发电机轴电压的监测系统研究

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【摘要】GE公司的S109FA单轴联合循环机组发电机设有轴电压监测仪，其目的是在因轴电流所引起的轴承故障前提供保护（发出报警）。本文介绍了GE公司9F单轴联合循环机组的发电机轴电压监测系统的组成、功能试验、运行、报警及异常处理等，可以确保发电机的安全运行。

【关键词】能源与动力工程；发电机；轴电压；在线监测

1.轴电压的危害与来源

众所周知，轴承会被流经它们的电流所损坏。如大型旋转设备中使用的轴颈轴承，它的轴与轴承间会形成一层油膜，过高的轴电压足以击穿这层油膜，发生放电。其放电回路为发电机大轴-轴颈-轴瓦-轴承支架-机组底座。虽然轴电压在数值上并不是很高，通常发电机为4~6V，但回路电阻很小，因此，产生的轴电流可能很大，有时达数百安。轴电流一方面会使冷却的油质逐渐劣化；另一方面反复放电和灭弧将会导致轴承表面起凹点，并变得粗糙，最终因机械磨损加速而破损，严重时会由于轴瓦烧坏而被迫停机。

发电机中轴电压主要有以下几个来源：

1.1由于汽轮发电机的轴封不好，沿轴向有高速蒸汽泄漏或汽缸内的高速喷射而使转轴本身带静电荷。

1.2由于汽轮发电机的转子表面的不平整，毛刺、转轴上的螺栓、转轴上冷却风扇等在高速旋转时与周围气体（空气、氢气）发生摩擦而产生静电荷。

上述两种轴电压有时很高，可以使人感到麻电。但在运行时已通过炭刷接地而被消除。

1.3由汽轮机最后一级动叶上甩出的水珠所形成的静态电压。如没有提供其它更为便捷的电流通道，该电压会逐渐增大，并通过轴承的油层放电。高温蒸汽温度降低时会发生正负电荷分离，随着蒸汽冲击叶片，电荷就聚集在叶片上。

1.4直流电压场（发电机转子电压）中的交流波，会通过直流场的线圈和绝缘的电容在轴上形成一个相对地面的交流电压。该电压包括了励磁系统中的二极管或半导体闸流管交变所产生的高频电压峰值（直流同轴励磁机也存在脉动分量，只不过由于整流子极数较多，显得相对比较平缓）。

上述两种电压都很弱，而且如果通过接地刷等允许电流流出，该电压将逐渐衰减。正因为这个原因，应使用一个高电抗仪表测量这些相对于大地的电压。

1.5因发电机磁场回路的不对称性，在发电机轴的末端会形成一个电压。磁场不平衡的原因一般是因为定子铁芯的局部磁阻较大（例如定子铁芯锈蚀），以及定、转子之间的气隙不均匀所致。该电压很强，如果不加以阻止，会形成一股强大的轴电流从轴的一端通过轴承框架流向轴的另一端。该电压有一个频率，主要是发电机的额定频率。

1.6由于发电机定子绕组对转子铁心间存在耦合电容，转子对轴承间存在耦合电容。而由于电路、元器件、连接和回路阻抗的不平衡，发电机三相电压不平衡实际存在，即发电机定子中有零序分量存在。三相中性点电压将不可避免地产生位移。该电压将在由发电机定子-大轴-轴颈-轴瓦-轴承支架-机组底座组成的系统中产生零序电流，即轴承变为发电机零序回路的一部分。由轴承电容产生的发电机轴电压，虽然在数值上很低，但定子绕组对转子的耦合电容越大，轴电压越高。

2.轴电压的防治

转子大轴接地可以消除转子上由叶片等摩擦产生的静电荷；对转子进行屏蔽和避免转子一点接地保护的误动。转子大轴接地后，即将汽轮机侧轴承油膜短接，使转子轴电压得到重新分配，励磁机侧油膜压降增大，这时必须考虑该油膜上的电流密度的大小，保证不使油膜击穿。为防止在转动轴上形成一个对地电压的方法有。

