GE发电机轴电压在线监测装置原理与应用

GE发电机轴电压在线监测装置原理与应用
吴书泉周屹民
杭州华电半山发电有限公司（310015）
摘要：通过对发电机轴电压、轴电流产生的原因的分析，说明对轴电压防护的必要性，并介绍了国外GE公司的在线监测装置。

关键词轴电压轴电流接地碳刷轴承绝缘防护监测装置
Theory and application of GE shaft voltage monitor
Wu shuquan Zhou Yimin
Hangzhou Banshan Power Generation Co,.Ltd
Abstract: Through making an analysis of causes of the axial voltage of a generator, it is shown that the axial voltage should be protected. And also gives the introduction of on-line protective devices-shaft voltage monitor of GE companies.
Key words: axial voltage; shaft current ; grounding block brush ; bearing insulation ; protection ; monitor.
发电机组在运行过程中会在发电机轴上产生了电压，如果没有对其关注和采取措施，任其恶化发展，当轴电压大到足以击穿轴与轴承（包括推力轴承）之间的油膜时，便发生了放电，反复的放电和灭弧将会导致轴承表面起凹点并变得粗糙，最终加速机械磨损，严重时导致轴瓦烧坏。

所以，电站运行和检修人员对轴电压产生的机理有必要了解，并对其进行监测和防护。

1、产生轴电压的原因
透平发电机组轴电压主要有三个来源：
a)沿轴高速流动的湿蒸汽会在低压透平叶片和静止部件之间建立直流静电，末级叶片越长，越容易建立较高的静电电压。

该电压随着运行工况的不同而变化，在极端的情况下可能达到120V（直流）以上。

如果不采取措施将这部分静电电荷放走，它将会在轴承油膜上聚集并最终在油膜上放电导致轴承损坏。

b)励磁系统在透平和发电机轴上产生的交流耦合电容电压。

如果励磁系统采用的是静态励磁系统，则励磁系统是将交流电压通过静态可控硅整流输出直流电压工作，因此不可避免在励磁系统的输出中有脉动电压。

该脉动电压通过发电机的励磁线圈和转子本体之间的电容耦合而在轴对地之间产生交流电压
c)发电机组内部磁通不对称而在发电机两端产生交流电压。

磁通的不对称产生主要是发电机本体出现问题。

如：定子铁芯局部磁阻较大（定子铁芯的锈蚀导致局部磁阻过大）；定子和转子之间气隙不均匀造成磁通不对称；分数槽电机的电枢反应不均匀，引起转子磁通的不对称。

该交流电压比a和b轴电压能量大，破坏大。

一般交流电压有1~30V，如果在发电机两端通过地提供了回路，则该电压将在转子的一端通过轴承到外壳或地再到另外一端上产生非常大的轴电流。

因此大轴电流的出现标志着交流轴电压对轴承破坏的开始。

2、现有的轴电压的防护
针对不同轴电压产生的原因，在发电机轴及轴承上采取一定的措施抑制过高的轴电压以及有害的轴电流的产生。

a)轴接地碳刷的使用
在上面描述的a、b两种原因产生的轴电压，其能量都比较弱，一旦提供合适的回路使电荷释放，电压会迅速衰减。

因此，现代发电机组都在驱动端（即发电机汽侧）安装了接地碳刷，从而抑制了直流静电电压和交流耦合电容电压的建立。

b)轴承绝缘的加强
在上述原因c的轴电压，其能量强，且在发电机的两端建立，因此必须切断回路以防止流过转子及轴承的轴电流产生，在发电机组中往往采用将发电机励磁端的轴承、励磁机和副励磁机的落地式轴承对地加强绝缘的方法。

