发电机轴电压产生的原因、危害及处理措施

随着单机容量的逐渐增大,轴电压成为大型发电机采用静止自并励磁系统后的一个严重问题。轴电压的波形具有复杂的谐波脉冲分量,对油膜绝缘特别有害。当轴电压未超过油膜的破坏值时,轴电流非常小。若轴电压超过轴承油层击穿电压,则在轴承上形成很大的轴电流,即所谓电火花加工电流,将烧蚀轴承部件,造成很大危害。磁路不对称、单极效应、电容电流、静电效应、静态励磁系统、外壳、轴等的性磁化均有可能引起轴电压。

轴电压是指在电机运行时,电机两轴承端或电机转轴与轴承间所产生的电压。在正常情况下,轴电压较低时,发电机转轴与轴承间存在的润滑油膜能起到较好的绝缘作用。但是,如果由于某些原因使得轴电压升高到一定数值时,就会击穿油膜放电,构成轴电流产生的回路。轴电流不但会破坏油膜的稳定性,使润滑冷却的油质逐渐劣化,同时,由于轴电流从轴承和转轴的金属接触点通过,金属接触点很小,电流密度很大,在瞬间会产生高温,使轴承局部烧熔。被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅,将在轴承内表面烧出小凹坑。终,轴承会因机械磨损加速而破损,严重时会烧坏轴瓦,造成事故被迫停机。

发电机轴电压一直是存在的，但一般不高，通常为几伏至十几伏。但当绝缘垫因油污、损坏或老化等原因失去作用时，则轴电压足以击穿轴与轴承间的油膜而发生放电，久而久之，就会使润滑和冷却的油质逐渐劣化，严重者会使转轴和轴瓦烧坏，造成停机事故。

1、发电机轴电压产生的原因

（1）磁不对称引起的轴电压

它是存在于汽轮发电机轴两端的交流型电压。由于定子铁芯采用扇形冲压片、转子偏心率、扇形片的导磁率不同,以及冷却和夹紧用的轴向导槽等发电机制造和运行原因引起的磁不对称,结果产生包括轴、轴承和基础台板在内的交变磁链回路。由此在发电机大轴两端产生电压差。每一种磁不对称都会引起相应幅值和频率的轴电压分量,各个轴电压分量叠加在一起,使这种轴电压的频率成分很复杂,其中基波分量的幅值,3次和5次谐波幅值稍小,更高次谐波分量幅值很小。这种交流轴电压一般为1～10V,它具有较大的能量。如果不采取有效措施,此种轴电压经过轴—轴承—基础台板等处形成一个回路,产生一个很大的轴电流。轴电流引起的电弧加在轴承和轴表面之间,其主要后果是引起轴承上的钨金和轴表面的磨损,并使润滑油迅速劣化。由此会加速轴承的机械磨损,严重者会使轴瓦烧坏。

（2）静电电荷引起的轴电压

这种出现在轴和接地台板之间的直流型电压,是在一定条件下高速流动的湿蒸汽与汽轮机低压缸叶片摩擦出的静电电荷产生的。这种静电效应偶然在某种蒸汽条件下才能出现,并非经常存在。随着运行工况的不同,这种性质的轴电压有时会很高,电位达到上百伏,当人触及时会感到麻手。它不易传导至励磁机侧,但如果不采取措施将该静电电荷导入大地,它将在发电机汽机侧轴承油膜上聚集并且终在油膜上放电而导致轴承损坏。

（3）静态励磁系统引起的轴电压

目前,大型汽轮发电机组普遍采用静态励磁系统。静态励磁系统因可控硅换弧的影响,引入了一个新的轴电压源。静态励磁系统将交流电压通过静态可控硅整流输出直流电压供给发电机励磁绕组,此直流电压为脉动型电压。对于采用三相全控桥的静态励磁系统,其励磁输出电压的波形在1个周期内有6个脉冲。这个快速变化的脉动电压通过发电机的励磁绕组和转子本体之间的电容耦合在轴对地之间产生交流电压。此种轴电压呈脉动尖峰状,其频率为300Hz(当励磁系统交流侧电压频率为50Hz时),它叠加到磁不对称引起的轴电压上,从而使油膜承受更高的尖峰电压。在增大到一定程度时,击穿油膜,形成电流而造成机械部件的灼伤和损坏。

（4）剩磁引起的轴电压

当发电机严重短路或其他异常工况下,经常会使大轴、轴瓦、机壳等部件磁化并保留一定的剩磁。磁力线在轴瓦处产生纵向支路,当机组大轴转动时,就会产生电势,称为单极电势。正常情况下,微弱的剩磁所产生的单极电势为毫伏级。但在转子绕组匝间短路或两点接地时,单极电势将达到几伏至十几伏,会产生很大的轴电流,沿轴向经轴、轴承和基础台板回路流通,不烧损大轴、轴瓦等部件,而且会使这些部件严重磁化,给机组检修工作带来困难。

