基于發電機軸電壓的測量與保護分析

顧濤

（華電國際鄒縣發電廠，山東 鄒城 273522）

0 引言

軸電壓是指發電機在設計、制作、安裝、運作等過程中因為各種不同的因素而導致發電機的轉軸與發電機軸承之間產生了的感應電勢。由于軸承種類的多樣性，每種發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，軸電壓就會經油膜導電或者放電而產生軸電流，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，導致發電機的內部軸承等機械元件被嚴重破壞。因此，為了保證發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，避免發電機因為電力太高而導致軸電流問題發生[1]。

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

1 發電機軸電壓產生的原因及危害

1.1 發電機軸電壓產生的原因

1.1.1 磁不對稱引發的軸電壓

第一，發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，還有鐵芯的通風孔及齒槽的出現都是發電機磁路中磁不對稱現象發生的原因，而且發電機在結構設置時一般是應用分數槽，這樣的設計會出現電樞的不均勻性，產生不平衡的磁通量，就會在發電機的轉子兩端形成相應的軸電壓；第二，在安裝過程中因為技術人員的經驗不足，定、轉子之間存在的氣隙沒有調整到標準水平會引發發電機轉子的中心偏移，造成發電機磁通不對稱的分布，轉子在旋轉時周期進行變換，也將在發電機的轉子兩端形成軸電壓；第三，當發電機運行時，軸瓦和軸承之間由于長時間的接觸會磨損嚴重，會導致轉子偏離中心，轉子的對地絕緣線路發生故障、轉子的線圈匝數之間發生短路以及定子繞組以單向的形式接地。發電機的轉子發生斷條、電源電壓不一致等，都將造成發電機的磁場和氣隙分布不均，在運轉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域存在，機械主軸發生劇烈轉動，切割磁力線會產生電動勢，這種電動勢稱為單極電勢。當發電機正常工作時，剩余磁化強度中產生的單極電勢為毫伏級，對機器沒有太大的影響，可是當軸承轉子的繞組電路被短路或者出現兩點接地現象時，單極電勢的數值會大幅度升高，達到幾伏甚至幾十伏，將產生極大的軸間電流。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，還會引發嚴重的磁化現象，為技術人員維修帶去很大的困難。

1.1.3 高速蒸汽產生靜電現象形成的軸電壓

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

1.1.4 靜態勵磁系統產生的軸電壓

在全世界各地，只要存在發電機的地方，多數都采用靜態勵磁系統，它可以改變電機的轉速，這套系統都是采用全控橋結構，在原有基礎上引進了一個全新的軸電壓源。當交流電壓經過可控硅的調節作用，將會輸出直流電壓以提供發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。靜態勵磁系統中采用三相全控橋的元件時，產生的輸出電壓波形為一個活動周期內會有六個脈沖波。脈沖波的快速變換引起的脈沖電壓由于發電機的轉子作用，本體和勵磁繞組間的電容耦合結構之后將會在軸間出現交流電壓。這種軸電壓一般是呈現脈沖尖峰樣，頻率是300 Hz，它會不斷疊加，與勵磁繞組間產生的軸電壓形成一體，油膜會承受更大的尖峰電壓，當數值增加到一定后，電壓會擊穿油膜，形成強大的軸電流，發電機的機械元件將被嚴重損壞和燒毀[2]。

1.2 發電機軸電壓的危害

（1）由發電機軸電壓產生的原因可以清楚的明白，所有的發電機都會出現軸電壓，軸電壓的大小由于發電機機型還有產生電壓的原因有所不同。通俗一點來說，當電機的質量不好，安裝質量欠缺，沒有按照安裝流程進行安裝，發電機的容量越大，它的氣隙也就越大，結構的不對稱性會更加明顯，磁場的定轉子不平衡程度增加，這些情況軸電壓都會出現增高的現象。（2）發電機的軸電壓只要產生之后都會對軸瓦、軸承、軸頸等機械部件產生較大的威脅。當軸電壓出現低值時，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，這些原因都會導致軸電壓防護措施不能達到想要的結果，甚至根本沒有起到防護作用，最后軸電壓擊穿油膜產生一定的軸電流。當軸電流升高到臨界值時，會破壞發電機油膜的性能，當情況嚴重時發電機的主要部件將被損壞，發電機嚴重磁化后無法再穩定工作。（3）當技術人員在進行檢修時經常發現發電機的側軸面被電腐蝕和電灼傷等情況。尤其是發電機的運行環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，這樣才能保證發電機機械設備的正常工作。