采用带绝缘层的轴瓦。

3、轴电压、轴电流的在线监测
目前在半山发电有限公司燃机9F机组上装有轴电压（流）监测装置，此装置的监测功能由燃机MARK6控制系统来实现。

在MARK6控制系统中可以在线实时监测电压并可以给出报警和跳闸信号，现介绍9F燃机发电机（励磁采用静态励磁系统，双通道互为备用）所采用的GE轴电压电流监测装置：
装置原理接线图
汽机MARK6
接地电阻
0.0005欧姆
轴
该装置包括在驱动端轴上安装了四个碳刷，其中2、4碳刷并联通过一个0.005欧姆的电阻接地，装置在该接地电阻两端测量电压从而间接得到接地电流的信号，若该电流瞬时值超过设定值，说明发电机的轴承油膜可能被击穿导致轴电流增加，装置将发出报警或跳闸信号，以便及时检查发电机。

另外1、3碳刷并联作为测量轴对地电压，如轴电压发生报警，则说明2、4接地碳刷接触不好或存在较高的轴电压。

a)轴电压检测器的工作原理：监视回路监视的轴电压取自上图的1和2端子接入到GE控制系统MARK6的轴电压电流监视卡件中,每次当轴电压幅值超过5V(峰电压-超过正5V或负5V),电压报警监视回路就会产生一个脉冲.脉冲的宽度为0.014秒.一个RC 积分器被用于
对所产生的脉冲进行积分,以抑制噪声.(频率低于15HZ的噪声将被抑制掉)当积分电容两端的电压超过给定的设定值, 电压报警继电器动作报警。

.因此,从轴电压超过5V开始到轴电压高报警信号发出之间有个小的延时。

延时时间和轴电压信号的频率有关。

所以,轴电压报警信号只会出现在下述两种情况:
（1）轴电压信号是一个频率大于15HZ的直流脉冲信号;
（2）轴电压信号是交流信号时，其报警频率可能小于15HZ，大约在8HZ以上
轴电压监视回路在输入信号频率位于15HZ到1MHZ之间的时候工作.
轴电压监测器参数的设定：轴电压检测器的参数都在MARK6控制系统软件TOOLBOX中设定。

轴电压检测器的DEVICE TAG：96-VS-2，信号名：svacfreq
参数设定：
SYSLIM1ENBLE(报警设定1功能开放参数)：可选择DISABLE（不开放）；ENABLE （开放）
SYSLIM1LATCH(报警复归类型参数)：LATCH（报警锁存）；SLEF-RESET（报警自复归）
SYSLIMIT1(报警值1)：输入一个赫兹数GE推荐10
b)轴电流检测器工作原理：输入此监测器的信号是接地电阻上的电压（通过上图的3、4端子接入），检测器接收到此电压信号后，内部软件将此电压值除以接地电阻的阻值0.005欧姆，得到轴电流的值，当轴电流值超过一个预设定值时，轴电流过高报警将被激活。

轴电流的参数设定同样在MARK6控制系统软件TOOLBOX中完成：轴电流检测器的DEVICE TAG: 96-VS-1，信号名：svcurac
参数设定：
SHUNTOHMS: 输入接地电阻阻值0.005欧姆
SYSLIM1ENBLE(报警设定1功能开放参数)：可选择DISABLE（不开放）；ENABLE （开放）
SYSLIM1LATCH(报警复归类型参数)：LATCH（报警锁存）；SLEF-RESET（报警自复归）
SYSLIMIT1(报警值1)：输入一个电流值GE推荐4A
c)轴电压、轴电流在线动态试验
在MARK6 HMI页面TEST-SHAFT VOLTAGE 中轴电压轴电流控制功能可以进行两项动态试验。

当点击Alarm Test时，进行交流试验。

此时MARK6输入一个5V AC，1kHz的信号到电压监测电路中，计数器应立即累计，数值显示在按钮左边的显示框中，计数到达整定值以上时发出轴电压高和轴电流高报警。

