三板溪电厂立式水轮发电机轴电流超标现象分析与处理

邹科

摘 要：本文介绍了三板溪水电厂发电机运行中轴电流过大原因及采取的相关处理对策。

关键词：轴电流；超标；轴电流互感器；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、轴电流的危害

机组正常运行中，在发电机转子主轴轴领与轴瓦之间有油膜存在，油膜起到润滑作用，在一定电压下也能起绝缘的作用。对于较低的轴电压，这层润滑油膜能满足主轴轴领与轴瓦的绝缘要求，因此不会产生轴电流。但当轴电压增加到一定数值后，尤其在发电机起动阶段，轴瓦与轴领的润滑油膜还未稳定形成，轴电压将击穿油膜而放电，此时轴电压将通过主轴、轴承、机座、主轴而形成环形短路电流，从而形成轴电流。轴电流将从轴瓦和轴领的金属接触点通过，由于该金属接触面很小，同时轴电流回路阻抗很小，可在瞬间产生高温，使轴瓦部烧熔，产生电蚀凹坑及树枝放电痕迹等。

二、产生轴电压和轴电流的主要原因

（1）、发电机制造安装或运行中因磁路不对称引起的轴电压。由于发电机定子与转子不同心，即气隙不均匀，转子的硅钢片厚度、位置不合理，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。除了转子绕组匝间短路外这种交流电势一般不大，产生的轴电流也不大，但在转子匝间短路，或发电机推力瓦承座、导瓦承座、油管、地脚螺栓、销钉等对外壳之间由于某种原因绝缘损坏时，就会产生很大的轴电流。这种轴电压的特点是有相对比较固定的频率，可以用示波器观察到。

（2）、转子发生磁化而产生的单极电势。当干燥定子时采用过大的直流电、在机组附近使用电焊机或磁力起重机等设备时或发电机故障时，磁通通过机壳和转子使转子发生磁化，之后产生并保留一定的剩磁。磁力线在轴瓦处产生幅向支流，当机组转动时，就会以发电机或涡流制动的方式产生电势，从而产生轴电流。

（3）、转子绕组一点接地而产生的轴电压。这种轴电压产生的电流通常比较大，并且伴随着转子一点接地信号出现，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。

以上各种因素若共同作用，会进一步增强轴电压。

三、发电机轴电流监测手段及防范措施

由于轴电流造成的损伤危害大后果严重，因此大型发电机组对防止轴电流的产生要求更高。完全避免产生轴电压是几乎不可能的，因此减小或消除轴电流引起的损伤，主要手段就是限制轴电压的升高和提高轴承绝缘。一般认为，足以引起轴电流损伤的电压在20V以上，典型的轴承损伤电压在30～100V之间。如果把轴电压降到10V以下，基本上就可以消除轴电流带来的故障。而提高轴承绝缘，可阻断轴电流回路，从而消除轴电流的损伤。

因此，根据水轮发电机的结构特点，从上述两方面分别采取措施，即对下端轴采用限制轴电压的升高，上端轴采用提高轴承的绝缘等两方面采取措施。在水电厂生产现场常采用防护轴电流的主要措施有：

（1）、在发电机下端轴下部安装接地碳刷，以降低轴电位，使接地碳刷可靠接地，并且与转轴可靠接触，保证转轴电位为零电位，以此限制转子下部轴电压，从而消除轴电流的伤害。

（2）、对于伞式机组，则采取提高上导轴承绝缘水平的方法阻断轴电流回路。对于悬式机组，除了提高上导轴承绝缘水平外，还在推力头与镜板间加一层绝缘。以切断轴电流的回路。

三板溪水电站发电机上端轴采用哈尔滨电机厂新型结构，即上端轴由轴身、滑转子、绝缘材料等组成。

轴身和滑转子在工厂分别精加工后，滑转子热套在轴身上，在热套前在轴身与滑转子接触立面，贴上一层哈尔滨电机厂专用绝缘纸，在接触上平面垫上绝缘环。热套完成后用1000V绝缘测试仪测量轴身与滑转子之间的绝缘，设计要求绝缘值大于1MΩ。三板溪水电站水轮发电机的轴电流防护，正是结合这种特殊的结构，结合常规防护手段，共同实现发电机的轴电流防护目的。

发电机上导轴承绝缘防护与常规绝缘防护相比，有以下几个特点：

A、由于不在上导瓦与轴承支座间加装绝缘垫板，从而简化了上导瓦安装与调整工作，且使上导轴承运行稳定可靠。

B、由于下导瓦采用朔料瓦，从而加强了瓦与轴之间绝缘，减少了轴电流形成回路，从而达到减小轴电流提高下导轴承运行稳定可靠性。

C、由于滑转子与轴身间的绝缘纸是热套进去后再加工，使得轴身与滑转子结合紧密，且运行中滑转子只承受径向力，从而降低了绝缘纸磨损损坏的可能，运行可靠性得到提高。目前在我国运行的哈尔滨电机厂机组基本上是此类结构。

但由于结构特殊，对机组检修和维护也带来新问题，主要有：

A、一旦绝缘纸故障，现场无法修复，必需返厂修复，且修复时间相对较长。因此，考虑正常时电厂哈尔滨电机厂特种绝缘纸作为备品考虑，绝缘损坏时，临时用绝缘纸做轴瓦防护，待机组大修处理。

C、检查滑转子与轴身绝缘工作困难。由于结构特殊，进行绝缘检查工作，必需将上导瓦、集电环碳刷拆除后，方可进行检查工作，带来工作量的成倍增加。当然如果轴电流监测正常，此工作可以放在机组大修时进行，一般性检修可不检查。

为防止一旦上端轴绝缘损坏，形成轴电流损伤上导轴承，三板溪水电站在上導轴承油箱下部装设BZL-10B型轴电流保护装置。该装置能检测轴电流一次侧0.1～2.0A的轴电流。因此一旦上端轴绝缘受损产生轴电流，保护装置将进行在线检测，并根据轴电流大小设置两级输出，一级轴电流达到0.5A报警，二级轴电流达到1.5A跳闸。

四、轴电流问题改造对策：

1、将轴电流互感器二次电缆采用专用屏蔽电缆，电缆一端屏蔽层可靠接地。

2、购置、安装一套新的轴电流互感器，将轴电流互感器安装位置移位，从发电机风洞移到水车室原接地碳刷处。

3、退出轴电流继电器试验绕组，将其工作绕组和试验绕组所用轴电流CT串联，接入继电器的工作绕组，这样CT变比由原来的400/1变为800/1，相对轴电流继电器量程由原来的0～2.55A变为0～5.1A，以达到有效监视发电机运行过程中大轴绝缘的目的。

4、BZL-10B型轴电流装置原理框图：

五、改造效果及总结：

改造项目旨在弱化电磁场对测量的干扰，降低轴电压，减少轴电流。此次改造极大的弱化了发电机定、转子磁场、漏磁通、电磁涡流对测量的影响。改造完成后，机组并网，随着有功负荷的不断加大，轴电流值成正相关增长趋势，运行机组的各项数据均在规程要求范围内。机组满负荷轴电流由原先2.70A（规程规定不超过2A）变为0.60A，轴电流大大减小。同时，消除了轴电流保护频繁报警故障，实现了对水轮发电机大轴轴电流和转子绝缘水平的实时监测。

参考文献：

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[2]王力贤、刘亚涛.水力发电机组轴绝缘监测系统（J）.中国西部科技，2010，9（1）：27-29.

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