水輪發(fā)電機(jī)軸電流的產(chǎn)生和對(duì)軸承的保護(hù)

徐偉揚(yáng)，李冬翠，楊柯

（浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310030）

水輪發(fā)電機(jī)在帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，會(huì)在轉(zhuǎn)子上下兩端產(chǎn)生感應(yīng)軸電壓，盡管軸電壓數(shù)值上不會(huì)太大，僅有幾伏，但因?yàn)橹鬏S電阻很小，一旦軸承油膜遭到破壞，在主軸和軸瓦之間就會(huì)產(chǎn)生比較大的軸承回路電流，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，軸承電密達(dá)到或超過(guò)0.2A/cm2時(shí)，潤(rùn)滑油膜就會(huì)發(fā)生碳化，使?jié)櫥蜐?rùn)滑效果降低，導(dǎo)致軸瓦溫度升高，影響到發(fā)電機(jī)機(jī)組的安全運(yùn)行，嚴(yán)重的會(huì)引起發(fā)電機(jī)重大運(yùn)行事故。目前，對(duì)軸電流還缺乏有效的計(jì)算分析手段，如烏江三岔河的引子渡電站2#機(jī)發(fā)現(xiàn)軸電流偏大，發(fā)電廠邀請(qǐng)了專家進(jìn)行分析，但未能分析出軸電流偏大的原因。一般來(lái)說(shuō)，廠家會(huì)根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定最大軸電流報(bào)警，一旦發(fā)現(xiàn)軸電流偏大或異常變大時(shí)，必須停機(jī)進(jìn)行故障排除。

為減少軸電流，防止軸承燒損，一般制造廠家都會(huì)在設(shè)計(jì)上采取一定的防范措施，如設(shè)置絕緣、裝設(shè)軸電流檢測(cè)裝置，可以防止軸承燒損，確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 軸電流的產(chǎn)生及其危害

發(fā)電機(jī)的軸電流，通常隨著發(fā)電機(jī)負(fù)荷變化、勵(lì)磁電流變化而變化。產(chǎn)生軸電流的前提條件是主軸兩端存在軸電壓，軸電壓的產(chǎn)生，一般認(rèn)為有以下主要原因。

（1）定子鐵心通常采用較薄的硅鋼片疊壓而成，片間存在接縫，同時(shí)定子、轉(zhuǎn)子之間不可避免的存在一定的偏心，國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這個(gè)偏心值有硬性要求，定轉(zhuǎn)子各處的實(shí)際氣隙偏差不得超過(guò)定轉(zhuǎn)子氣隙的8%。定轉(zhuǎn)子之間存在偏心，使氣隙磁場(chǎng)不均勻，因氣隙磁場(chǎng)是旋轉(zhuǎn)的，而主軸中心與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中心又不會(huì)完全一致，就會(huì)在發(fā)電機(jī)主軸上產(chǎn)生交變磁通，產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢(shì)，該感應(yīng)電勢(shì)就是軸電壓。

（2）軸承絕緣的損壞是產(chǎn)生過(guò)大軸電流的重要原因，在發(fā)電機(jī)適當(dāng)位置設(shè)置軸電流絕緣是水輪發(fā)電機(jī)的基本要求。絕緣設(shè)置位置不當(dāng)，機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后，設(shè)置在油槽內(nèi)的絕緣受到潤(rùn)滑油的長(zhǎng)期侵蝕而被乳化，降低了絕緣性能，從而不能有效阻斷軸電流通過(guò)軸承形成回路。

軸電流主要危害：當(dāng)軸電壓形成后，就會(huì)在主軸、軸瓦、機(jī)架、基礎(chǔ)之間形成閉合回路，產(chǎn)生軸承電流。發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)體和軸承之間有很薄的一層油膜，油膜本身也具有一定的絕緣性能，但如果軸電流偏大，長(zhǎng)期運(yùn)行后會(huì)引起潤(rùn)滑油電蝕碳化，最終形成干摩擦而軸瓦燒損。

2 軸電流的監(jiān)測(cè)

水輪發(fā)電機(jī)不可避免的存在軸電流，既然軸電流對(duì)機(jī)組的運(yùn)行存在安全隱患，那么對(duì)軸電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就非常重要了，目前對(duì)軸電流有多鐘監(jiān)控手段，采用安裝空心環(huán)軸電流傳感器的方式最為普遍，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)電機(jī)大軸的軸電流大小及其變化。當(dāng)軸電流超過(guò)整定值時(shí)（整定值通常為5A），控制器輸出二級(jí)報(bào)警模擬量信號(hào)。軸電流檢測(cè)系統(tǒng)的原理見(jiàn)圖1。

圖1

環(huán)抱于大軸的軸電流互感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主軸的電流變化，該變化量經(jīng)過(guò)變換和隔離放大將數(shù)據(jù)傳送到PLC集成模塊進(jìn)行采樣，PLC對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、轉(zhuǎn)換處理，精確得出與主軸電流對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。顯示器可顯示實(shí)際的主軸電流值，PLC對(duì)采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定的報(bào)警值比較，確定報(bào)警輸出狀態(tài)。檢測(cè)器輸出的4～20mA的模擬量與主軸電流0～5A成線性關(guān)系。當(dāng)報(bào)警器啟動(dòng)時(shí)，說(shuō)明主軸電流偏大，此時(shí)應(yīng)及時(shí)停機(jī)進(jìn)行檢查，排除隱患。

