基于發(fā)電機軸電壓的測量與保護分析

顧濤

（華電國際鄒縣發(fā)電廠，山東 鄒城 273522）

0 引言

軸電壓是指發(fā)電機在設(shè)計、制作、安裝、運作等過程中因為各種不同的因素而導(dǎo)致發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機軸承之間產(chǎn)生了的感應(yīng)電勢。由于軸承種類的多樣性，每種發(fā)電機的耐受電壓大小是存在差異的，當軸電壓的值超出軸承所能承受的范圍之后，軸電壓就會經(jīng)油膜導(dǎo)電或者放電而產(chǎn)生軸電流，這樣的放電過程或者形成的軸電流會在軸承及軸瓦之間造成一些點狀的微型孔，嚴重時會將軸瓦燒壞，導(dǎo)致發(fā)電機的內(nèi)部軸承等機械元件被嚴重破壞。因此，為了保證發(fā)電機在運行過程中能正常工作，就需要對軸承等器件進行接地絕緣處理，避免發(fā)電機因為電力太高而導(dǎo)致軸電流問題發(fā)生[1]。

目前，大部分的用戶及現(xiàn)場的發(fā)電機調(diào)試人員其實對這項技術(shù)的了解甚少，可能會在設(shè)備安裝和調(diào)試階段忽視發(fā)電機的軸電壓的問題，為后面正常的運行和調(diào)試埋下隱患，所以，這篇文章將會借鑒相關(guān)技術(shù)人員的現(xiàn)場經(jīng)驗總結(jié)以及相應(yīng)的國家標準，就發(fā)電機的軸電壓的測量和防護進行了全面的概述。

1 發(fā)電機軸電壓產(chǎn)生的原因及危害

1.1 發(fā)電機軸電壓產(chǎn)生的原因

1.1.1 磁不對稱引發(fā)的軸電壓

第一，發(fā)電機在制作時鐵芯一般使用扇形的沖壓片，當定子鐵芯疊加在一起時可能存在連接縫隙不對稱，還有鐵芯的通風(fēng)孔及齒槽的出現(xiàn)都是發(fā)電機磁路中磁不對稱現(xiàn)象發(fā)生的原因，而且發(fā)電機在結(jié)構(gòu)設(shè)置時一般是應(yīng)用分數(shù)槽，這樣的設(shè)計會出現(xiàn)電樞的不均勻性，產(chǎn)生不平衡的磁通量，就會在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子兩端形成相應(yīng)的軸電壓；第二，在安裝過程中因為技術(shù)人員的經(jīng)驗不足，定、轉(zhuǎn)子之間存在的氣隙沒有調(diào)整到標準水平會引發(fā)發(fā)電機轉(zhuǎn)子的中心偏移，造成發(fā)電機磁通不對稱的分布，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時周期進行變換，也將在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子兩端形成軸電壓；第三，當發(fā)電機運行時，軸瓦和軸承之間由于長時間的接觸會磨損嚴重，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子偏離中心，轉(zhuǎn)子的對地絕緣線路發(fā)生故障、轉(zhuǎn)子的線圈匝數(shù)之間發(fā)生短路以及定子繞組以單向的形式接地。發(fā)電機的轉(zhuǎn)子發(fā)生斷條、電源電壓不一致等，都將造成發(fā)電機的磁場和氣隙分布不均，在運轉(zhuǎn)過程中都會形成軸電壓。

1.1.2 剩磁及軸向磁通造成的軸電壓

發(fā)電機在嚴重短路或者存在其它問題的故障時，大軸、機殼、軸瓦等機械部件會發(fā)生磁化但是會留下一部分的剩余磁化強度。磁力線被切割的過程中，有縱向線路在軸瓦的區(qū)域存在，機械主軸發(fā)生劇烈轉(zhuǎn)動，切割磁力線會產(chǎn)生電動勢，這種電動勢稱為單極電勢。當發(fā)電機正常工作時，剩余磁化強度中產(chǎn)生的單極電勢為毫伏級，對機器沒有太大的影響，可是當軸承轉(zhuǎn)子的繞組電路被短路或者出現(xiàn)兩點接地現(xiàn)象時，單極電勢的數(shù)值會大幅度升高，達到幾伏甚至幾十伏，將產(chǎn)生極大的軸間電流。當電流沿著軸承、臺板形成一個完整的流通回路時，軸瓦、大軸等重要部件不僅會被燒壞，還會引發(fā)嚴重的磁化現(xiàn)象，為技術(shù)人員維修帶去很大的困難。

