大型水轮发电机机组轴电流的危害及防范措施

大型水轮发电机机组轴电流的危害及防范措施

吕爱军

吕爱军

（华能澜沧江水电股份有限公司检修分公司云南昆明650206）

摘要：介绍了水轮发电机机组轴电压的产生及产生轴电流的原因和危害、半伞式水轮发电机组上导轴系的绝缘布置，结合相关机组检修、检查情况和实测数据，提出轴电流互感器检测方式的疑问及改善措施。

关键词：水轮发电机组、轴电流、轴绝缘设置、轴电流检测

引言:水轮发电机组在运行过程中，由于定转子之间的气隙不均匀、定子铁芯的局部磁阻、机组大轴中心不精确、系统振荡等原因会导致发电机的定子磁场存在不平衡，使得水轮发电机的转子上产生与轴相交的交变磁通和轴向的感应电势，即轴电压。该轴端感应电势对地电压一般较低，对设备本身并不产生直接危害。但轴电压的存在，在大轴、轴承和基座组成的回路中，由于水轮发电机轴系电阻很小，轴瓦与轴（轴领）间只有不到1mm的油膜间隙。如果轴系绝缘破坏、油膜被轴电压击穿，轴电压将沿轴承和基座形成闭合回路产生轴电流。若机组运行过程中轴领与轴瓦之间会出现零星的接触点，轴电流会在不断变化的接触点沿轴承和基座形成闭合回路产生间歇性轴电流，这些接触部位的温度会变得很高，并在该处形成金属熔滴，使瓦面出现小凹坑，轴承摩擦损耗增加，轴承因过热而发生故障。

1轴绝缘设置

根据半伞式水轮发电机的结构特点，防止轴电流产生的主要手段一是限制轴电压的升高，二是提高轴承绝缘。即对机组下端轴采用限制轴电压的升高，上端轴采用提高轴承的绝缘的措施防止轴电流的产生。下端轴一般设置接地碳刷，若接地碳刷接地可靠且与转轴可靠接触，推力和下导轴承与大轴接地点基本等电位，以此限制转子下部轴电压，理论上不会形成影响机组安全运行的轴电流产生。所以，要防范的仅是上导轴系绝缘损害后，轴电压击穿轴承油膜间隙形成的轴电流流过上导轴瓦对其形成伤害。目前普遍采取提高上导轴承绝缘水平的方法阻断轴电流回路的形成，主要有以下方式：

（1）常规轴领与轴身一体的轴承结构，防护轴电流的措施是在上导瓦与轴承支座间加装

绝缘材料（一般为0.5～2.0mm厚酚醛玻璃板）来实现。

（2）对于轴身和轴领在工厂精加工后滑转子热套在轴身上的结构，主要是在滑转子热套前在轴身与滑转子接触立面贴上一层专用绝缘纸并在接触上平面垫上绝缘环，起到滑转子与大轴绝缘的结构来实现防止轴电流回路的形成，目前国内新建大型机组基本上是此类结构。

2轴电流互感器监测轴电流的问题

为了预控机组轴电流产生后损伤轴瓦的情况发生，国内大型水轮发电机厂家普遍采用轴电流互感器测量的方法，通过轴电流互感器测量轴电流，并通过保护装置发出预警信号，及时采取有效措施以防止轴电流长时间存在引发故障。轴电流互感器是检测机组运行状态下轴流过轴系的电流，若轴绝缘部件绝缘性能良好，轴电压难以在轴系形成轴电流，即轴电流应接近于0。但通过对大型水轮发电机运行情况调研了解，其轴电流互感器反应的轴电流实际情况却不是如此。

某电厂同批次、同厂家的水轮发电机机组自2013年以来一直存在轴电流超标报警问题，为解决轴电流超标问题曾采取多种措施，但处理后机组运行中轴电流依旧随机组负荷增加而增大，多台机组出现轴电流超过预警值的情况。根据该类型机组上导轴系绝缘结构，其上导轴领套装在顶轴上端并带双层绝缘，且上导挡油环与上导轴领之间、上导下密封盒与上导挡油环之间、大轴补气阀与集水箱之间等多处设有绝缘隔板、螺栓绝缘套筒及绝缘垫片。在上述绝缘隔板和螺栓绝缘套筒绝缘良好的情况下，可以阻止发电机轴系与上机架及大地之间形成回路。

基于上导轴系绝缘结构特点，该机组检修过程对上导挡油环与下密封盒结合部位的绝缘垫及螺栓绝缘套筒进行清洁，回装时已更换存在裂纹的绝缘垫及绝缘套筒，并对集水箱下止漏环之间、上止漏环与阀罩之间绝缘垫及大轴补气装置所有梳齿、梳齿螺孔、螺栓绝缘套筒等部件进行整体白瓷漆喷涂。回装阶段用1000V摇表测量各部件绝缘电阻均大于550MΩ，满足要求。

为进一步查找轴电流超标原因，在机组启动试验期间测量了机组在空转、空转、带负荷阶段的轴电压等数据。测试数据如下：

从机组启动试验期间在现场测试的轴电压数据及轴电流互感器采样数据来看，有以下特点：

（1）机组空转期间上端轴对地电压较低，至空载后电压数值有显著增加，机组空载至带负荷运行期间轴电压随负荷的增大而增大；

（2）机组空转期间轴领对地电压较低，至空载后电压数值有显著增加，但后续带负荷期间不随负荷增大而有显著变化；

（3）机组空转、空载、带负荷轴领与大轴有电势，数值随负荷增大而增大。

该电厂上导轴系检修过程中，未发现上导瓦面有电蚀损伤迹象，油盆润滑油油质检测未发现异常，机组启动试验及修后投运各轴承油温未出现异常，检修后轴电流依旧随机组负荷的增大而变大。

3防止轴电流影响机组安全运行的建议

大型半伞式水轮发电机组因机组结构和安装位置的限制，轴电流互感器一般布置在转子上方，因该位置处于发电机内部杂散电磁场较强的位置，且要求轴电流互感器能够检测出小于1A的一次轴电流的情况下，存在电流互感器或二次输出受到电磁干扰导致误报警的可能。工程实际应用中，已出现较多误报警的实例，监测轴电流的实际检测出来的电流值未在机组实际运行情况下进行实测验证。

对于导瓦与轴承支座间加装绝缘垫板需加的结构机组检修过程中加强对轴瓦对地绝缘的检查，机组运行过程中加强对油温的监视。

对于轴身和轴领分别加工、热套安装的轴系绝缘机构，加装轴绝缘检测装置可对上导轴领对地绝缘进行实时监测，只要实时监测大轴与轴领间的绝缘良好，即可保障没有轴电流穿越上导轴承瓦面对其形成伤害，国内已有大型水轮发电机组采用轴绝缘监测装置的成功案例。

4结语

短时的轴电流流过轴瓦不会对机组造成严重影响，但当确定有轴电流产生而不引起重视，将造成一系列的连锁效应，如何根据机组结构采取合适的监测方式以便于及时掌握上端导轴承绝缘及轴电流发展情况因视实际情况而定。无论是采取轴电流互感器监测轴电流，还是采取加装轴电压监测装置、轴绝缘监测装置来预控轴电流的发展，重点是及时消除轴电流对机组安全运行的影响。

参考文献：

[1]陈锡芳．水轮发电机结构运行监视与维修，中国水利水电出版社，2008

[2]姚益飞．轴电压和轴承电流及其产生原因对电机的影晌和补救措施