發(fā)電機(jī)軸電流危害及治理措施探討

摘 ?要：可持續(xù)發(fā)展理念的深化，使得清潔能源的開發(fā)利用受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，水電憑借著本身成熟的技術(shù)以及高效、清潔、可再生的優(yōu)勢，在我國得到了快速發(fā)展。而在水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，如果轉(zhuǎn)子與定子無法保持完全通信，則在運(yùn)行過程中可能引發(fā)相應(yīng)的軸電流，對(duì)發(fā)電機(jī)的正常穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。本文從水輪發(fā)電機(jī)軸電流的危害出發(fā)，結(jié)合具體案例，對(duì)軸電流治理措施進(jìn)行了分析和討論。

關(guān)鍵詞：水電產(chǎn)業(yè);水輪發(fā)電機(jī);軸電流

中圖分類號(hào)：TM312;TM621.3 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）13-0057-02

Discussion on Generator Shaft Current Hazard and Treatment Measures

YANG Weiwen

（Chaozhou Fenghuang Hydropower Plant，Chaozhou ?521051，China）

Abstract：With the deepening of the concept of sustainable development，the development and utilization of clean energy has been widely concerned by all sectors of society. Hydropower，with its mature technology and advantages of high efficiency，clean and renewable，has been developing rapidly in China. In the operation of hydro-generator，if the rotor and stator cannot maintain complete communication，the corresponding axial current may be triggered during the operation，which will affect the normal and stable operation of the generator. Based on the harm of shaft current of hydro-generator，this paper analyzes and discusses the measures to control shaft current combining with specific cases.

Keywords：hydropower industry;hydro-generator;shaft current

0 ?引 ?言

由于本身的結(jié)構(gòu)以及工作機(jī)理，發(fā)電機(jī)中的軸電壓必然存在，不過只要沒有產(chǎn)生閉合回路，軸電流也不會(huì)產(chǎn)生。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，發(fā)電機(jī)無論是設(shè)計(jì)還是生產(chǎn)，都會(huì)充分考慮軸電流的防范和控制，但是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)本身運(yùn)行環(huán)境、操作等因素的影響，軸電流問題依然時(shí)有發(fā)生，影響了發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，需要受到技術(shù)人員的重視并予以解決。

1 ?水輪發(fā)電機(jī)軸電流的危害

正常情況下，水輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)軸和軸承之前都會(huì)存在相應(yīng)的潤滑油膜，這層潤滑油膜不僅能夠起到潤滑作用，還可以發(fā)揮出一定的絕緣作用，因此當(dāng)軸電壓較低時(shí)并不會(huì)導(dǎo)致軸電流的產(chǎn)生。但是，如果軸承絕緣因?yàn)橛臀?、老化、損壞等，出現(xiàn)絕緣性能下降，軸電流境外部回路從轉(zhuǎn)軸—油膜—軸承座—基礎(chǔ)等依次通過，引發(fā)軸電流問題，軸電流所產(chǎn)生的電解作用，會(huì)導(dǎo)致潤滑油炭化，降低潤滑油所具備的潤滑性能和絕緣性能，導(dǎo)致軸承在運(yùn)行中溫度異常升高，軸電流的最大數(shù)值可以達(dá)到上千安，會(huì)對(duì)軸瓦造成嚴(yán)重灼傷。

2 ?水輪發(fā)電機(jī)軸電流的治理措施

以某水電站為例，其設(shè)置有兩臺(tái)120MW沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，其額定轉(zhuǎn)速在300r/min，借助設(shè)置在大軸上的電流互感器，對(duì)軸電流進(jìn)行監(jiān)測。軸電流繼電器的型號(hào)為BZL-10B，其定值可以依照實(shí)際產(chǎn)生的電流值進(jìn)行設(shè)置，在正常運(yùn)行工況下，實(shí)際測量得到的軸電流為0.5A，電機(jī)設(shè)置的軸電流報(bào)警值為1.5A，停機(jī)值為2.0A。自機(jī)組投運(yùn)至今，軸電流檢測裝置曾多次檢測出數(shù)值異常偏大（1.5A～ 2.0A）的軸電流，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

2.1 ?原因排查

（1）設(shè)備檢查。對(duì)于軸電流互感器以及繼電器，在進(jìn)行安裝前，需要做好校驗(yàn)工作，軸電流表采用的是毫安級(jí)電流表，顯示出的電流屬于互感器一次側(cè)電流，輸入和輸出值存在比較明顯的線性關(guān)系。在二次接線中，使用了屏蔽電纜來防范電磁干擾，并將電纜穿過軸電流互感器和大軸之間的縫隙，接通交流電流，對(duì)軸電流表的讀數(shù)進(jìn)行測量，結(jié)果顯示，輸入輸出值正常。

