枕头坝机组轴电流产生的原因及对策

柯 刚， 解 勒， 靳 帅

（国电大渡河枕头坝发电有限公司，四川 乐山 614700）

引言

发电机由于设计、制造和安装不当以及运行中的一些故障，可能产生轴电流。当达到足够数值的轴电流在机组轴承等部位形成回路时，则对伤轴瓦和绝缘部位带来极大的损伤，还会使轴承润滑油炭化，破坏油的润滑性和绝缘性，进而酿成轴承表面烧损的事故。枕头坝水电站水轮发电机组单机容量180 MW，采用三相立轴半伞式同步发电机，轴电流对运行中的机组会造成极大的危害。对发电机组轴电流产生机理进行研究，并针对性地做出防范措施，可以及时有效对机组运行中的隐患进行预防处理，以保证机组安全稳定运行。

1 机组轴电流形成原理分析

由于受结构形式、运行环境及设备材料的影响，大型水轮发电机组在运行过程中，不可避免地会导致发电机主轴上产生轴电压，在运行中长期存在，将会对轴领与轴瓦产生侵蚀，缩短轴承使用寿命，严重威胁水轮发电机组的安全运行。

导致大型机组轴电流形成的轴电压主要有以下几种原因：

1）机组自身的先天性不足导致的轴电压。主要是指由于水轮发电机组机械部件因制造安装精度不够或运行中因磁路不对称所导致。由于发电机定转子间气隙不均匀，转子叠片厚度、位置分布不合理，转子绕组匝间短路等原因，可能在转子－轴承－外壳的环路中感应出交流电势。

2）机组运行中的不良工况累积导致产生轴电压。目前大型水轮发电机普遍采用静止励磁系统，由于机组运行工况不固定，因励磁系统的脉动分量而引起轴电压。另外，发电机转动时，润滑油与轴瓦相互摩擦，产生静电荷，对转子充电，产生轴电压，当电势逐渐增大时，油膜被击穿，形成轴电流。

3）机组运行中设备异常导致产生轴电压。主要针对于转子绕组一点接地引起的情况。形成的这种电流通常比较大，通常会引起发电机剧烈振动和大轴磁化烧轴、烧轴瓦等严重后果，并且伴随着转子一点接地信号出现。

2 轴电流的危害

机组正常运行时，由于机械部件的旋转作用，在机组转子主轴轴领与轴瓦之间形成油膜，该油膜起到很好的润滑作用，同时也起到一定的绝缘作用，有助于阻断轴电流的通路。但在发电机启动转速未达到额定时，轴瓦与轴领的润滑油膜还未稳定形成，此时若达到一定强度的轴电压将会击穿油膜而放电，通过主轴、轴承、机座、主轴而形成环形短路电流，从而形成轴电流。

另外轴电流对轴承润滑油的损害也是致命的，会导致油质变差、油色变黑，进而降低润滑性能，导致轴承瓦的热累积。由于润滑油的变质，还会引起轴承油膜电阻的急剧下降，引发更多的轴电流流过该区域，造成更大的危害，破坏机组运行的稳定性。

3 枕头坝机组轴电流的防范措施

3.1 轴电流产生位置分析

根据枕头坝机组的结构特点和布置情况，发电机轴电流回路主要由大轴、上端轴、接地碳刷、瓦、机架、短路油膜、轴与轴承之间的绝缘油或间隙构成。因此轴电流可能产生的位置位于上端轴轴领与上导瓦之间，推力轴承镜板与推力瓦之间，下导轴承瓦与轴领之间。

3.2 枕头坝机组轴电流检测手段及防范措施

在机组投运的实践中，通常采用提高轴承绝缘的方法，以阻断轴电流回路，从而从根本上达到避免轴电流损伤的目的。枕头坝机组具体采取的措施有：

1）枕头坝机组为半伞式，机组的防轴电流绝缘结构采用的方法是，在滑转子内环（即上端轴）与滑转子之间加入绝缘层，热压绝缘，热套滑转子后作为整体的滑转子使用，安装后不再需要分解。采用该方式以后，导轴承瓦的背部以及下侧不必设置绝缘，便足以切断轴电流的回路。

2）推力轴承由于采用弹性金属塑料瓦，瓦面具有电气绝缘性能，不需要轴绝缘即可防止轴电流，因此在推力轴承处不需要单独设置防止轴电流的绝缘措施。

3）接地碳刷安装在发电机大轴下部，可以降低轴电位，与转轴可靠接触，保证转轴电位为零电位，同使接地碳刷在运行中保证可靠接地，并且以此限制转子下部轴电压，消除轴电流产生的根源。其安装布置如图1所示。

图1 防止轴电流措施示意图

4 轴电流保护装置的应用

4.1 监测装置的应用

为防止因机组上端轴轴领处的绝缘损坏，形成轴电流损伤上导轴承，同时防止运行过程中产生的轴电流过大，损伤下导轴承，因此将枕头坝水电站轴电流监测装置装于推力轴承下部，装置将对其进行在线检测，并根据轴电流大小根据现场需要可以设置两级输出。目前，枕头坝机组采用轴电流互感器(TA)对轴电流进行实时监测，并依据其精确感应出的基波轴电流和三次谐波轴电流来设置保护，同时对感应的高次谐波记录，从而分析机组工况，保护装置将根据大轴TA采集到的轴电流值动作于报警或停机。

4.2 保护原理及配置

枕头坝水电站采用将轴电流信号接入RCS-985GW发电机保护装置的方式监测水轮发电机大轴产生的轴电流变化。轴电流互感器二次侧输入装置数值（0～100 mA模拟量）与轴电流（0～100 A）实际数据相对应，当确认轴电流超过报警整定值后，保护装置输出报警接点送入监控系统提醒维护人员及时查找原因并排除故障；当确认轴电流超过启动事故停机整定值后，保护装置可输出启动事故停机信号送入监控系统启动事故停机流程，从而很好地起到了电机装置的保护作用。

5 结语

本文通过分析轴电流和轴电压的成因，并结合枕头坝水轮发电机组安装布置结构，分析轴电流产生的位置，指出轴电流的防范措施。同时，针对轴电流形成的根本原因，采取必要的措施，可以有效地为机组安全稳定运行提供保证。枕头坝水电站机组通过在现场加装大轴接地碳刷、加强轴承座与支架的绝缘以及定期检查润滑介质油等有效措施，从根本上消除了轴电流形成的途径，在运行中取得了良好的效果。