徐偉揚(yáng)，李冬翠，楊柯

（浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310030）

水輪發(fā)電機(jī)在帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，會(huì)在轉(zhuǎn)子上下兩端產(chǎn)生感應(yīng)軸電壓，盡管軸電壓數(shù)值上不會(huì)太大，僅有幾伏，但因?yàn)橹鬏S電阻很小，一旦軸承油膜遭到破壞，在主軸和軸瓦之間就會(huì)產(chǎn)生比較大的軸承回路電流，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，軸承電密達(dá)到或超過0.2A/cm2時(shí)，潤滑油膜就會(huì)發(fā)生碳化，使?jié)櫥蜐櫥Ч档?，?dǎo)致軸瓦溫度升高，影響到發(fā)電機(jī)機(jī)組的安全運(yùn)行，嚴(yán)重的會(huì)引起發(fā)電機(jī)重大運(yùn)行事故。目前，對(duì)軸電流還缺乏有效的計(jì)算分析手段，如烏江三岔河的引子渡電站2#機(jī)發(fā)現(xiàn)軸電流偏大，發(fā)電廠邀請(qǐng)了專家進(jìn)行分析，但未能分析出軸電流偏大的原因。一般來說，廠家會(huì)根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定最大軸電流報(bào)警，一旦發(fā)現(xiàn)軸電流偏大或異常變大時(shí)，必須停機(jī)進(jìn)行故障排除。

為減少軸電流，防止軸承燒損，一般制造廠家都會(huì)在設(shè)計(jì)上采取一定的防范措施，如設(shè)置絕緣、裝設(shè)軸電流檢測裝置，可以防止軸承燒損，確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 軸電流的產(chǎn)生及其危害

發(fā)電機(jī)的軸電流，通常隨著發(fā)電機(jī)負(fù)荷變化、勵(lì)磁電流變化而變化。產(chǎn)生軸電流的前提條件是主軸兩端存在軸電壓，軸電壓的產(chǎn)生，一般認(rèn)為有以下主要原因。

（1）定子鐵心通常采用較薄的硅鋼片疊壓而成，片間存在接縫，同時(shí)定子、轉(zhuǎn)子之間不可避免的存在一定的偏心，國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這個(gè)偏心值有硬性要求，定轉(zhuǎn)子各處的實(shí)際氣隙偏差不得超過定轉(zhuǎn)子氣隙的8%。定轉(zhuǎn)子之間存在偏心，使氣隙磁場不均勻，因氣隙磁場是旋轉(zhuǎn)的，而主軸中心與旋轉(zhuǎn)磁場中心又不會(huì)完全一致，就會(huì)在發(fā)電機(jī)主軸上產(chǎn)生交變磁通，產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢(shì)，該感應(yīng)電勢(shì)就是軸電壓。

（2）軸承絕緣的損壞是產(chǎn)生過大軸電流的重要原因，在發(fā)電機(jī)適當(dāng)位置設(shè)置軸電流絕緣是水輪發(fā)電機(jī)的基本要求。絕緣設(shè)置位置不當(dāng)，機(jī)組長期運(yùn)行后，設(shè)置在油槽內(nèi)的絕緣受到潤滑油的長期侵蝕而被乳化，降低了絕緣性能，從而不能有效阻斷軸電流通過軸承形成回路。

軸電流主要危害：當(dāng)軸電壓形成后，就會(huì)在主軸、軸瓦、機(jī)架、基礎(chǔ)之間形成閉合回路，產(chǎn)生軸承電流。發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)體和軸承之間有很薄的一層油膜，油膜本身也具有一定的絕緣性能，但如果軸電流偏大，長期運(yùn)行后會(huì)引起潤滑油電蝕碳化，最終形成干摩擦而軸瓦燒損。

2 軸電流的監(jiān)測

水輪發(fā)電機(jī)不可避免的存在軸電流，既然軸電流對(duì)機(jī)組的運(yùn)行存在安全隱患，那么對(duì)軸電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測就非常重要了，目前對(duì)軸電流有多鐘監(jiān)控手段，采用安裝空心環(huán)軸電流傳感器的方式最為普遍，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)電機(jī)大軸的軸電流大小及其變化。當(dāng)軸電流超過整定值時(shí)（整定值通常為5A），控制器輸出二級(jí)報(bào)警模擬量信號(hào)。軸電流檢測系統(tǒng)的原理見圖1。

圖1

環(huán)抱于大軸的軸電流互感器實(shí)時(shí)監(jiān)測主軸的電流變化，該變化量經(jīng)過變換和隔離放大將數(shù)據(jù)傳送到PLC集成模塊進(jìn)行采樣，PLC對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、轉(zhuǎn)換處理，精確得出與主軸電流對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。顯示器可顯示實(shí)際的主軸電流值，PLC對(duì)采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定的報(bào)警值比較，確定報(bào)警輸出狀態(tài)。檢測器輸出的4～20mA的模擬量與主軸電流0～5A成線性關(guān)系。當(dāng)報(bào)警器啟動(dòng)時(shí)，說明主軸電流偏大，此時(shí)應(yīng)及時(shí)停機(jī)進(jìn)行檢查，排除隱患。

3 減小和防范軸電流的措施

針對(duì)軸電流不同的產(chǎn)生原因，從設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)該考慮采取一些措施來減小軸電流。

