機組軸電流相關問題探討

確保水電站穩定、靈活、可靠和經濟地生產電能，對加速我國水電事業的發展具有重大的意義。科學技術的進步，促進了水輪發電機組朝大型化方向發展的速度，使它在電網中發揮著舉足輕重的作用。
[關鍵詞]水電廠；發電機組；軸電流
中圖分類號：TM31文獻標識碼：A文章編號：1009-914X（2013）21-0118-01
一、軸電壓、軸電流的產生
同步發電機的磁路往往不對稱，這種不對稱通常是由于定子鐵心組合縫、定子硅鋼片接縫、定子與轉子空氣間隙不均勻造成的。發電機主軸在這種不對稱磁場中旋轉，會在其兩端產生交流電壓即軸電壓，如果電機主軸兩端軸承沒有絕緣墊，這個電壓就會通過電機兩端軸承支架形成電流回路，這個電流叫軸電流。在發電機運行過程中，如果在電機兩軸承端或轉軸與軸承間存在軸電流時，將會大大縮短電機軸承的使用壽命嚴重時只能運行幾小時。
1.1 磁不平衡產生軸電壓
交流異步發電機在正弦交變電壓下運行時，其轉子處在正弦交變的磁場中。由于發電機定轉子扇形沖片、硅鋼片等疊裝因素，再加上鐵芯槽、通風孔等存在，在磁路中造成不平衡的磁阻。當發電機的定子鐵芯圓周方向上的磁阻發生不平衡時，使產生與軸相交鏈的交變磁通，從而產生交變電勢。當發電機轉動即磁極旋轉，通過各磁極的磁通發生了變化，在軸的兩端感應出軸電壓，產生了與軸相交鏈的磁通。隨著磁極的旋轉，與軸兩側的軸承形成閉合回路，就產生了軸電流。一般情況下這種軸電壓大約為1～2V。
1.2 逆變供電產生軸電壓
發電機采用逆變供電運行時，供電電壓含有高次諧波分量，使定子繞組線圈端部、接線部分、轉軸之間產生電磁感應從而產生軸電壓。
發電機定子繞組是嵌入定子鐵芯槽內，定子繞組的匝間以及定子繞組和發電機機座之間均存在分布電容，當通用變頻器在高載頻下運行時，逆變器的共模電壓產生急劇變化，會通過發電機繞組的分布電容由發電機的外殼到接地端之間形成漏電流。該漏電流有可能形成放射性和傳導性兩類電磁干擾。而由于發電機磁路的不平衡，靜電感應和共模電壓產生又是產生軸電壓和軸電流的起因。當繞組輸入端突加陡峭變化電壓時，由于分布電容的影響，繞組各點電壓分布不均，使輸入端繞組接近端口部分電壓高度集中而引起絕緣破壞或老化。這種現象一般破壞的部分是定子繞組，電壓常集中侵入的端點部位。此外，由于繞組的電抗較大，輸入電壓的高頻分量將集中于輸入端點附近的分布電容上，通過配電線、繞組、機殼間的分布電容到接地線流通電流，形成一個LC 串聯諧振電路，當其中產生高頻諧振電流時，就會產生各式各樣的故障。一般通用變頻器驅動容量較小的發電機時，軸電壓的問題可以不考慮，但使用超過200kW的發電機時，特別是已有變頻器調速改造的場合，事先確認軸電壓的大小，以便及早采取預防措施。
1.3 不平衡磁通產生軸電壓
發電機轉軸在旋轉切割不平衡磁通而在軸兩端產生的電壓，造成發電機磁場磁容不均衡進而產生軸電壓，原因有制造工藝及安裝造成，有發電機內部或外部產生不對稱短路電流產生，勵磁回路接地或轉子繞組匝間短路等。
1.4 發電機旋轉體上產生靜電荷
當發電機電荷逐漸積累后便產生軸電壓。由這種情況產生的軸電壓和由磁交變產生的軸電壓在原理上是不同的。靜電荷產生的軸電壓是間歇的，并且是非同期性的，其大小與運轉狀態、流體的狀態等因素關系很大。如靜電荷的積累、測溫元件絕緣破損等因素都有可能導致軸電壓的產生。軸電壓建立起來后，一旦在轉軸及機座、殼體間形成通路，就產生軸電流。
1.5 發電機產生軸電壓的外部原因，外部電源的介入產生軸電壓