2.1使用滑动触点，如炭刷或银刷或编织铜线。电流可以通过该触点接地，因此该电压始终保持在一个不会对轴承产生破坏的较低水平。接地触点通常位于发电机的联轴器上（发电机汽轮机侧）。轴心集电器端通过集电器上的绝缘轴承或密封与地面隔绝，防止了因发电机磁场的不对称性所产生的轴电流流向轴承（另外一个作用就是供转子接地保护用）。

2.2在位于发电机励磁端的轴承支架与底座之间加装绝缘垫，同时将所有油管、螺杆、螺钉等采取绝缘措施。

只要上述两个系统正常工作，就基本解决了轴电压集结问题。但有时会发生一些情况使滑动触点的电阻增大，从而使轴电压增加到对轴承有害的水平，例如轴电刷的刷架或轴电刷装配得不够好、轴电刷的弹簧压力不够以及轴电刷接触有油污等，均会引起轴电刷接触不良。同样也会发生异常状况导致集电器端的轴承或轴承绝缘的电阻减少，并使电流流向轴承，因为刷子已使发电机的联轴器端接地。因此GE公司在9F机组上装设了发电机轴电压监测仪。9F机组轴电压监测仪通过接地电刷连续地监测轴电压和轴电流，并在轴电流或轴电压过高时发出警告。这是对接地电刷或轴承绝缘的恶化发出警告，因此可以采取措施以防轴承损坏。

3.轴电压监测系统主要部件

3.1组成

本系统的主要部件是轴电压监测仪、与轴电压监测仪相关的控制仪器。轴电压监测仪由MarkVI在汽轮机控制柜的轴电压监测电路和4个安装在位于发电机联轴器端的特殊绝缘支架上的电刷组成。2个电刷并联并通过一个分路电阻（低阻抗分流器，阻值为0. 005Ω）接地。通过该分路电阻的电压与轴电流成正比（称电流电刷）。另外2个电刷也并联，用于测量发电机转轴的对地电压（称接地电刷）。上述两个输入端子分别接到安装在汽机控制柜的CTBA端子板上，一个测量轴电压值，一个测量轴电流（流经分路电阻的电压）值。

3.2功能

3.2.1连续地监测发电机转轴的对地电压和电流。

3.2.2测试电路可以监测报警功能和电刷的接线完整性。

3.2.3报警可以通过汽轮机Mark VI控制盘的"确认"以及"复位"按钮进行复位。每次当轴电压超过一个指定值（2V）时，计数器就会增加。该门限电流是在硬件中固定，并且不能改变。该计数器定期设置，因此计数器的最大值代表了在特定一段时间内的电压偏移的次数。如果该计数器超过了允许值（95Hz），轴电压过高报警将被激活。同样地如果轴电流超过一个预设的限定值（4A），轴电流过高报警将被激活。电压和电流的限定值都在CTBA输入/输出板中设置。

3.3两项试验

3.3.1交流测试：输入+5V（AC），1kHz信号到轴电压监测电路中，计数器应立即增加并发出报警。该试验的目的是监测硬件的完整性。如不出现电压报警或电流报警表示硬件不完整。

3.3.2直流试验：通过接地刷和分路电阻输入+5V（DC）信号，通过计算和比较刷子电阻值和分路电阻值判断该轴电压感应器是否有效。门限电阻的限制值是在CTBA板上进行设定的。应选取两个表示分路和刷子是否正常工作逻辑信号。

进行上述试验，并最终查证轴电压监测系统是否正常工作时，应在Mark VIHMI中进行一个动态的试验。在显示屏上有2个按钮：Alarm Test（报警试验）和Sensor Test（感应器试验）。按Alarm Test（报警试验）按钮，进行交流试验。这时会出现轴电压过高和轴电流过高报警。按Sensor Test（感应器试验），进行直流试验。如果感应器硬件正常工作，会获得电刷试验OK和分路试验OK的逻辑信号。当这些信号为逻辑1时，试验字符串OK将会显示在静止字符串"Alarm Test in Progress"（报警试验进行中）以及"Sensor Test in Progress"（感应器试验进行中）右侧。■

【参考文献】

［１］黄剑雄，唐铭，俞立凡. S109FA机组循环水系统的节能运行分析[J]. 发电设备， 2008， （06） .

［２］俞立凡，杨燕岚. 9F燃气轮机燃烧故障分析[J]. 发电设备， 2008， （03） .