一种大型水轮发电机组轴电流在线监测分析系统

杨海英，刘立春，吴 桃

（国能大渡河枕头坝发电有限公司，乐山 614000）

在大型水轮发电机组长期运行期间，轴承的绝缘性能下降，将产生较大的轴电流以及相对较高的轴电压。轴承表面的轴电流密度超过0.2 A/cm2，会对轴瓦造成电腐蚀、油膜损坏、轴瓦发热以及一系列设备隐患，危及机组的安全稳定运行。因此，安全可靠的轴流保护装置在大型水电机组保护中非常重要。传统的轴电流在线监测系统直接对发电机轴电流基波和三次谐波振幅进行采样，当轴电流测量值超过设定的保护阈值时，采取保护措施。但只应用在故障发生后，仍然对发电机的安全运行构成威胁。而ATZDL-901 轴电流在线监测分析系统可以进一步提升保护动作功能。

轴电流在线监测装置将实时采样的轴电流测值上传至后台数据处理软件，记录轴电流历史曲线，并对该数据曲线进行趋势分析；同时高速、高密度采集轴电流、轴电压，提高电流、电压波形的置信系数，在对轴电压信号进行高速、高精度采样后，通过傅里叶算法对轴电压信号进行高次谐波分解运算，用于后期数据分析处理；实时判断出轴电流异常并及时给出告警输出，该系统后台数据处理系统采用FFT 等算法，并提出一套自学习预报算法，通过对集中收到的数据进行完整频谱分析以及中长期趋势分析，对轴电流和轴电压历史数据的学习处理，分析水轮机运行工况，从而在发现轴电流存在异常趋势时及时发出预警。

1 轴电流对发电机组的影响

水轮发电机组大轴与轴承之间的润滑油膜有着很重要的绝缘作用，正常情况下，在油膜的作用下，机组不会产生轴电流，而一旦油膜破坏失去绝缘性能，就会产生很大的轴电流。例如，当轴承底座绝缘垫出现产生油污、老化或者损坏等一系列情况时，会严重影响润滑油膜的绝缘性能，导致绝缘性能降低或消失。当轴电压高到击穿转轴与轴承之间的油膜后，会发生放电现象，由于油膜、转轴、轴承座及基础等回路阻抗极小，导致电流增大，并在轴与轴瓦形成金属性接触的瞬间产生灼伤，甚至可达到上千安。这种情况将严重危及机组的运行安全。轴电流的电解作用可以使润滑油碳化，油膜的绝缘性能在润滑油进入熔化的金属微颗粒之后有一定程度的降低，从而进一步加速电火花的扩展、侵蚀，碳化物和熔化后的金属微粒会造成润滑系统污染，在一系列的连环作用下，油的润滑性能将会变差，轴承温度将会升高，导致轴瓦在轴承机械严重磨损下烧坏，造成事故停机，大大缩短相关设备的使用寿命，这些都将给生产现场带来极大的安全隐患和负面影响。因此需对轴电流、轴电压进行实时在线监测，以保证机组的安全运行。

2 轴电流产生的原因

水轮发电机组的转轴在转动的过程中[1-3]，必定会在不对称的磁场中旋转，产生此种不对称磁场的原因有很多，例如，磁场中心与大轴中心不一致，转子磁极线圈短路等很多因素都有可能会产生不对称磁场。在该不对称磁场的作用下，转轴的两端会产生感应电势，也就是轴电压。如果转轴两端轴承没有具备良好绝缘性能的介质，例如绝缘垫、绝缘油膜，电机两端轴承支架就会在轴电压的作用下形成电流回路，也就是轴电流。