2、发电机轴电压造成的危害

轴电压大小随各机组情况的不同而不同，一般说来机组容量越大，其气隙磁通和结构的不对称性也越大。而磁场中谐波分量和铁芯饱和程度以及定子的不平整度也越大，轴电压峰值就越高，轴电压的波形具有复杂的谐波分量，采用静止可控整流励磁的机组，其轴电压波形中有很高的脉冲分量，对油膜绝缘特别有害，当轴电压达到一定值后，如不采取适当措施，油膜会被击穿而产生轴电流。

若汽轮发电机组的轴电流很大，则轴电流通过的轴颈、轴瓦等有关部件将烧坏，汽轮机主油泵的传动蜗杆和蜗轮将损坏，轴电流引起的电弧会烧蚀轴承部件并使轴承的润滑油老化，从而加速轴承的机械磨损，轴电流会使汽轮机部件、发电机端盖、轴承和环绕轴的其他部件强烈磁化，并在轴颈和叶轮处产生单极电势。

过高的轴电压足以击穿轴与轴承间的油膜时，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，轴电压不高，300MW等级发电机为6V左右，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。轴电流会使润滑冷却的油质逐渐劣化，严重者会使轴瓦烧坏，被迫停机造成事故。所以在安装和运行中，测量检查发电机组的轴及轴承间的电压。

3、发电机轴电压的防范及消除措施

通常采用下列几种防范措施：

（1）设计安装时，通常在位于发电机励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。

（2）设计有发电机汽机侧大轴的接地电刷，用于释放汽轮机低压段的静电电荷，保证轴与地的电势相同。

除消除大轴电压外，大轴接地碳刷同时有以下作用，用以保护电机：a.测量转子正负对地电压。b.作为转子一点接地的保护。

（3）为了降低汽轮发电机组由于磁路不对称引起的轴电压，设计发电机时考虑了消除或减少轴电压中的三次或五次谐波分量的措施，采用全新的发电机结构，安装时严格按照厂家工艺、设计要求，防止转子偏心。

（4）为防止转子绕组一点接地短路而产生轴电压，运行时投入励磁回路两点接地保护装置。

（5）为切断轴电流，在励端包括发电机轴承、氢冷发电机的油密封、水内冷发电机转子的进出水支座和进出水管法兰、尾部轴承与机座的底板之间加装绝缘垫。轴承座的紧固件和连接到轴承座的油管也要与轴承绝缘可采用双层绝缘措施。

（6）在电机设计时,避免产生磁路不对称。

（7）电机设计、制造和运行时,避免产生轴向磁通。

（8）将轴承座对地绝缘。

（9）在轴上装设接地电刷。

（10）采用非磁性轴承座或附加线圈。

（11）在直流电机的电枢出线端加设一个对地的旁路电容。

4、轴电压的测量

转子接地碳刷和轴承的绝缘对防护轴电压对发电机安全运行的作用是非常重要的。在实际的运行中,由于安装、运行环境的恶化、磨损等,会使得转子接地不好或轴承绝缘下降,导致轴电压上升,轴电流增大,终可能损坏发电机。因此,定期测量轴电压,对改善发电机运行情况,是十分必要的。下面小编推荐一种较为简单的测量方法：

如上图所示，其中:

U1:发电机转子两端轴电压差,正常情况下主要由转子磁不对称导致的轴电压,一般厂家能提供经验数据,建议在每次小修后测量并与历史数据进行比较。

U2:发电机后端轴对地电压。

U3:发电机后端轴承对地绝缘板层间金属板对地电压。

A:发电机前端接地碳刷的接地引下线上测得的电流。

运行中应定期测量U2、U3和A。从数据的变化可以判断发电机的状况：

①U1应在厂家提供的范围内,且与历史数据比较不应有较大变化,否则应检查发电机定转子的情况,查明原因。

②U2≈U3（正常值）。如U2大于U3（正常值）,则需检查轴接地碳刷接地情况是否良好,在运行中可在前端轴上短时外接接地线接地,再测量U2进行比较。

③U3应接近U2。由于U2与U3的差值表示加在轴承油膜上的电压,若该电压过大,将可能导致油膜击穿,建议该差值不大于4V,或U3不小于U2的70%。否则应检查轴承对地的绝缘材料运行情况,如表面脏污、绝缘老化等。

④一般情况下,轴接地碳刷上流过的电流A为几毫安到几百毫安,若该值明显增加,应结合轴电压的测量情况,检查轴承绝缘情况。

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