基于发电机轴电压的测量与保护分析

2018-11-16顾涛

新型工业化 2018年9期

顾涛

（华电国际邹县发电厂，山东邹城 273522）

0 引言

轴电压是指发电机在设计、制作、安装、运作等过程中因为各种不同的因素而导致发电机的转轴与发电机轴承之间产生了的感应电势。由于轴承种类的多样性，每种发电机的耐受电压大小是存在差异的，当轴电压的值超出轴承所能承受的范围之后，轴电压就会经油膜导电或者放电而产生轴电流，这样的放电过程或者形成的轴电流会在轴承及轴瓦之间造成一些点状的微型孔，严重时会将轴瓦烧坏，导致发电机的内部轴承等机械元件被严重破坏。因此，为了保证发电机在运行过程中能正常工作，就需要对轴承等器件进行接地绝缘处理，避免发电机因为电力太高而导致轴电流问题发生[1]。

目前，大部分的用户及现场的发电机调试人员其实对这项技术的了解甚少，可能会在设备安装和调试阶段忽视发电机的轴电压的问题，为后面正常的运行和调试埋下隐患，所以，这篇文章将会借鉴相关技术人员的现场经验总结以及相应的国家标准，就发电机的轴电压的测量和防护进行了全面的概述。

1 发电机轴电压产生的原因及危害

1.1 发电机轴电压产生的原因

1.1.1 磁不对称引发的轴电压

第一，发电机在制作时铁芯一般使用扇形的冲压片，当定子铁芯叠加在一起时可能存在连接缝隙不对称，还有铁芯的通风孔及齿槽的出现都是发电机磁路中磁不对称现象发生的原因，而且发电机在结构设置时一般是应用分数槽，这样的设计会出现电枢的不均匀性，产生不平衡的磁通量，就会在发电机的转子两端形成相应的轴电压；第二，在安装过程中因为技术人员的经验不足，定、转子之间存在的气隙没有调整到标准水平会引发发电机转子的中心偏移，造成发电机磁通不对称的分布，转子在旋转时周期进行变换，也将在发电机的转子两端形成轴电压；第三，当发电机运行时，轴瓦和轴承之间由于长时间的接触会磨损严重，会导致转子偏离中心，转子的对地绝缘线路发生故障、转子的线圈匝数之间发生短路以及定子绕组以单向的形式接地。发电机的转子发生断条、电源电压不一致等，都将造成发电机的磁场和气隙分布不均，在运转过程中都会形成轴电压。

1.1.2 剩磁及轴向磁通造成的轴电压

发电机在严重短路或者存在其它问题的故障时，大轴、机壳、轴瓦等机械部件会发生磁化但是会留下一部分的剩余磁化强度。磁力线被切割的过程中，有纵向线路在轴瓦的区域存在，机械主轴发生剧烈转动，切割磁力线会产生电动势，这种电动势称为单极电势。当发电机正常工作时，剩余磁化强度中产生的单极电势为毫伏级，对机器没有太大的影响，可是当轴承转子的绕组电路被短路或者出现两点接地现象时，单极电势的数值会大幅度升高，达到几伏甚至几十伏，将产生极大的轴间电流。当电流沿着轴承、台板形成一个完整的流通回路时，轴瓦、大轴等重要部件不仅会被烧坏，还会引发严重的磁化现象，为技术人员维修带去很大的困难。

1.1.3 高速蒸汽产生静电现象形成的轴电压

在静电效应的作用机制影响下，产生轴电压的原因是发电机的同轴密封不好，轴长时间转动会产生高温，如果蒸汽发生泄露或者蒸汽在汽缸内进行极速的喷射，这些因素会使轴带电荷在高速运转过程中产生轴电压。这种产生的方式轴电压不稳定，出现时而高时而低的情况，当人手触及到发电机时会顿时觉得手麻，而且在发电机侧有可能破坏轴瓦或者油膜，这种方式产生的轴电压一般都是在发电机侧轴上接一个接地刷来解决。

1.1.4 静态励磁系统产生的轴电压

在全世界各地，只要存在发电机的地方，多数都采用静态励磁系统，它可以改变电机的转速，这套系统都是采用全控桥结构，在原有基础上引进了一个全新的轴电压源。当交流电压经过可控硅的调节作用，将会输出直流电压以提供发电机励磁绕组正常工作，其中的直流电压也称为脉动型电压。静态励磁系统中采用三相全控桥的元件时，产生的输出电压波形为一个活动周期内会有六个脉冲波。脉冲波的快速变换引起的脉冲电压由于发电机的转子作用，本体和励磁绕组间的电容耦合结构之后将会在轴间出现交流电压。这种轴电压一般是呈现脉冲尖峰样，频率是300 Hz，它会不断叠加，与励磁绕组间产生的轴电压形成一体，油膜会承受更大的尖峰电压，当数值增加到一定后，电压会击穿油膜，形成强大的轴电流，发电机的机械元件将被严重损坏和烧毁[2]。

