枕頭壩機組軸電流產(chǎn)生的原因及對策

柯 剛， 解 勒， 靳 帥

（國電大渡河枕頭壩發(fā)電有限公司，四川 樂山 614700）

引言

發(fā)電機由于設計、制造和安裝不當以及運行中的一些故障，可能產(chǎn)生軸電流。當達到足夠數(shù)值的軸電流在機組軸承等部位形成回路時，則對傷軸瓦和絕緣部位帶來極大的損傷，還會使軸承潤滑油炭化，破壞油的潤滑性和絕緣性，進而釀成軸承表面燒損的事故。枕頭壩水電站水輪發(fā)電機組單機容量180 MW，采用三相立軸半傘式同步發(fā)電機，軸電流對運行中的機組會造成極大的危害。對發(fā)電機組軸電流產(chǎn)生機理進行研究，并針對性地做出防范措施，可以及時有效對機組運行中的隱患進行預防處理，以保證機組安全穩(wěn)定運行。

1 機組軸電流形成原理分析

由于受結構形式、運行環(huán)境及設備材料的影響，大型水輪發(fā)電機組在運行過程中，不可避免地會導致發(fā)電機主軸上產(chǎn)生軸電壓，在運行中長期存在，將會對軸領與軸瓦產(chǎn)生侵蝕，縮短軸承使用壽命，嚴重威脅水輪發(fā)電機組的安全運行。

導致大型機組軸電流形成的軸電壓主要有以下幾種原因：

1）機組自身的先天性不足導致的軸電壓。主要是指由于水輪發(fā)電機組機械部件因制造安裝精度不夠或運行中因磁路不對稱所導致。由于發(fā)電機定轉子間氣隙不均勻，轉子疊片厚度、位置分布不合理，轉子繞組匝間短路等原因，可能在轉子－軸承－外殼的環(huán)路中感應出交流電勢。

2）機組運行中的不良工況累積導致產(chǎn)生軸電壓。目前大型水輪發(fā)電機普遍采用靜止勵磁系統(tǒng)，由于機組運行工況不固定，因勵磁系統(tǒng)的脈動分量而引起軸電壓。另外，發(fā)電機轉動時，潤滑油與軸瓦相互摩擦，產(chǎn)生靜電荷，對轉子充電，產(chǎn)生軸電壓，當電勢逐漸增大時，油膜被擊穿，形成軸電流。

3）機組運行中設備異常導致產(chǎn)生軸電壓。主要針對于轉子繞組一點接地引起的情況。形成的這種電流通常比較大，通常會引起發(fā)電機劇烈振動和大軸磁化燒軸、燒軸瓦等嚴重后果，并且伴隨著轉子一點接地信號出現(xiàn)。

2 軸電流的危害

機組正常運行時，由于機械部件的旋轉作用，在機組轉子主軸軸領與軸瓦之間形成油膜，該油膜起到很好的潤滑作用，同時也起到一定的絕緣作用，有助于阻斷軸電流的通路。但在發(fā)電機啟動轉速未達到額定時，軸瓦與軸領的潤滑油膜還未穩(wěn)定形成，此時若達到一定強度的軸電壓將會擊穿油膜而放電，通過主軸、軸承、機座、主軸而形成環(huán)形短路電流，從而形成軸電流。

另外軸電流對軸承潤滑油的損害也是致命的，會導致油質變差、油色變黑，進而降低潤滑性能，導致軸承瓦的熱累積。由于潤滑油的變質，還會引起軸承油膜電阻的急劇下降，引發(fā)更多的軸電流流過該區(qū)域，造成更大的危害，破壞機組運行的穩(wěn)定性。

3 枕頭壩機組軸電流的防范措施

3.1 軸電流產(chǎn)生位置分析

根據(jù)枕頭壩機組的結構特點和布置情況，發(fā)電機軸電流回路主要由大軸、上端軸、接地碳刷、瓦、機架、短路油膜、軸與軸承之間的絕緣油或間隙構成。因此軸電流可能產(chǎn)生的位置位于上端軸軸領與上導瓦之間，推力軸承鏡板與推力瓦之間，下導軸承瓦與軸領之間。

3.2 枕頭壩機組軸電流檢測手段及防范措施

在機組投運的實踐中，通常采用提高軸承絕緣的方法，以阻斷軸電流回路，從而從根本上達到避免軸電流損傷的目的。枕頭壩機組具體采取的措施有：

1）枕頭壩機組為半傘式，機組的防軸電流絕緣結構采用的方法是，在滑轉子內(nèi)環(huán)（即上端軸）與滑轉子之間加入絕緣層，熱壓絕緣，熱套滑轉子后作為整體的滑轉子使用，安裝后不再需要分解。采用該方式以后，導軸承瓦的背部以及下側不必設置絕緣，便足以切斷軸電流的回路。

2）推力軸承由于采用彈性金屬塑料瓦，瓦面具有電氣絕緣性能，不需要軸絕緣即可防止軸電流，因此在推力軸承處不需要單獨設置防止軸電流的絕緣措施。

3）接地碳刷安裝在發(fā)電機大軸下部，可以降低軸電位，與轉軸可靠接觸，保證轉軸電位為零電位，同使接地碳刷在運行中保證可靠接地，并且以此限制轉子下部軸電壓，消除軸電流產(chǎn)生的根源。其安裝布置如圖1所示。

圖1 防止軸電流措施示意圖

4 軸電流保護裝置的應用

4.1 監(jiān)測裝置的應用

為防止因機組上端軸軸領處的絕緣損壞，形成軸電流損傷上導軸承，同時防止運行過程中產(chǎn)生的軸電流過大，損傷下導軸承，因此將枕頭壩水電站軸電流監(jiān)測裝置裝于推力軸承下部，裝置將對其進行在線檢測，并根據(jù)軸電流大小根據(jù)現(xiàn)場需要可以設置兩級輸出。目前，枕頭壩機組采用軸電流互感器(TA)對軸電流進行實時監(jiān)測，并依據(jù)其精確感應出的基波軸電流和三次諧波軸電流來設置保護，同時對感應的高次諧波記錄，從而分析機組工況，保護裝置將根據(jù)大軸TA采集到的軸電流值動作于報警或停機。

4.2 保護原理及配置

枕頭壩水電站采用將軸電流信號接入RCS-985GW發(fā)電機保護裝置的方式監(jiān)測水輪發(fā)電機大軸產(chǎn)生的軸電流變化。軸電流互感器二次側輸入裝置數(shù)值（0～100 mA模擬量）與軸電流（0～100 A）實際數(shù)據(jù)相對應，當確認軸電流超過報警整定值后，保護裝置輸出報警接點送入監(jiān)控系統(tǒng)提醒維護人員及時查找原因并排除故障；當確認軸電流超過啟動事故停機整定值后，保護裝置可輸出啟動事故停機信號送入監(jiān)控系統(tǒng)啟動事故停機流程，從而很好地起到了電機裝置的保護作用。

5 結語

本文通過分析軸電流和軸電壓的成因，并結合枕頭壩水輪發(fā)電機組安裝布置結構，分析軸電流產(chǎn)生的位置，指出軸電流的防范措施。同時，針對軸電流形成的根本原因，采取必要的措施，可以有效地為機組安全穩(wěn)定運行提供保證。枕頭壩水電站機組通過在現(xiàn)場加裝大軸接地碳刷、加強軸承座與支架的絕緣以及定期檢查潤滑介質油等有效措施，從根本上消除了軸電流形成的途徑，在運行中取得了良好的效果。