枕頭壩機(jī)組軸電流產(chǎn)生的原因及對(duì)策

柯 剛， 解 勒， 靳 帥

（國(guó)電大渡河枕頭壩發(fā)電有限公司，四川 樂(lè)山 614700）

引言

發(fā)電機(jī)由于設(shè)計(jì)、制造和安裝不當(dāng)以及運(yùn)行中的一些故障，可能產(chǎn)生軸電流。當(dāng)達(dá)到足夠數(shù)值的軸電流在機(jī)組軸承等部位形成回路時(shí)，則對(duì)傷軸瓦和絕緣部位帶來(lái)極大的損傷，還會(huì)使軸承潤(rùn)滑油炭化，破壞油的潤(rùn)滑性和絕緣性，進(jìn)而釀成軸承表面燒損的事故。枕頭壩水電站水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量180 MW，采用三相立軸半傘式同步發(fā)電機(jī)，軸電流對(duì)運(yùn)行中的機(jī)組會(huì)造成極大的危害。對(duì)發(fā)電機(jī)組軸電流產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究，并針對(duì)性地做出防范措施，可以及時(shí)有效對(duì)機(jī)組運(yùn)行中的隱患進(jìn)行預(yù)防處理，以保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 機(jī)組軸電流形成原理分析

由于受結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)行環(huán)境及設(shè)備材料的影響，大型水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，不可避免地會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)主軸上產(chǎn)生軸電壓，在運(yùn)行中長(zhǎng)期存在，將會(huì)對(duì)軸領(lǐng)與軸瓦產(chǎn)生侵蝕，縮短軸承使用壽命，嚴(yán)重威脅水輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

導(dǎo)致大型機(jī)組軸電流形成的軸電壓主要有以下幾種原因：

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

2）機(jī)組運(yùn)行中的不良工況累積導(dǎo)致產(chǎn)生軸電壓。目前大型水輪發(fā)電機(jī)普遍采用靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，由于機(jī)組運(yùn)行工況不固定，因勵(lì)磁系統(tǒng)的脈動(dòng)分量而引起軸電壓。另外，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油與軸瓦相互摩擦，產(chǎn)生靜電荷，對(duì)轉(zhuǎn)子充電，產(chǎn)生軸電壓，當(dāng)電勢(shì)逐漸增大時(shí)，油膜被擊穿，形成軸電流。

3）機(jī)組運(yùn)行中設(shè)備異常導(dǎo)致產(chǎn)生軸電壓。主要針對(duì)于轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地引起的情況。形成的這種電流通常比較大，通常會(huì)引起發(fā)電機(jī)劇烈振動(dòng)和大軸磁化燒軸、燒軸瓦等嚴(yán)重后果，并且伴隨著轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地信號(hào)出現(xiàn)。

2 軸電流的危害

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，由于機(jī)械部件的旋轉(zhuǎn)作用，在機(jī)組轉(zhuǎn)子主軸軸領(lǐng)與軸瓦之間形成油膜，該油膜起到很好的潤(rùn)滑作用，同時(shí)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(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速未達(dá)到額定時(shí)，軸瓦與軸領(lǐng)的潤(rùn)滑油膜還未穩(wěn)定形成，此時(shí)若達(dá)到一定強(qiáng)度的軸電壓將會(huì)擊穿油膜而放電，通過(guò)主軸、軸承、機(jī)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(duì)軸承潤(rùn)滑油的損害也是致命的，會(huì)導(dǎo)致油質(zhì)變差、油色變黑，進(jìn)而降低潤(rùn)滑性能，導(dǎo)致軸承瓦的熱累積。由于潤(rùn)滑油的變質(zhì)，還會(huì)引起軸承油膜電阻的急劇下降，引發(fā)更多的軸電流流過(guò)該區(qū)域，造成更大的危害，破壞機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 枕頭壩機(jī)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(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和布置情況，發(fā)電機(jī)軸電流回路主要由大軸、上端軸、接地碳刷、瓦、機(jī)架、短路油膜、軸與軸承之間的絕緣油或間隙構(gòu)成。因此軸電流可能產(chǎn)生的位置位于上端軸軸領(lǐng)與上導(dǎo)瓦之間，推力軸承鏡板與推力瓦之間，下導(dǎo)軸承瓦與軸領(lǐng)之間。

3.2 枕頭壩機(jī)組軸電流檢測(cè)手段及防范措施

在機(jī)組投運(yùn)的實(shí)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(dá)到避免軸電流損傷的目的。枕頭壩機(jī)組具體采取的措施有：

1）枕頭壩機(jī)組為半傘式，機(jī)組的防軸電流絕緣結(jié)構(gòu)采用的方法是，在滑轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)（即上端軸）與滑轉(zhuǎn)子之間加入絕緣層，熱壓絕緣，熱套滑轉(zhuǎn)子后作為整體的滑轉(zhuǎn)子使用，安裝后不再需要分解。采用該方式以后，導(dǎo)軸承瓦的背部以及下側(cè)不必設(shè)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(dú)設(shè)置防止軸電流的絕緣措施。

3）接地碳刷安裝在發(fā)電機(jī)大軸下部，可以降低軸電位，與轉(zhuǎn)軸可靠接觸，保證轉(zhuǎn)軸電位為零電位，同使接地碳刷在運(yùn)行中保證可靠接地，并且以此限制轉(zhuǎn)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(hù)裝置的應(yīng)用

4.1 監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用

為防止因機(jī)組上端軸軸領(lǐng)處的絕緣損壞，形成軸電流損傷上導(dǎo)軸承，同時(shí)防止運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的軸電流過(guò)大，損傷下導(dǎo)軸承，因此將枕頭壩水電站軸電流監(jiān)測(cè)裝置裝于推力軸承下部，裝置將對(duì)其進(jìn)行在線檢測(cè)，并根據(jù)軸電流大小根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要可以設(shè)置兩級(jí)輸出。目前，枕頭壩機(jī)組采用軸電流互感器(TA)對(duì)軸電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并依據(jù)其精確感應(yīng)出的基波軸電流和三次諧波軸電流來(lái)設(shè)置保護(hù)，同時(shí)對(duì)感應(yīng)的高次諧波記錄，從而分析機(jī)組工況，保護(hù)裝置將根據(jù)大軸TA采集到的軸電流值動(dòng)作于報(bào)警或停機(jī)。

4.2 保護(hù)原理及配置

枕頭壩水電站采用將軸電流信號(hào)接入RCS-985GW發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置的方式監(jiān)測(cè)水輪發(fā)電機(jī)大軸產(chǎn)生的軸電流變化。軸電流互感器二次側(cè)輸入裝置數(shù)值（0～100 mA模擬量）與軸電流（0～100 A）實(shí)際數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，當(dāng)確認(rèn)軸電流超過(guò)報(bào)警整定值后，保護(hù)裝置輸出報(bào)警接點(diǎn)送入監(jiān)控系統(tǒng)提醒維護(hù)人員及時(shí)查找原因并排除故障；當(dāng)確認(rèn)軸電流超過(guò)啟動(dòng)事故停機(jī)整定值后，保護(hù)裝置可輸出啟動(dòng)事故停機(jī)信號(hào)送入監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)事故停機(jī)流程，從而很好地起到了電機(jī)裝置的保護(hù)作用。

5 結(jié)語(yǔ)

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