3 減小和防范軸電流的措施

針對(duì)軸電流不同的產(chǎn)生原因，從設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)該考慮采取一些措施來(lái)減小軸電流。

（1）鐵心拉緊螺桿、定位筋等部位的磁感應(yīng)引起的磁路變化，很難通過(guò)計(jì)算判斷其對(duì)發(fā)電機(jī)軸電流大小及變化的影響；定轉(zhuǎn)子的圓度偏差、安裝氣隙的不均勻引起的磁場(chǎng)不均勻，是可以通過(guò)對(duì)安裝的嚴(yán)格要求加以改善，通常定轉(zhuǎn)子氣隙偏差應(yīng)按目標(biāo)值為氣隙的3%進(jìn)行控制。

（2）電磁設(shè)計(jì)，應(yīng)綜合考慮發(fā)電機(jī)磁極數(shù)量、定子分瓣數(shù)、定子鐵心圓周方向沖片接縫數(shù)量以及電網(wǎng)頻率的關(guān)系。若2×Z/N（N表示發(fā)電機(jī)磁極數(shù)量，Z表示分瓣定子的分瓣數(shù)量或鐵心沖片的圓周接縫數(shù)量）約分后，如分子數(shù)為偶數(shù)時(shí)，那么在主軸上就不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，反之，如分子為奇數(shù)，那么在大軸上會(huì)感應(yīng)出分子倍數(shù)的電網(wǎng)頻率的軸電壓。同時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低鐵心軛部的磁通強(qiáng)度、減少定子鐵心分瓣處和鐵心沖片合縫處的磁阻等措施來(lái)有效降低磁路不均勻，從而減少軸電壓。

（3）可控硅靜止勵(lì)磁裝置提供勵(lì)磁電流，雖然勵(lì)磁電流是直流電，但同時(shí)含有高頻成分，而且勵(lì)磁銅排或勵(lì)磁電纜往往沿主軸布置，容易在主軸上感應(yīng)出軸電壓。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，周寧水電站曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)因勵(lì)磁引線高頻對(duì)主軸的干擾而出現(xiàn)高電壓報(bào)警的事例，應(yīng)盡量使勵(lì)磁銅排或勵(lì)磁電纜離開(kāi)主軸表面的距離大一些。

圖2

（4）阻斷軸電流通過(guò)軸瓦而形成軸承電流回路無(wú)疑是防范軸瓦因軸電流而燒損的簡(jiǎn)單而最有效措施。各廠家都會(huì)考慮設(shè)置絕緣墊的方式來(lái)達(dá)到這個(gè)目的，但各個(gè)廠家根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，絕緣設(shè)置的位置不盡相同。對(duì)于全傘式發(fā)電機(jī)，因其不設(shè)置上導(dǎo)軸承，上機(jī)架本身與旋轉(zhuǎn)部分不接觸，一般不設(shè)置絕緣。對(duì)于懸式和半傘式發(fā)電機(jī)，通常在圖2中所示的這些位置中設(shè)置絕緣。絕緣設(shè)置位置及特點(diǎn)說(shuō)明。

位置①：可以有效的阻斷軸承電流回路。絕緣通過(guò)特定工藝布置在上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子與主軸之間，不與潤(rùn)滑油接觸，避免了長(zhǎng)期運(yùn)行后絕緣性能下降，不需在其他部位再設(shè)置絕緣，如浙富公司習(xí)慣采用該絕緣方式，且絕緣性能可靠。

位置②：如發(fā)電機(jī)為懸式結(jié)構(gòu)，且推力瓦為巴氏合金瓦，在位置②處設(shè)置絕緣外，還需在位置④設(shè)置絕緣，同時(shí)阻斷上導(dǎo)瓦與主軸的回路及推力瓦與主軸的回路，工藝制作簡(jiǎn)單，弊端是絕緣材料與潤(rùn)滑油接觸，長(zhǎng)期運(yùn)行后使絕緣性能下降，曾有電站發(fā)生推力頭、鏡板受軸電流電蝕的破壞。如推力瓦材料為塑料瓦，因塑料瓦的摩擦面材料為聚四氟乙烯，本身具有絕緣性能，那么僅設(shè)置位置②的絕緣就夠了。

位置③：絕緣設(shè)在上導(dǎo)軸承支撐環(huán)上，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求高，同時(shí)還與設(shè)在位置②一樣，如推力瓦材料為巴氏合金，還需再設(shè)置位置④的絕緣。不利因數(shù)是一定程度上減少了導(dǎo)軸承支撐的剛度。

綜合以上各處設(shè)置絕緣，位置①相比其他位置來(lái)說(shuō)，絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，制造時(shí)經(jīng)過(guò)可靠的防潮和密封處理，制造后經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的絕緣性能監(jiān)測(cè)，可以確保機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后其絕緣性能不下降。

4 結(jié)語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)的軸電壓、軸電流是必然存在的，如何減小軸電壓、軸電流和如何防范軸電流對(duì)軸承的破壞是各制造廠家都非常關(guān)注的問(wèn)題。軸電壓、軸電流目前還沒(méi)有有效的計(jì)算分析方法，大多時(shí)候都是按各制造廠家的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定報(bào)警值，一旦出現(xiàn)超標(biāo)，再進(jìn)行隱患排除。本文簡(jiǎn)要說(shuō)明了產(chǎn)生軸電壓、軸電流的因數(shù)，提出如何減小軸電壓、軸電流以及如何對(duì)軸承進(jìn)行保護(hù)的說(shuō)明。