三板溪電廠立式水輪發電機軸電流超標現象分析與處理

鄒科

摘 要：本文介紹了三板溪水電廠發電機運行中軸電流過大原因及采取的相關處理對策。

關鍵詞：軸電流；超標；軸電流互感器；屏蔽

Abstract：This paper introduced the related treatment measures reasons of Sanbanxi Hydropower Plant Generator axial current and take.

Keywords： shaft， shaft current， exceed the standard current transformer， shielding

一、軸電流的危害

機組正常運行中，在發電機轉子主軸軸領與軸瓦之間有油膜存在，油膜起到潤滑作用，在一定電壓下也能起絕緣的作用。對于較低的軸電壓，這層潤滑油膜能滿足主軸軸領與軸瓦的絕緣要求，因此不會產生軸電流。但當軸電壓增加到一定數值后，尤其在發電機起動階段，軸瓦與軸領的潤滑油膜還未穩定形成，軸電壓將擊穿油膜而放電，此時軸電壓將通過主軸、軸承、機座、主軸而形成環形短路電流，從而形成軸電流。軸電流將從軸瓦和軸領的金屬接觸點通過，由于該金屬接觸面很小，同時軸電流回路阻抗很小，可在瞬間產生高溫，使軸瓦部燒熔，產生電蝕凹坑及樹枝放電痕跡等。

二、產生軸電壓和軸電流的主要原因

（1）、發電機制造安裝或運行中因磁路不對稱引起的軸電壓。由于發電機定子與轉子不同心，即氣隙不均勻，轉子的硅鋼片厚度、位置不合理，轉子繞組匝間短路等原因，可能在轉子-軸承-外殼的環路中感應出交流電勢。除了轉子繞組匝間短路外這種交流電勢一般不大，產生的軸電流也不大，但在轉子匝間短路，或發電機推力瓦承座、導瓦承座、油管、地腳螺栓、銷釘等對外殼之間由于某種原因絕緣損壞時，就會產生很大的軸電流。這種軸電壓的特點是有相對比較固定的頻率，可以用示波器觀察到。

（2）、轉子發生磁化而產生的單極電勢。當干燥定子時采用過大的直流電、在機組附近使用電焊機或磁力起重機等設備時或發電機故障時，磁通通過機殼和轉子使轉子發生磁化，之后產生并保留一定的剩磁。磁力線在軸瓦處產生幅向支流，當機組轉動時，就會以發電機或渦流制動的方式產生電勢，從而產生軸電流。

（3）、轉子繞組一點接地而產生的軸電壓。這種軸電壓產生的電流通常比較大，并且伴隨著轉子一點接地信號出現，通常會引起發電機劇烈振動和大軸磁化燒軸、燒軸瓦等嚴重后果。

以上各種因素若共同作用，會進一步增強軸電壓。

三、發電機軸電流監測手段及防范措施

由于軸電流造成的損傷危害大后果嚴重，因此大型發電機組對防止軸電流的產生要求更高。完全避免產生軸電壓是幾乎不可能的，因此減小或消除軸電流引起的損傷，主要手段就是限制軸電壓的升高和提高軸承絕緣。一般認為，足以引起軸電流損傷的電壓在20V以上，典型的軸承損傷電壓在30～100V之間。如果把軸電壓降到10V以下，基本上就可以消除軸電流帶來的故障。而提高軸承絕緣，可阻斷軸電流回路，從而消除軸電流的損傷。

因此，根據水輪發電機的結構特點，從上述兩方面分別采取措施，即對下端軸采用限制軸電壓的升高，上端軸采用提高軸承的絕緣等兩方面采取措施。在水電廠生產現場常采用防護軸電流的主要措施有：

（1）、在發電機下端軸下部安裝接地碳刷，以降低軸電位，使接地碳刷可靠接地，并且與轉軸可靠接觸，保證轉軸電位為零電位，以此限制轉子下部軸電壓，從而消除軸電流的傷害。

（2）、對于傘式機組，則采取提高上導軸承絕緣水平的方法阻斷軸電流回路。對于懸式機組，除了提高上導軸承絕緣水平外，還在推力頭與鏡板間加一層絕緣。以切斷軸電流的回路。