轴电压产生的原因主要可分为以下2 种情况：

（1）存在轴向漏磁；

（2）发电机转轴在旋转时，切割不平衡的磁通。

造成发电机磁场不平衡，形成轴电压的原因主要有以下3 种情况：

（1）励磁回路接地或转子绕组匝间短路；

（2）由于制造工艺或者安装工艺等因素产生的气隙不对称、磁路不均衡；

（3）发电机发生不对称短路。当发电机内外部发生不对称短路时，感应电流会产生在定子绕组的短路部分，阻止合成磁通通过短路绕组所在的定子区域，然而，未短路部分正常通磁，这种作用和定子磁路不对称性质差不多，主要是形成轴向以基频为主的交变磁通。但是，如果机组定子绕组引出线位于发电机长度方向的两侧，那么不对称的外部短路也很有可能产生轴电压。

3 轴电流在线监测分析系统

3.1 轴电流保护功能

ATZDL-901 轴电流在线监测装置通过对轴电流互感器采集到的轴电流信号进行谐波提取算法，提取出轴电流的三次谐波和基波幅值大小来检测轴承的绝缘情况。当电流基波或三次谐波测值超过设置的阈值则装置保护动作开出，以此来保护电机轴承，避免轴承的损坏。

当电机内部干扰磁场比较强，并且互感器内部存在三次谐波分量时，装置将会自动判别基波和三次谐波作为保护动作依据，从而保证装置能安全、稳定工作。当电机内部磁场干扰特别小，并且二轴电流内部又没有存在谐波干扰时，该轴电流在线监测装置以基波电流幅值作为保护动作依据。因电枢磁场的不对称分布将在大轴产生感应电压，轴电压中包含了大量的高次谐波。装置会采集轴电压信号并计算分析其各高次谐波信息，配合后台分析的自学习预报算法，分析出轴电压的状态趋势，以便尽早发现问题，在其未对轴承产生危害前处理掉可能出现的问题，防患于未然，保证机组安全可靠运行。

3.2 ATZDL-901 轴电流在线监测装置

ATZDL-901 装置硬件结构如图1 所示，核心控制部分均采用先进的嵌入式系统设计，该装置的所有功能板均采用插件式设计，软件功能也可以根据各现场控制要求灵活配置。主要由轴电流在线监测装置和后台数据分析处理软件两大部分组成。

图1 ATZDL-901 装置硬件结构Fig.1 Hardware structure of ATZDL-901 device

（1）轴电流在线监测分析装置

为了对轴电压、轴电流进行高精度高速率的采样和控制运算，装置由可编程逻辑阵列FPGA、数字信号处理芯片DSP 和16 位AD 芯片等组成。FPGA芯片主要负责AD 芯片的采样控制逻辑，开关按键控制逻辑、控制逻辑等。DSP 芯片则完成对实时数据的基波和三次谐波的滤波运算，人机界面的显示控制、参数的设置存储以及与上位机的数据通讯控制。

ATZDL-901 轴电流在线监测装置配置有友好的人机界面，可实时显示当前轴电压、轴电流基波和三次谐波的幅值，可以方便的对报警阈值、通讯参数等进行设置。装置配有对应于轴电压和轴电流的4～20 mA 的模拟量的输出，以便监控系统的采集监控。

（2）后台数据分析处理软件

装置的后台数据分析处理软件基于国产Linux操作系统的后台数据处理系统，采用国际标准的通信规范及数据模型，实现系统的开放、可扩展。通过专用数据网络接收各个在线监测分析装置原始数据，实时计算分析，一旦发现异常，即时告警。同时，ATZDL-901 轴电流在线监测装置还具备直观统一的人机图形界面，清晰展现以下数据信息：

1）4 个机组的实时轴电流基波显示；

2）4 个机组的实时轴电流三次谐波显示；

3）4 个机组的轴电流基波月波形图显示；

4）4 个机组的轴电流三次谐形月波形图显示；

5）异常数据提示。

（3）功能配置

系统软件采用专用的大数据分析算法，从长期积累数据中分析水轮机组运行工况，发掘其变化趋势，给出相应处理意见。同时，ATZDL-901 轴电流在线监测装置为满足各种生产现场控制要求，其核心控制部分采用先进的嵌入式系统设计，装置各功能板采用插件式设计。具体功能配置如下：