由于運行現場接線比較繁雜，尤其發電機保護、測量元件接線較多，哪一根帶電線頭搭接在轉軸上，便會產生軸電壓。由上分析，發電機的軸電壓、軸電流是由于發電機軸磁路不對稱、轉子運轉不同心、感受生脈動磁通等原因產生的。它會使軸-軸承-機座的回路有軸電流流通，在發電機轉子軸兩端、軸與軸承之間、軸與軸承對地形成軸電壓。根據軸承的種類不同，其耐壓程度有所不同，若超過軸承所允許的值，會通過油膜放電或者導電，在軸瓦和軸承處產生點狀微孔，并在底部產生發黑現象。嚴重時會使軸和軸承受到損壞，運行中伴隨著強烈的噪聲及設備外殼帶電等。
2 發電機軸電流的危害
水力發電廠發電機采用稀油潤滑的滑動軸承，電機軸是沉在油膜上的。正常情況下，轉軸與軸承間的潤滑油膜起到絕緣的作用。對于較低的軸電壓，還會產生軸電流。當軸電壓增加到一定數值時，尤其在發電機啟動時，潤滑油膜還未穩定形成，軸電壓將擊穿油膜構成回路，產生相當大的軸電流，可達到幾百安甚至上千安。由于該金屬接觸面很小，電流密度大，使軸承局部燒熔，被燒熔的軸承合金在碾壓力的作用下飛濺，于是在軸承內表面上燒出小凹坑。通常表現出來的癥狀是軸承內表面被壓出條狀電弧傷痕，嚴重時足以把軸頸和軸瓦燒壞。
2.1 由軸電流的電解作用，運行磨擦在油軸上產生的靜電荷，使軸的電位因被充電而升高。當運轉的軸接觸到旋轉體以外的任何部件時，便通過該部件進行放電。否則就要繼續積累電荷，zui后產生過高的電壓，如果超過軸承油膜的絕緣強度時，電荷在極短的時間內放電。這種現象重復發生的結果，就能使軸受到損傷。
2.2 潤滑油炭化、溶化后我金屬微粒摻入潤滑油系統，使潤滑油劑受到污染，造成潤滑油性能變差，使軸承溫度升高，使發電機轉子軸與軸瓦相接觸部位有不同程度的損傷情況。這種現象不同于軸與軸瓦之間的異常磨損，而是屬于某種物質對軸面進行局部的腐蝕。從腐蝕的情況來看屬于點腐蝕，斑點面積zui大的達到10mm2，深度達到 0.9mm。雖然對發電機轉子軸進行過車洗和金屬噴涂等，但并沒有從根本上解決問題。經過分析，排除了機械損傷和化學腐蝕的因素，zui后確定為軸電流所致。
3 防止軸電流產生的措施
3.1 在軸端安裝接地碳刷，使接地碳刷可靠接地，并且與轉軸可靠接觸，保證轉軸電位為零電位，隨時將電機軸上的靜電荷引向大地，以此消除軸電流。
3.2 為防止磁不平衡等原因產生軸電流，在非軸伸端的軸承座和軸承支架處加絕緣隔板，切斷軸電流的回路。
3.3 要求檢修運行人員細致檢查并加強導線或墊片絕緣。
3.4 在機座中除一個軸承座外，其余軸承座及包括所有裝在其上的儀表外殼等金屬部件都對地絕緣，不絕緣的軸承應裝接地電刷以防靜電充電。
3.5 對于由軸交鏈交變磁通所產生的軸電壓，可在發電機一側的軸承座下加絕緣墊以割斷軸與軸瓦之間形成的回路，使軸電流無法產生。3.6 保持軸與軸瓦之間潤滑絕緣介質油的純度，發現油中帶水必須進行過濾處理，否則油膜的絕緣強度不能滿足要求，容易被低電壓擊穿。
結束語
綜上所述，采用軸電流變送器對軸承的絕緣情況加以監視，它成為大型發電機組軸電流保護的發展方向，與通常采用的大軸側裝有交流互感器的軸電流保護方式比較，其zui大優點就是可以避免因電流互感器二次側電流受電磁及負載電流變化而帶來的外界影響，一般通過以上處理，發電機內的軸電流微乎其微，對發電機構不成實質危害。現場實踐證明，經上述方式處理后實際使用壽命可由原幾十個小時提高到上萬小時，效果比較明顯，尤其對高壓發電機軸電流防范效果更好。