1.1.3 高速蒸汽產(chǎn)生靜電現(xiàn)象形成的軸電壓

在靜電效應(yīng)的作用機制影響下，產(chǎn)生軸電壓的原因是發(fā)電機的同軸密封不好，軸長時間轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生高溫，如果蒸汽發(fā)生泄露或者蒸汽在汽缸內(nèi)進行極速的噴射，這些因素會使軸帶電荷在高速運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生軸電壓。這種產(chǎn)生的方式軸電壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)時而高時而低的情況，當人手觸及到發(fā)電機時會頓時覺得手麻，而且在發(fā)電機側(cè)有可能破壞軸瓦或者油膜，這種方式產(chǎn)生的軸電壓一般都是在發(fā)電機側(cè)軸上接一個接地刷來解決。

1.1.4 靜態(tài)勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生的軸電壓

在全世界各地，只要存在發(fā)電機的地方，多數(shù)都采用靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，它可以改變電機的轉(zhuǎn)速，這套系統(tǒng)都是采用全控橋結(jié)構(gòu)，在原有基礎(chǔ)上引進了一個全新的軸電壓源。當交流電壓經(jīng)過可控硅的調(diào)節(jié)作用，將會輸出直流電壓以提供發(fā)電機勵磁繞組正常工作，其中的直流電壓也稱為脈動型電壓。靜態(tài)勵磁系統(tǒng)中采用三相全控橋的元件時，產(chǎn)生的輸出電壓波形為一個活動周期內(nèi)會有六個脈沖波。脈沖波的快速變換引起的脈沖電壓由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子作用，本體和勵磁繞組間的電容耦合結(jié)構(gòu)之后將會在軸間出現(xiàn)交流電壓。這種軸電壓一般是呈現(xiàn)脈沖尖峰樣，頻率是300 Hz，它會不斷疊加，與勵磁繞組間產(chǎn)生的軸電壓形成一體，油膜會承受更大的尖峰電壓，當數(shù)值增加到一定后，電壓會擊穿油膜，形成強大的軸電流，發(fā)電機的機械元件將被嚴重損壞和燒毀[2]。

1.2 發(fā)電機軸電壓的危害

（1）由發(fā)電機軸電壓產(chǎn)生的原因可以清楚的明白，所有的發(fā)電機都會出現(xiàn)軸電壓，軸電壓的大小由于發(fā)電機機型還有產(chǎn)生電壓的原因有所不同。通俗一點來說，當電機的質(zhì)量不好，安裝質(zhì)量欠缺，沒有按照安裝流程進行安裝，發(fā)電機的容量越大，它的氣隙也就越大，結(jié)構(gòu)的不對稱性會更加明顯，磁場的定轉(zhuǎn)子不平衡程度增加，這些情況軸電壓都會出現(xiàn)增高的現(xiàn)象。（2）發(fā)電機的軸電壓只要產(chǎn)生之后都會對軸瓦、軸承、軸頸等機械部件產(chǎn)生較大的威脅。當軸電壓出現(xiàn)低值時，軸與軸承之間的油膜將會有很好的絕緣性，軸電壓增加到很高的數(shù)值之后，要是不及時進行有效的防護，或者在采取措施之后因為某些原因的影響，比如說油漬的污染、機座的受潮、機組的高速震動，這些原因都會導(dǎo)致軸電壓防護措施不能達到想要的結(jié)果，甚至根本沒有起到防護作用，最后軸電壓擊穿油膜產(chǎn)生一定的軸電流。當軸電流升高到臨界值時，會破壞發(fā)電機油膜的性能，當情況嚴重時發(fā)電機的主要部件將被損壞，發(fā)電機嚴重磁化后無法再穩(wěn)定工作。（3）當技術(shù)人員在進行檢修時經(jīng)常發(fā)現(xiàn)發(fā)電機的側(cè)軸面被電腐蝕和電灼傷等情況。尤其是發(fā)電機的運行環(huán)境惡劣時這些情況更為明顯。（4）要加強軸電壓的測量并采取一定的防護措施，才能減少甚至消除軸電壓帶來的影響，這樣才能保證發(fā)電機機械設(shè)備的正常工作。

2 發(fā)電機軸電壓的測量方法分析

為了解決發(fā)電機軸電壓產(chǎn)生的問題，生產(chǎn)操作過程之前是進行過明確規(guī)定的，必須要在發(fā)電機的軸承底座的下方安裝上接地的絕緣板[3]。絕緣板的安裝一般有三種方式，最為多見的就是：一方面，在發(fā)電機軸承與地面間僅僅加一層絕緣板；另外在發(fā)電機的軸承側(cè)和地面間加上兩層絕緣板，中間一層是鐵板，鐵板在兩層絕緣材料之間，軸承底座具有絕緣作用。然后利用以下兩種常用方式測量發(fā)電機的軸電壓。