1.2 发电机轴电压的危害

（1）由发电机轴电压产生的原因可以清楚的明白，所有的发电机都会出现轴电压，轴电压的大小由于发电机机型还有产生电压的原因有所不同。通俗一点来说，当电机的质量不好，安装质量欠缺，没有按照安装流程进行安装，发电机的容量越大，它的气隙也就越大，结构的不对称性会更加明显，磁场的定转子不平衡程度增加，这些情况轴电压都会出现增高的现象。（2）发电机的轴电压只要产生之后都会对轴瓦、轴承、轴颈等机械部件产生较大的威胁。当轴电压出现低值时，轴与轴承之间的油膜将会有很好的绝缘性，轴电压增加到很高的数值之后，要是不及时进行有效的防护，或者在采取措施之后因为某些原因的影响，比如说油渍的污染、机座的受潮、机组的高速震动，这些原因都会导致轴电压防护措施不能达到想要的结果，甚至根本没有起到防护作用，最后轴电压击穿油膜产生一定的轴电流。当轴电流升高到临界值时，会破坏发电机油膜的性能，当情况严重时发电机的主要部件将被损坏，发电机严重磁化后无法再稳定工作。（3）当技术人员在进行检修时经常发现发电机的侧轴面被电腐蚀和电灼伤等情况。尤其是发电机的运行环境恶劣时这些情况更为明显。（4）要加强轴电压的测量并采取一定的防护措施，才能减少甚至消除轴电压带来的影响，这样才能保证发电机机械设备的正常工作。

2 发电机轴电压的测量方法分析

为了解决发电机轴电压产生的问题，生产操作过程之前是进行过明确规定的，必须要在发电机的轴承底座的下方安装上接地的绝缘板[3]。绝缘板的安装一般有三种方式，最为多见的就是：一方面，在发电机轴承与地面间仅仅加一层绝缘板；另外在发电机的轴承侧和地面间加上两层绝缘板，中间一层是铁板，铁板在两层绝缘材料之间，轴承底座具有绝缘作用。然后利用以下两种常用方式测量发电机的轴电压。

2.1 轴电压直接测量法

发电机轴电压在测量过程中，首先将轴电压想象成电动势，油膜等元件看作可变电阻，轴瓦绝缘板是一个绝缘电阻。在发电机组处于负载和空载时，使用内阻极高的电压表进行轴端电压的测量。将发电机的励磁机侧面油膜进行短接，用电压表测量发电机轴瓦接地电压的大小，这样可以检测处绝缘板的绝缘效果好不好。如果绝缘效果不佳，需要进行处理或者更换绝缘板。

2.2 绝缘电阻测量法

要把发电机的转子吊到一定高度，再用500 V或者1000 V的设备进行发电机绝缘。当发电机绝缘电阻测量时，要关注发电机的油管进出情况，要给配件设置绝缘垫片和绝缘管道。在确定绝缘效果良好之前，一定要进行现场实验，这才能成为真正判断轴承底座是否绝缘效果良好。

3 解决和保护方案

发电机产生的轴电压对发电机组的运行会造成严重的危害，所有必须采取相应措施进行防护和抑制。所以，为了确保发电机组的正常、安全运行，经常利用下面几种措施进行防范：（1）在发电机汽机大轴部位接上一个接地电刷，起到释放汽轮机静电电荷的作用；（2）因为磁路不对称会产生轴电压，为了使汽轮发电机的轴电压降低，在发电机设计时要尽量减少甚至消除轴电压中产生的三次谐波分量和五次谐波分量，利用最新的发电机组结构就可以实现这个目的；（3）发电机在安装时，一定要严格遵照厂家的说明书介绍，厂家的工艺设计要求，不要出现发电机转子离心的情况；（4）因为转子绕组接地短路会有轴电压产生，所以在运行过程中可以投入励磁回路，这是一种接地保护装备；（5）为了将轴电流切断，励磁轴承中主要包括了发电机轴承、发电机转子进出水管和支座、冷发电机的油密封，在励磁机组和副励磁机组轴承和电动机底座之间加上一层绝缘垫板，轴承座的机械元件和油管会和轴承产生绝缘，采取双层绝缘保护，确保绝缘措施的有效性。下面介绍几个有效的防范措施，比如一个十分有效的方法就是将发电机的励磁端中的所有油密封和轴承进行绝缘处理，这样的操作对于防止发电机中感应电压的形成十分有用。在通常情况下，发电机的汽机是用碳刷来实现接地处理的[4-5]，可大量的经验和数据表明，在汽机端想要达成较好的接地效果是相当不易的，接地电阻在转动时会产生很高的表面速度，速度最高可达110 m/s，接近碳刷生产厂家说明书中介绍的最大值的2.1倍，意味着电阻的利用效率很高。另外，大量的油雾会导致碳刷和轴承间出现接触不良的情况。静止励磁系统的可控装置中有一个电刷也同样会出现接地故障，晶管在转换方向时，呈现周期性，会产生周期性脉冲电流，这种电流会通过转子绕组的方式传送到轴承上。油雾和转子高速度运行都会有损伤痕迹出现，这些遗留的痕迹一样会导致轴承与电刷发生接触不良。就算在工作期间进行科学合理的维护，比如周期性的对轴承和电刷实行维护，让它们表面的痕迹不要总是那么明显，可是仍然没有什么显著的效果[6-8]。

