩塊SINEAX V604通用可編程變送器利用
姆歐法對上端軸軸領(lǐng)、軸領(lǐng)與大軸間的銅箔及大軸
間的絕緣進(jìn)行分段監(jiān)視。
(1)軸CT測量法
原某大型電站電站哈電機(jī)組采用軸電流保護(hù)裝
置通過軸CT對通過大軸的交流電流的大小進(jìn)行監(jiān)
測的方法，來間接監(jiān)視軸絕緣情況。
軸電流監(jiān)測裝置能夠通過軸CT將發(fā)電機(jī)大軸
上產(chǎn)生的軸電流檢測出來，并根據(jù)不同的軸電流值
發(fā)出相應(yīng)的信號，從而能有效地防止軸電流的破壞，
保護(hù)軸承及軸領(lǐng)。同時(shí)，軸電流保護(hù)裝置還可將測量
值轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號送監(jiān)控記錄。
軸電流保護(hù)裝置由軸電流互感器和軸電流信號
裝置組成。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
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(a)軸CT結(jié)構(gòu)
(b)軸電流檢測裝置原理結(jié)構(gòu)
圖3軸電流保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖
軸電流監(jiān)測裝置主要監(jiān)測軸電流中的基波分量
與三次諧波分量。軸電流互感器在設(shè)計(jì)上一方面考
慮安裝拆卸方便性，設(shè)計(jì)成兩瓣或者四瓣結(jié)構(gòu)，另一
方面考慮監(jiān)測的靈敏性，鐵芯采用特殊硅鋼片卷繞，
可以檢測出1 A以下的軸電流。
軸CT正常輸出信號較小，為了降低電磁干擾
對測量的影響，采取在CT輸出端并電阻的方法，將
電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號引至測量裝置，但該電壓信
號僅為幾十毫伏，測試不太方便。為了試驗(yàn)方便，除
了工作繞組外，軸CT一般還繞有試驗(yàn)繞組，以便解
決試驗(yàn)信號弱小而存在的檢驗(yàn)困難問題。安裝測試
繞組后，可通過專門的試驗(yàn)?zāi)K，對軸電流保護(hù)進(jìn)行
校驗(yàn)。但在正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)注意斷開試驗(yàn)繞組，以防
止試驗(yàn)繞組內(nèi)的感應(yīng)電流對工作繞組的影響。有些
軸電流保護(hù)廠家不提供試驗(yàn)繞組電源回路，估計(jì)也
有這方面的考慮。
軸電流保護(hù)的整定值應(yīng)該是當(dāng)機(jī)組絕緣損壞
時(shí)，保護(hù)裝置動(dòng)作的軸電流不能使軸瓦與軸領(lǐng)損壞
為原則，也就是說應(yīng)以軸瓦所能承受的軸電流作為
保護(hù)裝置整定的依據(jù)。按有關(guān)資料介紹[31，當(dāng)軸電流
密度不超過0．2 A／era 時(shí)，可以認(rèn)為不會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞軸
瓦。因此應(yīng)對機(jī)組正常運(yùn)行的軸電流進(jìn)行實(shí)際測量
后，再按以上軸電流密度進(jìn)行校核，以取得一個(gè)合理
的整定值。
在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于軸CT安裝于發(fā)電機(jī)上
端軸段，據(jù)有關(guān)資料 表明機(jī)組起勵(lì)電流對軸電流監(jiān)
測裝置是有影響的。因此應(yīng)對軸電流保護(hù)設(shè)置一定
延時(shí)，避過瞬時(shí)的脈沖電流，并對峰值進(jìn)行記錄分
析，這樣，即能保證設(shè)備的正常運(yùn)行，又可發(fā)現(xiàn)故障
隱患，及早處理。
(2)軸絕緣電阻測量法
向家壩右岸ALSTOM機(jī)組、某大型電站AL—
STOM機(jī)組以及改造后的某大型電站哈電機(jī)組為了
有效的抑制軸絕緣破壞所造成的危害，加強(qiáng)軸絕緣
監(jiān)視，采用在軸領(lǐng)與大軸絕緣層中加裝金屬銅箔的
方式，將軸領(lǐng)絕緣分為兩段，并將銅箔用導(dǎo)線引出到
大軸表面的金屬環(huán)上，采用兩塊SINEAX V604通用
可編程變送器利用姆歐法對兩段分別監(jiān)視絕緣電
阻。通過直接測量軸絕緣電阻來檢測軸絕緣情況。當(dāng)
其中的一段絕緣損壞后發(fā)信，發(fā)電機(jī)可以繼續(xù)運(yùn)行，
兩端絕緣都異常后跳閘。圖4是ALSTOM發(fā)電機(jī)廠
商采用歐姆表法進(jìn)行絕緣測試的連接示意圖。
SINEAX V604通用可編程變送器通過注入幅
值為60～380 A自適應(yīng)的恒定電流信號，測量端口
電壓來計(jì)算回路絕緣情況。裝置具備多個(gè)信號指示
燈。當(dāng)綠燈閃動(dòng)表明測量傳感器開路，表示被測回路
絕緣良好。如果測量電阻低于測量整定值，則指示燈
變?yōu)槌Ａ?，指示被測回路絕緣下降。