2.1 軸電壓直接測量法

發(fā)電機軸電壓在測量過程中，首先將軸電壓想象成電動勢，油膜等元件看作可變電阻，軸瓦絕緣板是一個絕緣電阻。在發(fā)電機組處于負載和空載時，使用內(nèi)阻極高的電壓表進行軸端電壓的測量。將發(fā)電機的勵磁機側(cè)面油膜進行短接，用電壓表測量發(fā)電機軸瓦接地電壓的大小，這樣可以檢測處絕緣板的絕緣效果好不好。如果絕緣效果不佳，需要進行處理或者更換絕緣板。

2.2 絕緣電阻測量法

要把發(fā)電機的轉(zhuǎn)子吊到一定高度，再用500 V或者1000 V的設(shè)備進行發(fā)電機絕緣。當發(fā)電機絕緣電阻測量時，要關(guān)注發(fā)電機的油管進出情況，要給配件設(shè)置絕緣墊片和絕緣管道。在確定絕緣效果良好之前，一定要進行現(xiàn)場實驗，這才能成為真正判斷軸承底座是否絕緣效果良好。

3 解決和保護方案

發(fā)電機產(chǎn)生的軸電壓對發(fā)電機組的運行會造成嚴重的危害，所有必須采取相應(yīng)措施進行防護和抑制。所以，為了確保發(fā)電機組的正常、安全運行，經(jīng)常利用下面幾種措施進行防范：（1）在發(fā)電機汽機大軸部位接上一個接地電刷，起到釋放汽輪機靜電電荷的作用；（2）因為磁路不對稱會產(chǎn)生軸電壓，為了使汽輪發(fā)電機的軸電壓降低，在發(fā)電機設(shè)計時要盡量減少甚至消除軸電壓中產(chǎn)生的三次諧波分量和五次諧波分量，利用最新的發(fā)電機組結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)這個目的；（3）發(fā)電機在安裝時，一定要嚴格遵照廠家的說明書介紹，廠家的工藝設(shè)計要求，不要出現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子離心的情況；（4）因為轉(zhuǎn)子繞組接地短路會有軸電壓產(chǎn)生，所以在運行過程中可以投入勵磁回路，這是一種接地保護裝備；（5）為了將軸電流切斷，勵磁軸承中主要包括了發(fā)電機軸承、發(fā)電機轉(zhuǎn)子進出水管和支座、冷發(fā)電機的油密封，在勵磁機組和副勵磁機組軸承和電動機底座之間加上一層絕緣墊板，軸承座的機械元件和油管會和軸承產(chǎn)生絕緣，采取雙層絕緣保護，確保絕緣措施的有效性。下面介紹幾個有效的防范措施，比如一個十分有效的方法就是將發(fā)電機的勵磁端中的所有油密封和軸承進行絕緣處理，這樣的操作對于防止發(fā)電機中感應(yīng)電壓的形成十分有用。在通常情況下，發(fā)電機的汽機是用碳刷來實現(xiàn)接地處理的[4-5]，可大量的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)表明，在汽機端想要達成較好的接地效果是相當不易的，接地電阻在轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生很高的表面速度，速度最高可達110 m/s，接近碳刷生產(chǎn)廠家說明書中介紹的最大值的2.1倍，意味著電阻的利用效率很高。另外，大量的油霧會導(dǎo)致碳刷和軸承間出現(xiàn)接觸不良的情況。靜止勵磁系統(tǒng)的可控裝置中有一個電刷也同樣會出現(xiàn)接地故障，晶管在轉(zhuǎn)換方向時，呈現(xiàn)周期性，會產(chǎn)生周期性脈沖電流，這種電流會通過轉(zhuǎn)子繞組的方式傳送到軸承上。油霧和轉(zhuǎn)子高速度運行都會有損傷痕跡出現(xiàn)，這些遺留的痕跡一樣會導(dǎo)致軸承與電刷發(fā)生接觸不良。就算在工作期間進行科學(xué)合理的維護，比如周期性的對軸承和電刷實行維護，讓它們表面的痕跡不要總是那么明顯，可是仍然沒有什么顯著的效果[6-8]。

