水轮发电机轴电流的形成和分析处理
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摘要：轴电压一直是水轮发电机难以消除和避免的问题。产生轴电流的原因有很多，基于此，主要介绍水轮发电机轴电流的形成原因，分析其危害以及处理方法。
关键词：感应电势；轴电压；轴电流；危害；处理方法
1.引言
根据水轮机轴承的种类不同，其耐受电压程度不同，形成的轴电压若超过轴承最大允许电压值，会通过油膜放电或者导电形成轴电压，它将在轴瓦和轴承处产生点状微孔，甚至烧坏瓦面，严重时会造成轴颈和轴承的损坏。因此，转子上下端各道轴承瓦必须加装绝缘垫使其对地绝缘，这是防止水轮发电机组产生轴电流的关键。
2.轴电流产生的原因
轴的磁化效应是转轴由于各种原因而带有磁性，旋转磁场切割导体，会在这些零件内感应起一定电位，当电位升高到足以击穿油膜时，就形成电流回路。这种电流回路可能穿过整个转子，也可能仅在轴承中或浮环密封中形成局部的短路电流，轴承或浮环中的短路电流又会产生新的磁场，磁化转轴或其他零件。因此，这种磁电相互转换，会在机组内形成很强的磁场，并出现很高的电流。由运行摩擦在大轴上产生的静电荷，使轴的电位因被充电而升高。当运转的轴接触到旋转体以外的任何部件时，便通过该部件进行放电，否则就要继续积累电荷，最后产生过高的电压。轴电流的产生如图1-1所示
为了防止转轴形成悬浮点位，一般在转轴下端还要安装一组接地碳刷接地。
发电机组轴电压主要可分为两部分：一是轴在旋转时切割不平衡垂直轴向交链磁通产生的轴电压和轴电流；二是由于存在轴向漏磁通而在转轴两端产生是轴电压。
3.轴电流对发电机运行的危害
水轮发电机轴与轴瓦采用滑动轴承，滑动轴承必须通过稀油，发电机轴承在高速转动时，轴承与轴瓦之间会形成油膜，以尽量减小轴承与轴瓦之间的摩擦，降低轴瓦的温度。在轴电压较低时，油膜的绝缘是不会被击穿的。只有轴和轴承在旋转过程中，造成油膜破裂击穿，导致轴与轴瓦形成金属性接触的瞬间，便产生相当大的轴电流，这种轴电流可达到几百安甚至上千安，它足以把轴颈和轴瓦烧坏。由运行摩擦在轴上产生的静电荷，使轴的电位因被充电而升高，当旋转的大轴接触到旋转体以外的任何部件时，便通过该部件进行放电，否则就要继续积累电荷，最后产生过高的电压。如果超过轴承油膜的绝缘强度时，电荷在极短的时间内放电。这种现象重复发生的结果，就能使轴和瓦面受到损伤或变形，严重时会造成发电机运行事故。
在电站安装完成以后，发电机组经过振摆测试和瓦温考验等机械试验之后，发电机组运转一切正常，而在进行电气试验过程中，随着机组电压和负荷的增加，机组的瓦温和振摆随之开始上升并且较快，发现这一情况后，立刻停机进行检查，发现机组的上导轴瓦已损坏。
4.测量轴电压的方法
测量发电机轴电压时，将轴电压等效成为一电势E，将非接地端油膜等效为等值的可变电阻RL，接地端油膜等效为等值的可变电阻RC，轴瓦对地绝缘垫等效为绝缘电阻RJ，则测量轴电压的等效电路如图1-2
（1）分别在发电机组空载和负载情况下，采用高内阻交流电压表（或数字万用表电压档）测量非接地端对地电压，即为发电机空载时的电压UO和满负载时的电压U1，所侧电压即为轴电压；（2）在运行过程中，需间隔一段时间对轴电压进行测量，其轴电压应小于满负荷时的轴电压U1；如若轴电压大于U1，需缩短测量间隔时间，测量值如继续增大，建议尽快停机处理，以免轴电压过大而击穿轴承绝缘垫，产生较大的轴电流而烧坏瓦面。
5.轴电流在线监测
采用测量轴电压来判断轴承垫绝缘情况，比较危险和不方便，不能及时发现问题，因此，采用在线监测发电机轴电流的方式是比较安全、可靠和方便。轴电流监测保护装置采用高性能单片机为核心控制部件构成控制器，以及安装在下导轴承与大轴接地碳刷之间的空心环形电流互感器作为轴电流传感器，实机监测水轮发电机组大轴产生的轴电流变化，经控制器处理后，确认轴电流超过整定值后输出二级报警信号。
采用轴电流在线监测装置监测轴电流的变化，能及时准确的发生轴电流的变化趋势，了解轴承垫的绝缘变化，及时停机对轴承各绝缘进行处理，以免事态进一步扩大。采用轴电流在线监测方式的优点：能及时、可靠的监测轴电流的变化，得到及时处理，确保水轮发电机组安全可靠的长期运行。
6.解决方案
为了防止发电机轴电流的产生，必须尽量减少产生轴电压的各种因素：1）在生产安装发电机定转子的时候，在规程的要求范围内，尽量减小定子铁芯合缝的不平整度、减小定子硅钢片的接缝间隙；2）要重视定子与转子空气间隙不均匀、轴心与磁场中心不一致、大轴摆度（振动）以及转子绕组匝间短路的问题；3）在发电机各道轴承座与地之间加装绝缘垫的方法来防止轴电流的产生，这种方法主要是运用绝缘垫割断轴与轴瓦之间形成的回路，使轴电流无法产生；4）对于由静电荷引起的轴电压，通常采用在发电机负荷侧的轴上加一块接地碳刷，碳刷接地必须可靠，使大轴的电荷不能积累，避免大轴的电位因被充电而升高，同时避免电荷放电形成的瞬间轴电流。
解决轴电压和轴电流的产生，必须重视安装过程时对轴瓦绝缘的安装和测量，在测量轴瓦绝缘时，采用DC1000V绝缘电阻测试仪，分别对发电机各道轴瓦的每块瓦对地之间测量绝缘，其绝缘电阻应不小于1ΜΩ，若绝缘电阻值小于1ΜΩ，说明绝缘垫绝缘情况不良，必须处理，直至符合要求。在测量发电机轴瓦绝缘电阻时，应注意发电机的各路进出油管路法兰连接处螺栓应配有绝缘套管及绝缘垫片，并且，绝缘良好，其绝缘电阻值满足要求。
为了保证发电机在产生轴电流时的安全，我们必须对发电机轴电流进行监测，发电机轴瓦的破坏程度取决于轴电流幅值的大小和作用时间的长短，及早发现和监视轴电流的变化趋势就是极为重要了。在发电机负荷侧的轴上安装一套轴电流保护装置，当保护装置监测到轴电流超过设定值时，保护装置可以联动计算机监控系统事故停机，从而避免轴电流造成烧瓦等重大事故。
7.总结
发电机轴电流的监测是发电机组长期正常运行的关键之一，重视轴电流的变化监测，一般情况，轴电流为几毫安到几百毫安，而忽视它就有可能带来严重的发电机运行事故，发电机在运行中发现轴电流随运行时间的增加而增大，建议尽快停机检查处理，防止事态扩大。并且，在安装或检修过程中，及时测量各轴瓦的绝缘电阻值，并更换不合格的绝缘垫片，防止在运行时发生轴电流较大而烧坏瓦面等事故。
参考文献
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