2 發電機軸電壓的測量方法分析

為了解決發電機軸電壓產生的問題，生產操作過程之前是進行過明確規定的，必須要在發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，在發電機軸承與地面間僅僅加一層絕緣板；另外在發電機的軸承側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電機的軸電壓。

2.1 軸電壓直接測量法

發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。在發電機組處于負載和空載時，使用內阻極高的電壓表進行軸端電壓的測量。將發電機的勵磁機側面油膜進行短接，用電壓表測量發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

要把發電機的轉子吊到一定高度，再用500 V或者1000 V的設備進行發電機絕緣。當發電機絕緣電阻測量時，要關注發電機的油管進出情況，要給配件設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

發電機產生的軸電壓對發電機組的運行會造成嚴重的危害，所有必須采取相應措施進行防護和抑制。所以，為了確保發電機組的正常、安全運行，經常利用下面幾種措施進行防范：（1）在發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生軸電壓，為了使汽輪發電機的軸電壓降低，在發電機設計時要盡量減少甚至消除軸電壓中產生的三次諧波分量和五次諧波分量，利用最新的發電機組結構就可以實現這個目的；（3）發電機在安裝時，一定要嚴格遵照廠家的說明書介紹，廠家的工藝設計要求，不要出現發電機轉子離心的情況；（4）因為轉子繞組接地短路會有軸電壓產生，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電機軸承、發電機轉子進出水管和支座、冷發電機的油密封，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電機中感應電壓的形成十分有用。在通常情況下，發電機的汽機是用碳刷來實現接地處理的[4-5]，可大量的經驗和數據表明，在汽機端想要達成較好的接地效果是相當不易的，接地電阻在轉動時會產生很高的表面速度，速度最高可達110 m/s，接近碳刷生產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，大量的油霧會導致碳刷和軸承間出現接觸不良的情況。靜止勵磁系統的可控裝置中有一個電刷也同樣會出現接地故障，晶管在轉換方向時，呈現周期性，會產生周期性脈沖電流，這種電流會通過轉子繞組的方式傳送到軸承上。油霧和轉子高速度運行都會有損傷痕跡出現，這些遺留的痕跡一樣會導致軸承與電刷發生接觸不良。就算在工作期間進行科學合理的維護，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]。

汽輪機的高缸轉子存在自由端部分，轉軸的直徑略小，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換方向時產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。對于大型的汽輪發電機軸承接地絕緣系統而言，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生發電機組被電腐蝕損壞的現象[9-10]；第二，汽輪機軸承接地系統要和原來的裝備實現兼容，不要出現排斥，對于任何的接地系統來說，都要和使用的電機軸監測及保護裝置兼容，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，避免發生危害工作人員生命財產安全的事故[11]；第四，具有接地檢測系統，可以隨時監測機器的工作狀況。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中產生的高頻電壓脈沖，因為在發電機的勵磁端電刷繞過軸承進行接地絕緣時，發電機組存在預見或不能預見的對地接觸，發電機軸感應產生的軸電壓都會有軸電流出現。表中展示了電刷接地系統的運行情況，如表1所示。

4 結語

在我國，電力產業的大機組和大電網正在快速發展，發電機組的單機容量不斷增大，靜態勵磁系統在發電機中的普遍應用，發電機軸電壓和軸電流的產生成為當前發電機安全研究的主要方向，關系著發電機能否正常運行。處理常規的軸承接地、發電機大軸絕緣、勵磁繞組外加阻容濾波器等等保護方法之外，新型的RC軸接地元件和相應的準確監控發電機軸電流、軸電壓還有轉子繞組的接地絕緣情況，這些都是使用實時的監控裝置，使得軸電壓的監控和保護成功進入一個嶄新的階段。發電機勵磁軸承接地處理，到目前為止，這是一項實現設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，可能導致的結果就是引發嚴重發電機工作故障，所以，這個問題必須得到相關研究部門的高度重視。在發電機工作現場，經常會出現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，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，避免后面發電機發生進水或者漏油，導致軸承底座的絕緣電阻值下降，產生發電機軸電壓。每個事物都是不斷的向前發展的，發電機組也不例外，發電機組正在朝著一個更大的目標前行，那就是實現“五高”，即發電機的可控性高、可靠性強、維修率低、利用率高、效率高。良好的發電機軸承工作狀態能夠提供一份有效的效率保證，發電機的工作效率、利用率、可靠性自然得到相應提高。研究發現，靜態勵磁的RC接地電路可以減少系統產生的發電機軸電壓。

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