（2）單級(jí)效應(yīng)檢查。水輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電纜需要從勵(lì)磁柜引到相應(yīng)的機(jī)組集電環(huán)，然后借助勵(lì)磁銅排，經(jīng)過相應(yīng)的主軸表面開槽后，自上而下穿越大軸中空位置，并引到轉(zhuǎn)子磁極。軸電流互感器應(yīng)該被安裝到位于轉(zhuǎn)子磁極和滑環(huán)之間的主軸上，由發(fā)電機(jī)主軸和勵(lì)磁電流共同構(gòu)成簡易交流發(fā)電機(jī)，軸電流互感器產(chǎn)生交變電勢，引發(fā)虛假軸電流，不過因?yàn)樵贐ZL-10B繼電器中設(shè)置了相應(yīng)的濾波措施，因此這個(gè)虛假的軸電流實(shí)際上并不會(huì)顯示出來。若因?yàn)檗D(zhuǎn)軸磁化產(chǎn)生軸電流，則軸電流會(huì)隨機(jī)組負(fù)荷的波動(dòng)而發(fā)生變化。機(jī)組負(fù)荷與軸電流的變化情況如表1所示。結(jié)果顯示，機(jī)組運(yùn)行中產(chǎn)生的異常軸電流并非由單級(jí)效應(yīng)引發(fā)[2]。

（3）絕緣檢查。水輪機(jī)運(yùn)行環(huán)節(jié)，如果軸電流達(dá)到甚至超過1.5A，發(fā)出一級(jí)報(bào)警，則需要做好停機(jī)檢查。首先檢查大軸接地碳刷，確保其可靠接地，然后對(duì)主軸上可能存在的接地點(diǎn)進(jìn)行逐一排查，借助500V搖表測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在機(jī)組上導(dǎo)油擋蓋板位置，絕緣電阻的數(shù)值為0.3MΩ，轉(zhuǎn)子回路對(duì)地絕緣在拉開滅磁開關(guān)的情況下為0.5MΩ。對(duì)其進(jìn)行深入檢查，發(fā)現(xiàn)油擋蓋板的邊緣位置和接縫位置存在比較嚴(yán)重的臟污和碳粉沉積問題，集電環(huán)與刷架碳粉沉積和油污嚴(yán)重。對(duì)其進(jìn)行分析，判斷臟污的存在影響了絕緣性能，導(dǎo)致了機(jī)組運(yùn)行過程中軸電流的增大。結(jié)合上述分析，對(duì)相應(yīng)位置的臟污進(jìn)行清理，并對(duì)集電環(huán)、刷架等進(jìn)行擦拭，然后開機(jī)試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)軸電流從原本的1.5A下降到了0.4A～0.5A的正常數(shù)值。連續(xù)運(yùn)行300h后，發(fā)現(xiàn)軸電流再次出現(xiàn)異常升高的情況，從保證機(jī)組運(yùn)行安全的角度，只能定期對(duì)其進(jìn)行檢查和處理，嚴(yán)重影響了機(jī)組運(yùn)行的效率。

2.2 ?治理措施

結(jié)合上述分析可知，導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)絕緣性能下降，軸電流上升的主要原因是碳粉和油污，單純的擦拭和清潔“治標(biāo)不治本”，無法從根本上解決問題。對(duì)此，電站技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)有機(jī)組中的集電環(huán)和碳刷進(jìn)行了改造，增加了碳粉收集裝置，用來避免碳粉沉積的問題。

（1）裝置改造?，F(xiàn)有的水輪發(fā)電機(jī)組中，集電環(huán)截面尺寸為75mm× 40mm，將其改造為85mm×40mm，適當(dāng)增大了集電環(huán)的導(dǎo)電面積，降低了電密，而且在集電環(huán)外圓周采用了螺旋狀溝槽結(jié)構(gòu)，為其通風(fēng)散熱提供了便利，同時(shí)也能夠在一定程度上避免碳粉沉積。對(duì)集電環(huán)和刷架吊桿的絕緣墊圈進(jìn)行了加厚處理，將墊圈改造成了四周高中間低的弧形結(jié)構(gòu)，同樣可以預(yù)防碳粉堆積。導(dǎo)電環(huán)從原本的半環(huán)更換成了整個(gè)圓環(huán)，截面尺寸也從原本的16mm×80mm提高到了20mm×100mm，導(dǎo)電環(huán)電密和溫升顯著降低，也為碳粉收集裝置的安裝留出了足夠的空間?？紤]水電機(jī)組運(yùn)行中轉(zhuǎn)速較高，將碳刷更換為NCC634型號(hào)，尺寸為25mm×32mm×100mm，碳刷額定電流密度0.1A/mm2，相比較原本的碳刷，NCC634碳刷的質(zhì)地更加柔軟均勻，在運(yùn)行過程中對(duì)集電環(huán)的磨損較小，能夠有效減緩機(jī)械磨損造成的損蝕，抑制碳刷打火現(xiàn)象。同時(shí)，碳刷刷握采用的是帶電可拆卸類型，即便是在帶電運(yùn)行的情況下，依然能夠安全方便地對(duì)碳刷進(jìn)行更換，而且其本身還具有鎖定碳刷、指示碳刷磨損程度的相關(guān)功能[3]。