三板溪水電站發電機上端軸采用哈爾濱電機廠新型結構，即上端軸由軸身、滑轉子、絕緣材料等組成。

軸身和滑轉子在工廠分別精加工后，滑轉子熱套在軸身上，在熱套前在軸身與滑轉子接觸立面，貼上一層哈爾濱電機廠專用絕緣紙，在接觸上平面墊上絕緣環。熱套完成后用1000V絕緣測試儀測量軸身與滑轉子之間的絕緣，設計要求絕緣值大于1MΩ。三板溪水電站水輪發電機的軸電流防護，正是結合這種特殊的結構，結合常規防護手段，共同實現發電機的軸電流防護目的。

發電機上導軸承絕緣防護與常規絕緣防護相比，有以下幾個特點：

A、由于不在上導瓦與軸承支座間加裝絕緣墊板，從而簡化了上導瓦安裝與調整工作，且使上導軸承運行穩定可靠。

B、由于下導瓦采用朔料瓦，從而加強了瓦與軸之間絕緣，減少了軸電流形成回路，從而達到減小軸電流提高下導軸承運行穩定可靠性。

C、由于滑轉子與軸身間的絕緣紙是熱套進去后再加工，使得軸身與滑轉子結合緊密，且運行中滑轉子只承受徑向力，從而降低了絕緣紙磨損損壞的可能，運行可靠性得到提高。目前在我國運行的哈爾濱電機廠機組基本上是此類結構。

但由于結構特殊，對機組檢修和維護也帶來新問題，主要有：

A、一旦絕緣紙故障，現場無法修復，必需返廠修復，且修復時間相對較長。因此，考慮正常時電廠哈爾濱電機廠特種絕緣紙作為備品考慮，絕緣損壞時，臨時用絕緣紙做軸瓦防護，待機組大修處理。

C、檢查滑轉子與軸身絕緣工作困難。由于結構特殊，進行絕緣檢查工作，必需將上導瓦、集電環碳刷拆除后，方可進行檢查工作，帶來工作量的成倍增加。當然如果軸電流監測正常，此工作可以放在機組大修時進行，一般性檢修可不檢查。

為防止一旦上端軸絕緣損壞，形成軸電流損傷上導軸承，三板溪水電站在上導軸承油箱下部裝設BZL-10B型軸電流保護裝置。該裝置能檢測軸電流一次側0.1～2.0A的軸電流。因此一旦上端軸絕緣受損產生軸電流，保護裝置將進行在線檢測，并根據軸電流大小設置兩級輸出，一級軸電流達到0.5A報警，二級軸電流達到1.5A跳閘。

四、軸電流問題改造對策：

1、將軸電流互感器二次電纜采用專用屏蔽電纜，電纜一端屏蔽層可靠接地。

2、購置、安裝一套新的軸電流互感器，將軸電流互感器安裝位置移位，從發電機風洞移到水車室原接地碳刷處。

3、退出軸電流繼電器試驗繞組，將其工作繞組和試驗繞組所用軸電流CT串聯，接入繼電器的工作繞組，這樣CT變比由原來的400/1變為800/1，相對軸電流繼電器量程由原來的0～2.55A變為0～5.1A，以達到有效監視發電機運行過程中大軸絕緣的目的。

4、BZL-10B型軸電流裝置原理框圖：

五、改造效果及總結：

改造項目旨在弱化電磁場對測量的干擾，降低軸電壓，減少軸電流。此次改造極大的弱化了發電機定、轉子磁場、漏磁通、電磁渦流對測量的影響。改造完成后，機組并網，隨著有功負荷的不斷加大，軸電流值成正相關增長趨勢，運行機組的各項數據均在規程要求范圍內。機組滿負荷軸電流由原先2.70A（規程規定不超過2A）變為0.60A，軸電流大大減小。同時，消除了軸電流保護頻繁報警故障，實現了對水輪發電機大軸軸電流和轉子絕緣水平的實時監測。

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