该试验的目的是试验MARK6监测硬件的完整性。

如果不出报警则说明硬件存在故障。

当点击Sensor Test时，进行直流试验。

此时MARK6通过接地电阻和分路电阻输入+5VDC信号，通过计算和比较接地电阻和分路电阻值判断该轴电压电流的传感硬件是否完好。

如完好则显示框中“OK”。

d)接地碳刷对轴电压的影响：
当只发生轴电压高报警时：说明接地碳刷没有在最佳运行状态。

该报警是因为接地点和轴之间的电阻过高引起的。

下面分别是接地碳刷在不同状态下的轴电压反应：（1）、接地碳刷接触完好的轴电压波形（平均电压在1V）
（2）、接地碳刷取下（即完全不接触）的轴电压波形（平均电压在19V）
（3）、接地碳刷接触不良轴电压波形（有尖波大于5V）
e)轴承绝缘对轴电流的影响：
如果发电机集电极的轴承绝缘与密封存在问题，导致轴通过轴承与地之间的阻值很小，使得发电机集电极端通过地、发电机汽侧接地电阻、发电机汽侧轴形成电流通道后，将会产生很大的轴电流，此轴电流对轴承产生非常大的破坏。

4、针对GE轴电压、轴电流监测装置，对运行人员的建议
1)轴电压高，轴电流高报警都是锁存性质的报警，必须通过对ST MASTER RESET点击后才能进行复归。

附注：由于在运行过程中ST MASTER RESET点击后，将会产生对疏水阀门等设备的复位，一般运行人员在机组运行中不采用MASTER RESET，所以一定要区分报警产生来自与轴电压的动态试验还是运行设备本身。

2)当轴电压高报警，而无轴电流高报警，说明轴承的绝缘没有降低现象，运行人员应着重
检查接地碳刷的接触情况，或更换接地碳刷。

3)当轴电压、轴电流持续刷新报警，运行人员应建议停机，并进行相关检查。

4)当轴电压高报警，并对接地碳刷处理后，轴电压高报警及显示数值仍无改变，可以切换励磁通道，判断是否由于励磁系统故障引起轴电压高。

5)接地碳刷通过弹簧压至在轴上，此弹簧压力要求在7PSI以上，当接地碳刷通过运行摩擦后将会变短，弹簧压力也会随之降低，在弹簧压力达不到要求时，对碳刷接触面进行磨砂处理，反而会破坏原有较好的接触面，造成接地真实阻值进一步恶化变大（运行中，弹簧压力不足情况下，碳刷的位置互换，同样会降低接触面面积）。

5、结束语
在线轴电压电流监测装置能及时发现发电机轴电压电流的问题，为故障的处理争取时间。

因此，对此装置的运行与维护应加以重视。

由于GE的轴电压电流监测装置在国内应用较少，还需要积累使用及维护经验，使该装置的功能得到充分的利用，保证发电机组的安全运行。

参考文献
1、王维俭电气主设备继电保护原理与应用中国电力出版社
2、GE公司用户手册GEK 98086B文献
3、张社北浅谈对静态励磁系统产生轴电压的防护河南机电高等专科学校学报2007
年第一期
4、倪勤汽轮发电机组的大轴接地与轴电压安徽电力-2006.2
5、李翠荣大型汽轮发电机组轴电压的测量科技资讯-2006.5
轴电压看您运气，主要涉及电缆特性阻抗，两边接地情况，尤其要重视机端接地要用50mm2以上的电缆直接引到主接地网，接地碳刷的铜辫子接触一定要好，原来的小引线换粗，以尽量减少轴电压电平，轴电压别当回事（主要跟无功有关），GE也没有好办法，但是一定要注意轴电流，可以在mark6检查一下定值，轴电压10，轴电流4，为了便于观察，可以后面加个小数位
你有本事把励磁机搞搞好，轴电压就搞死了，杭州半山的轴电压峰峰值大致8.7V（在卡件端子上测），我们很不幸，大致在11V左右，所以就报警了，原来洋鬼子在调试时故意把轴电压报警调整至150HZ，结果后来就出现了一直报警，其实这也是一个好办法。