（2）碳粉收集。為了能夠?qū)μ挤圻M(jìn)行收集，減少和避免碳粉在集電環(huán)和碳刷上的沉積，設(shè)置了相應(yīng)的碳粉收集裝置，包含為了密封碳粉收集系統(tǒng)、碳粉回收處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及管路連接系統(tǒng)幾個(gè)組成部分。每一臺(tái)發(fā)電機(jī)組都設(shè)置了兩個(gè)碳粉收集裝置來保證收集效果。導(dǎo)電環(huán)上應(yīng)該設(shè)置相應(yīng)的集塵罩，確保其能夠與集電環(huán)共同形成一個(gè)相對(duì)密閉的空間，將碳粉限制在這個(gè)空間內(nèi)。碳粉收集裝置能夠?qū)⒍嘤嗵挤畚霾⑶沂占谝黄?，能夠有效避免碳粉堆積引發(fā)的絕緣性能下降的問題，而且也可以防止碳粉對(duì)機(jī)組其他零部件的污染。密閉空間內(nèi)的空氣在被吸出后，外部空氣會(huì)持續(xù)補(bǔ)充進(jìn)來，通過不斷循環(huán)來收集碳粉，降低集電環(huán)溫度。在設(shè)置集塵罩時(shí)，應(yīng)該選擇非金屬絕緣材料，借助相應(yīng)模具整體成型，保證其具備足夠的強(qiáng)度，以此來避免老化變形問題。對(duì)于風(fēng)路系統(tǒng)，內(nèi)部管道應(yīng)該選擇軟管，確保其具備良好的耐熱性和抗老化性能，并且利用支架對(duì)管路進(jìn)行固定。吸塵裝置和集電環(huán)的通風(fēng)散熱應(yīng)該采用一體結(jié)構(gòu)，將電機(jī)額定電壓控制在380V，單臺(tái)電機(jī)運(yùn)行功率1.5kW，搭配相應(yīng)的三相電源相序自適應(yīng)功能模塊，能夠有效預(yù)防電機(jī)反轉(zhuǎn)問題，產(chǎn)生的風(fēng)量完全可以同時(shí)滿足碳粉收集和集電環(huán)降溫的需求，風(fēng)機(jī)運(yùn)行中的噪音實(shí)測值為75dB。為了保證碳粉收集裝置的正常運(yùn)行，控制系統(tǒng)設(shè)置了手動(dòng)和自動(dòng)兩種不同的控制模式，可以在現(xiàn)場進(jìn)行手動(dòng)控制，也可以借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)運(yùn)行、系統(tǒng)停止等狀態(tài)的電氣接點(diǎn)獨(dú)立，每一個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)都設(shè)置為兩對(duì)，以此來保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

2.3 ?治理效果

水電站兩臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組的集電環(huán)和刷架改造完成時(shí)間為2018年3月，截止2019年3月，運(yùn)行時(shí)間達(dá)到一年，兩臺(tái)機(jī)組在進(jìn)相和滯相運(yùn)行的狀態(tài)下，軸電流分別穩(wěn)定在0.4A和0.5A，不需要定期進(jìn)行停機(jī)清理，機(jī)組運(yùn)行的連續(xù)性和可靠性大大增強(qiáng)。而在設(shè)置了碳粉收集裝置后，機(jī)組即便是長期在額定120MW、勵(lì)磁電流1100A的工況下運(yùn)行，碳刷溫度依然可以保持在65℃左右，集電環(huán)溫度一般不超過72℃，運(yùn)行溫度的降低能夠有效改善運(yùn)行工況[4]。

3 ?結(jié) ?論

總而言之，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)絕緣性能下降時(shí)，較低的軸電壓也會(huì)帶來較大的軸電流，影響發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。對(duì)此，技術(shù)人員應(yīng)該做好軸電流異常問題的排查工作，分析異常產(chǎn)生的原因，關(guān)注機(jī)組結(jié)構(gòu)問題引發(fā)的軸電流，采取切實(shí)有效的措施和方法，對(duì)軸電流異常升高的問題進(jìn)行解決，將集電環(huán)和碳刷運(yùn)行溫度控制在一個(gè)恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，保證機(jī)組的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，以此來推動(dòng)水電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 補(bǔ)祥高.水電站水輪發(fā)電機(jī)組的常見故障與維護(hù)研究 [J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（8）：30+75.

[2] 李政，李巍，卿啟維.水輪發(fā)電機(jī)軸電流的設(shè)備治理及效果分析 [J].四川水力發(fā)電，2019，38（2）：107-109.

[3] 伍威.水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)試期間振動(dòng)故障處理分析 [J].科技展望，2015，25（26）：102.

[4] 張雷，袁波，汪衛(wèi)平.立式水輪發(fā)電機(jī)組軸承油霧的治理 [J].水電與抽水蓄能，2015，1（3）：43-48.

作者簡介：楊偉文（1967.12-），男，漢族，廣東潮州人，電力技術(shù)員，從事水電廠發(fā)電機(jī)組運(yùn)行檢修三十多年，研究方向：發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備。