汽輪機的高缸轉(zhuǎn)子存在自由端部分，轉(zhuǎn)軸的直徑略小，表面運行速度不大，可是安裝在汽輪機部位的接地電刷并不可以將轉(zhuǎn)換方向時產(chǎn)生的高頻電流信號進行消除，它本身的形成原因是由于軸承阻抗的頻率太高，較小的電感卻以高頻的大阻抗形式輸出。對于大型的汽輪發(fā)電機軸承接地絕緣系統(tǒng)而言，有以下四點要求：第一，軸承的接地電壓保持在低于20V的情況下，因為較小的對地電壓不會發(fā)生發(fā)電機組被電腐蝕損壞的現(xiàn)象[9-10]；第二，汽輪機軸承接地系統(tǒng)要和原來的裝備實現(xiàn)兼容，不要出現(xiàn)排斥，對于任何的接地系統(tǒng)來說，都要和使用的電機軸監(jiān)測及保護裝置兼容，要方便把裝置以各種各樣的形式安裝在發(fā)電機組上；第三，保持良好的維護性和可接近性，易于接近，才能方便觀測和維護，避免發(fā)生危害工作人員生命財產(chǎn)安全的事故[11]；第四，具有接地檢測系統(tǒng)，可以隨時監(jiān)測機器的工作狀況。在檢測接地裝置的過程中，主要是對接地電刷的局部破壞情況和電氣接觸狀況進行檢測，如果電刷的表面運行速度遠遠的小于生產(chǎn)廠家給出的最大值，在這樣的情況下工作，電刷的接觸性能肯定會大幅度增強[7-8]。雖然汽輪機高壓缸的自由端進行了接地處理，可是還是不能有效防范靜止勵磁系統(tǒng)中產(chǎn)生的高頻電壓脈沖，因為在發(fā)電機的勵磁端電刷繞過軸承進行接地絕緣時，發(fā)電機組存在預(yù)見或不能預(yù)見的對地接觸，發(fā)電機軸感應(yīng)產(chǎn)生的軸電壓都會有軸電流出現(xiàn)。表中展示了電刷接地系統(tǒng)的運行情況，如表1所示。

4 結(jié)語

在我國，電力產(chǎn)業(yè)的大機組和大電網(wǎng)正在快速發(fā)展，發(fā)電機組的單機容量不斷增大，靜態(tài)勵磁系統(tǒng)在發(fā)電機中的普遍應(yīng)用，發(fā)電機軸電壓和軸電流的產(chǎn)生成為當前發(fā)電機安全研究的主要方向，關(guān)系著發(fā)電機能否正常運行。處理常規(guī)的軸承接地、發(fā)電機大軸絕緣、勵磁繞組外加阻容濾波器等等保護方法之外，新型的RC軸接地元件和相應(yīng)的準確監(jiān)控發(fā)電機軸電流、軸電壓還有轉(zhuǎn)子繞組的接地絕緣情況，這些都是使用實時的監(jiān)控裝置，使得軸電壓的監(jiān)控和保護成功進入一個嶄新的階段。發(fā)電機勵磁軸承接地處理，到目前為止，這是一項實現(xiàn)設(shè)備交接功能的試驗項目，可是在試驗研究過程中卻特別容易被忽視，忽視它，可能導(dǎo)致的結(jié)果就是引發(fā)嚴重發(fā)電機工作故障，所以，這個問題必須得到相關(guān)研究部門的高度重視。在發(fā)電機工作現(xiàn)場，經(jīng)常會出現(xiàn)軸承底座接地絕緣檢測合格，可是油管管路正常連接或者在開機前測試接地絕緣卻不合格的狀況，這類問題一旦出現(xiàn)，處理時間最少也要一天，甚至用更長的時間。因此，在安裝此類產(chǎn)品時，一定要在首次安裝檢驗合格之后，絕緣墊板用膠帶或者樹脂類的東西進行包裹，避免后面發(fā)電機發(fā)生進水或者漏油，導(dǎo)致軸承底座的絕緣電阻值下降，產(chǎn)生發(fā)電機軸電壓。每個事物都是不斷的向前發(fā)展的，發(fā)電機組也不例外，發(fā)電機組正在朝著一個更大的目標前行，那就是實現(xiàn)“五高”，即發(fā)電機的可控性高、可靠性強、維修率低、利用率高、效率高。良好的發(fā)電機軸承工作狀態(tài)能夠提供一份有效的效率保證，發(fā)電機的工作效率、利用率、可靠性自然得到相應(yīng)提高。研究發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)勵磁的RC接地電路可以減少系統(tǒng)產(chǎn)生的發(fā)電機軸電壓。

表1 電刷接地系統(tǒng)的運行情況Table 1 brush operations of grounding system