汽轮机的高缸转子存在自由端部分，转轴的直径略小，表面运行速度不大，可是安装在汽轮机部位的接地电刷并不可以将转换方向时产生的高频电流信号进行消除，它本身的形成原因是由于轴承阻抗的频率太高，较小的电感却以高频的大阻抗形式输出。对于大型的汽轮发电机轴承接地绝缘系统而言，有以下四点要求：第一，轴承的接地电压保持在低于20V的情况下，因为较小的对地电压不会发生发电机组被电腐蚀损坏的现象[9-10]；第二，汽轮机轴承接地系统要和原来的装备实现兼容，不要出现排斥，对于任何的接地系统来说，都要和使用的电机轴监测及保护装置兼容，要方便把装置以各种各样的形式安装在发电机组上；第三，保持良好的维护性和可接近性，易于接近，才能方便观测和维护，避免发生危害工作人员生命财产安全的事故[11]；第四，具有接地检测系统，可以随时监测机器的工作状况。在检测接地装置的过程中，主要是对接地电刷的局部破坏情况和电气接触状况进行检测，如果电刷的表面运行速度远远的小于生产厂家给出的最大值，在这样的情况下工作，电刷的接触性能肯定会大幅度增强[7-8]。虽然汽轮机高压缸的自由端进行了接地处理，可是还是不能有效防范静止励磁系统中产生的高频电压脉冲，因为在发电机的励磁端电刷绕过轴承进行接地绝缘时，发电机组存在预见或不能预见的对地接触，发电机轴感应产生的轴电压都会有轴电流出现。表中展示了电刷接地系统的运行情况，如表1所示。

4 结语

在我国，电力产业的大机组和大电网正在快速发展，发电机组的单机容量不断增大，静态励磁系统在发电机中的普遍应用，发电机轴电压和轴电流的产生成为当前发电机安全研究的主要方向，关系着发电机能否正常运行。处理常规的轴承接地、发电机大轴绝缘、励磁绕组外加阻容滤波器等等保护方法之外，新型的RC轴接地元件和相应的准确监控发电机轴电流、轴电压还有转子绕组的接地绝缘情况，这些都是使用实时的监控装置，使得轴电压的监控和保护成功进入一个崭新的阶段。发电机励磁轴承接地处理，到目前为止，这是一项实现设备交接功能的试验项目，可是在试验研究过程中却特别容易被忽视，忽视它，可能导致的结果就是引发严重发电机工作故障，所以，这个问题必须得到相关研究部门的高度重视。在发电机工作现场，经常会出现轴承底座接地绝缘检测合格，可是油管管路正常连接或者在开机前测试接地绝缘却不合格的状况，这类问题一旦出现，处理时间最少也要一天，甚至用更长的时间。因此，在安装此类产品时，一定要在首次安装检验合格之后，绝缘垫板用胶带或者树脂类的东西进行包裹，避免后面发电机发生进水或者漏油，导致轴承底座的绝缘电阻值下降，产生发电机轴电压。每个事物都是不断的向前发展的，发电机组也不例外，发电机组正在朝着一个更大的目标前行，那就是实现“五高”，即发电机的可控性高、可靠性强、维修率低、利用率高、效率高。良好的发电机轴承工作状态能够提供一份有效的效率保证，发电机的工作效率、利用率、可靠性自然得到相应提高。研究发现，静态励磁的RC接地电路可以减少系统产生的发电机轴电压。