1）保护功能

具备实时报警、动作功能，设置有一级和二级报警功能，可根据定值设置的动作依据（电流的基波或三次谐波）和动作阈值进行保护动作。当装置保护动作时，装置会记录实时的电流数据、电压数据和保护动作状态，并可进行可视化操作分析，最多存储10 条保护动作波形数据。

2）试验功能

为了方便现场调试，在装置的试验模式下，装置会输出可调节的交流试验电流，将此试验电流接入到互感器的试验绕组用于装置采集和功能的检测。该功能必须让装置处于试验模式，在该模式下调节装置背部的旋钮即可调节输出电流的大小。

3）测控功能

装置支持1 路轴电流和1 路轴电压的采样；支持6 路开关量输入、输出；2 路4～20 mA 模拟量输出，分别对应着电流和电压幅值，比例可灵活设置。

4）辅助功能

完善的自检功能，当装置在自检期间检测到装置故障，装置会闭锁所有的开出和保护动作等功能模块，并记录故障信息，同时发送远方报警信号；完善的事件记录功能，可记录装置各操作信息、状态信息、动作信息和报警信息等，最多可存储64 条事件信息，事件信息存满后装置会自动覆盖最早的事件信息来进行循环存储，并可追溯；波形记录功能，记录每次轴电流保护动作时的电流数值、动作状态和电压波形，用于动作响应的事后分析，可追溯；使用4.3 寸TFT 液晶屏和多按键构成的友善的人机接口。

5）通信功能

装置可通过1 个RS485 通讯接口用于与后台系统进行数据通信，使用Modbus 通讯协议；在实际应用中可方便快捷的实现与计算机监控系统或综合数据平台系统的通讯及数据交互。

4 在线监测分析系统技术指标

ATZDL-901 轴电流轴电压在线监测分析装置的技术指标参数如下：

（1）工作电压：220 V DC/AC±20% 50 Hz。

（2）RS485 接口：Modbus 规约，波特率可编程。

（3）模拟量输出：轴电流监测装置至少有2 路4～20 mA 的模拟量输出，即一路轴电流模拟量输出、一路轴电压模拟量输出。

（4）电磁干扰：满足厂站现场的电磁干扰能力，轴电流监测装置附近1 m 使用对讲机不对装置造成干扰。

（5）数据采集：采用“就近采集，通讯上送”的原则，将采集到的数据实时传送至服务器系统。

（6）技术指标类型及相关参数如表1 所示。

表1 试验类型及相关参数Tab.1 Test types and related parameters

（7）测控功能参数如表2 所示。

表2 测控功能参数Tab.2 Measurement and control function parameters

5 结语

水轮发电机在正常运行的过程中，轴电压是无法避免、难以更改并一直存在的，主要是因为发电机本身的结构设计和制造工艺，一旦完成制造，其轴电压也基本确定，而对于机组轴承来说，轴电流的存在对其有比较大的负面影响，破坏性较强。因此，采用新型轴电流在线监测分析系统对轴承的绝缘情况加以实时监测、运算、分析，进一步提升机组安全运行稳定性，已经成为大型水轮发电机组轴电流保护的必然发展方向。

因为电磁以及负载电流变化等外界因素很容易干扰到电流互感器二次侧电流值。大多数情况下，水轮发电机组轴电流保护主要是采用大轴侧装有交流互感器的轴电流保护方式。与之相比较，ATZDL-901 轴电流在线监测分析装置最大优点就是可以在一定程度上避免或减小这种干扰，可以实时判断出轴电流异常并及时给出告警输出，让运行和维护人员可以及时发现设备异常。根据生产现场设备实际运行情况，进一步分析、判断轴电流保护动作的原因，并根据不同的故障原因采取相应的处置措施，及时处理，从而避免事故的扩大，避免机组因烧瓦等方面发生的非停事件或者造成的人身设备事故有着极其重大的意义，进一步保障了生产一线人员和设备的安全，为机组安全经济运行提供保证。