（1）鐵心拉緊螺桿、定位筋等部位的磁感應(yīng)引起的磁路變化，很難通過計(jì)算判斷其對(duì)發(fā)電機(jī)軸電流大小及變化的影響；定轉(zhuǎn)子的圓度偏差、安裝氣隙的不均勻引起的磁場不均勻，是可以通過對(duì)安裝的嚴(yán)格要求加以改善，通常定轉(zhuǎn)子氣隙偏差應(yīng)按目標(biāo)值為氣隙的3%進(jìn)行控制。

（2）電磁設(shè)計(jì)，應(yīng)綜合考慮發(fā)電機(jī)磁極數(shù)量、定子分瓣數(shù)、定子鐵心圓周方向沖片接縫數(shù)量以及電網(wǎng)頻率的關(guān)系。若2×Z/N（N表示發(fā)電機(jī)磁極數(shù)量，Z表示分瓣定子的分瓣數(shù)量或鐵心沖片的圓周接縫數(shù)量）約分后，如分子數(shù)為偶數(shù)時(shí)，那么在主軸上就不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，反之，如分子為奇數(shù)，那么在大軸上會(huì)感應(yīng)出分子倍數(shù)的電網(wǎng)頻率的軸電壓。同時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低鐵心軛部的磁通強(qiáng)度、減少定子鐵心分瓣處和鐵心沖片合縫處的磁阻等措施來有效降低磁路不均勻，從而減少軸電壓。

（3）可控硅靜止勵(lì)磁裝置提供勵(lì)磁電流，雖然勵(lì)磁電流是直流電，但同時(shí)含有高頻成分，而且勵(lì)磁銅排或勵(lì)磁電纜往往沿主軸布置，容易在主軸上感應(yīng)出軸電壓。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，周寧水電站曾經(jīng)出現(xiàn)過因勵(lì)磁引線高頻對(duì)主軸的干擾而出現(xiàn)高電壓報(bào)警的事例，應(yīng)盡量使勵(lì)磁銅排或勵(lì)磁電纜離開主軸表面的距離大一些。

圖2

（4）阻斷軸電流通過軸瓦而形成軸承電流回路無疑是防范軸瓦因軸電流而燒損的簡單而最有效措施。各廠家都會(huì)考慮設(shè)置絕緣墊的方式來達(dá)到這個(gè)目的，但各個(gè)廠家根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，絕緣設(shè)置的位置不盡相同。對(duì)于全傘式發(fā)電機(jī)，因其不設(shè)置上導(dǎo)軸承，上機(jī)架本身與旋轉(zhuǎn)部分不接觸，一般不設(shè)置絕緣。對(duì)于懸式和半傘式發(fā)電機(jī)，通常在圖2中所示的這些位置中設(shè)置絕緣。絕緣設(shè)置位置及特點(diǎn)說明。

位置①：可以有效的阻斷軸承電流回路。絕緣通過特定工藝布置在上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子與主軸之間，不與潤滑油接觸，避免了長期運(yùn)行后絕緣性能下降，不需在其他部位再設(shè)置絕緣，如浙富公司習(xí)慣采用該絕緣方式，且絕緣性能可靠。

位置②：如發(fā)電機(jī)為懸式結(jié)構(gòu)，且推力瓦為巴氏合金瓦，在位置②處設(shè)置絕緣外，還需在位置④設(shè)置絕緣，同時(shí)阻斷上導(dǎo)瓦與主軸的回路及推力瓦與主軸的回路，工藝制作簡單，弊端是絕緣材料與潤滑油接觸，長期運(yùn)行后使絕緣性能下降，曾有電站發(fā)生推力頭、鏡板受軸電流電蝕的破壞。如推力瓦材料為塑料瓦，因塑料瓦的摩擦面材料為聚四氟乙烯，本身具有絕緣性能，那么僅設(shè)置位置②的絕緣就夠了。

位置③：絕緣設(shè)在上導(dǎo)軸承支撐環(huán)上，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求高，同時(shí)還與設(shè)在位置②一樣，如推力瓦材料為巴氏合金，還需再設(shè)置位置④的絕緣。不利因數(shù)是一定程度上減少了導(dǎo)軸承支撐的剛度。

綜合以上各處設(shè)置絕緣，位置①相比其他位置來說，絕緣結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，制造時(shí)經(jīng)過可靠的防潮和密封處理，制造后經(jīng)過嚴(yán)格的絕緣性能監(jiān)測，可以確保機(jī)組長期運(yùn)行后其絕緣性能不下降。

4 結(jié)語

水輪發(fā)電機(jī)的軸電壓、軸電流是必然存在的，如何減小軸電壓、軸電流和如何防范軸電流對(duì)軸承的破壞是各制造廠家都非常關(guān)注的問題。軸電壓、軸電流目前還沒有有效的計(jì)算分析方法，大多時(shí)候都是按各制造廠家的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定報(bào)警值，一旦出現(xiàn)超標(biāo)，再進(jìn)行隱患排除。本文簡要說明了產(chǎn)生軸電壓、軸電流的因數(shù)，提出如何減小軸電壓、軸電流以及如何對(duì)軸承進(jìn)行保護(hù)的說明。