對于采用分級軸絕緣方式的發(fā)電機(jī)，當(dāng)發(fā)電機(jī)
在運(yùn)行時(shí)，還可采用專用的歐姆表，在上導(dǎo)軸上進(jìn)行
萬方數(shù)據(jù)
86 水電站機(jī)電技術(shù) 第35卷
圖4測量絕緣回路不意圖
油膜電阻的附加測試。盡管結(jié)果不完全可信，但當(dāng)軸
有輕微的擦傷或者有熱塊惡化時(shí)，仍然能指示出一
定的金屬間的聯(lián)系。當(dāng)運(yùn)行著的電機(jī)具有較高的阻
值時(shí)，表明軸絕緣情況良好。另外，當(dāng)需了解在高壓
潤滑系統(tǒng)建立油膜、決定啟動(dòng)系統(tǒng)多．陜能完成油膜
建立或在停機(jī)時(shí)油膜能支持多久的情況時(shí)，也可以
使用這種測試。
3軸絕緣監(jiān)測裝置運(yùn)行情況分析
(1)采用軸CT測量大軸電流的方式，是間接測
量方式。但由于其安裝位置及安裝方式與安裝質(zhì)量
的限制，機(jī)組內(nèi)部強(qiáng)磁場、強(qiáng)電場以及可控硅靜止勵(lì)
磁裝置產(chǎn)生的脈沖等諸多因素，都會(huì)影響軸電流測
量裝置的測量。且由于軸CT的變比較大，其CT二
次電流多為毫安級，抗干擾能力差，致使軸CT測量
裝置在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，可能就已超過整定值而誤
動(dòng)。在某大型電站機(jī)組投產(chǎn)時(shí)，觀察到哈電機(jī)組軸電
流較大，已超過裝置顯示范圍。停機(jī)后檢查軸絕緣卻
未發(fā)現(xiàn)異常。
經(jīng)分析，認(rèn)為引起誤差大的主要原因在于：a、軸
電流互感器安裝平整度、水平度、精密度。b、空間磁
場分布不均勻等方面。
由于軸電流測量裝置不能真實(shí)反映大軸絕緣情
況，又由于哈電機(jī)組符合安裝注人式分段軸絕緣監(jiān)
視裝置的條件，為此2008年冬修期間，某大型電站
電氣維修部保護(hù)分部對右岸電站哈電機(jī)組進(jìn)行了大
軸絕緣保護(hù)的改造，全部改造成注入式軸絕緣電阻
監(jiān)測的方式，運(yùn)行情況良好。
f2)采用SINEAX V604注入式軸絕緣電阻監(jiān)測
的方式是一種直接測量方式。對于軸電壓不高，且磁
路設(shè)計(jì)良好的軸絕緣，監(jiān)視效果較好。某大型電站
ALSTOM機(jī)組軸絕緣裝置運(yùn)行情況良好，在機(jī)組運(yùn)
行期間，曾監(jiān)測到軸領(lǐng)根部由大量碳刷粉末堆積導(dǎo)
致的軸絕緣下降，并正確告警。但當(dāng)由于磁路設(shè)計(jì)不
太好而造成軸電壓較高，且軸電壓中諧波較大時(shí)，則
需對測量回路采用濾波措施。該裝置在某電站機(jī)組
上采用時(shí)，由于ALSTOM對發(fā)電機(jī)的定子相分支數(shù)
進(jìn)行了調(diào)整，但未對定子鐵芯做相應(yīng)調(diào)整，結(jié)果造成
磁路有輕微的不平衡，致使軸電壓較高，同時(shí)軸電壓
中諧波含量也較高，對SINEAX V604軸絕緣監(jiān)視裝
置的測量造成了極大的干擾，后經(jīng)采用在測量回路
上并接濾波電容后，大致消除了對裝置測量的影響，
裝置工作正常。
(3)大軸接地碳刷接地不良將影響軸絕緣監(jiān)測
裝置測量，對軸電流測量監(jiān)視裝置的影響尤其明顯。
且由于某大型電站機(jī)組推力軸承與推力頭間無絕
緣，僅靠位于推導(dǎo)下端的大軸接地碳刷平衡與大地
間的地位差。因此大軸接地碳刷的好壞，直接關(guān)系到
推導(dǎo)軸承的運(yùn)行安全。因此定期檢查大軸接地碳刷
是十分有必要的。在進(jìn)行大軸接地碳刷定期檢查或
更換工作時(shí)應(yīng)注意檢查碳刷在刷握內(nèi)活動(dòng)自如，彈
簧應(yīng)壓在碳刷中心位置，壓力正常，檢查發(fā)電機(jī)碳刷
運(yùn)行正常。
4結(jié)語
本文介紹了國內(nèi)大型水輪發(fā)電機(jī)組采用的兩種
發(fā)電機(jī)軸絕緣監(jiān)測方法以及在某大型電站和向家壩
電站的應(yīng)用情況。軸絕緣電阻測量方法更適用于有
中間絕緣體、且有引出線結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)。因?yàn)槠湟?
入方波信號，該方波如果直接加在沒有絕緣層的發(fā)
電機(jī)上，可能對絕緣效果適得其反。ALSTOM機(jī)組軸
絕緣測量法在某大型電站機(jī)組運(yùn)行中，曾經(jīng)正確報(bào)
警，檢查發(fā)現(xiàn)軸領(lǐng)根部有大量碳刷碳粉堆積，驗(yàn)證了
此方法的有效性。
而軸CT的測量方法存在整定值經(jīng)驗(yàn)不豐富，
依據(jù)不足的缺點(diǎn)。目前，國內(nèi)還有其它一些方法，比
如在上導(dǎo)瓦外側(cè)與油槽壁絕緣材料中安裝引出線等
形式，設(shè)計(jì)原理大同小異，而效果仍有待觀察。
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