水轮发电机轴电流的设备治理及效果分析

李 政， 李 巍， 卿 启 维

(四川革什扎水电开发有限责任公司，四川 丹巴县 626302)

1 水轮发电机组轴电流产生的原因及危害

水轮发电机转子和定子不完全同心, 定转子空气间隙不均匀,导致电机内磁路不对称或磁场畸变, 引起磁通脉动, 磁通脉动产生轴电压,在转子轴承～外壳的环路中形成轴电流[1]。轴电流大小、频率与脉动磁通的幅值、频率及轴承的绝缘性能有关，轴电流的最大频率分量是工频及工频的3次谐波[2]；电刷装置的集电环等环绕轴的闭合回路磁势不能相互抵消，产生一个环轴的剩余磁势，使转轴磁化，并在机组旋转时，在转轴两端产生单极电势；这种单极效应产生的轴电压随负荷电流变化[3]。

正常情况下，转轴与轴承间的润滑油膜起到绝缘的作用，对于较低的轴电压，不会产生轴电流。但当轴承绝缘因油污、损坏或老化等原因导致绝缘性能降低轴电流将从转轴-油膜-轴承座及基础等外部回路通过，产生轴电流, 轴电流的电解作用使润滑油炭化造成油的润滑性能变差使轴承温度升高，如果绝缘性降低严重，轴电流可达上千安，将严重灼伤轴瓦。

2 水轮发电机组轴电流防范措施

发电机轴电压是无法避免的，但只要不产生闭合回路，就不会产生轴电流。在发电机设计和制造过程中，都会考虑防止发电机轴电流产生的措施，一般措施有：

(1)在发电机上端轴轴领上加绝缘层，使发电机大轴与上导瓦之间绝缘。

(2)在发电机上导瓦与瓦座之间加绝缘层，使上导瓦与整个上机架之间绝缘[4]。

水轮发电机安装时，都加装轴电流保护器，起监视轴电流的作用。轴承座连接的油管路的法兰盘之间，安装绝缘垫；经过轴承座上的定位孔和沿着螺钉表面处，易使绝缘降低，故在螺钉顶头、垫圈、定位塞上涂环氧树脂。

运行中，绝缘边缘、接缝部位的表面脏污会破坏绝缘性能，应定期检查和清擦发电机集电环、刷架，避免碳粉沉积降低正负两极绝缘，产生轴电流。定期检查发电机转子绝缘，绝缘降低必须迅速处理，避免励磁回路两点接地。

3 吉牛水电站轴电流的排查及原理分析

3.1 吉牛水电站现状

吉牛水电站安装有两台由哈尔滨电机厂生产的120 MW冲击式水轮发电机组，额定转速300 r/min，轴电流监测采用在大轴上装设电流互感器，轴电流继电器为新型BZL-10B，轴电流定值按照实际产生的电流值来设置，现场正常工况下实测轴电流约为0.5 A，因此，哈尔滨电机设置报警值为1.5 A、停机值为2.0 A。自2014年两台机组投运发电以来，机组的轴电流检测装置多次检测出1.5～2.0 A异常偏大的轴电流，成为机组安全运行的隐患。

3.2 现场排查及问题原因分析

3.2.1 轴电流互感器、继电器及其二次接线检查

轴电流互感器、继电器安装前进行过校验，采用哈尔滨市华新电力电子设备厂生产的BZL-10B型，轴电流表为毫安级电流表，显示电流为互感器一次侧电流，输入、输出具有线性关系。二次接线采用了屏蔽电缆，防止电磁干扰的影响。通过在轴电流互感器与大轴的缝隙中穿引电缆，在电缆中施加交流电流，测量轴电流表计读数。施加电流与表计显示的记录如表1所示。结果表明整体输入、输出得到正常反映。

表1 施加电流与表计显示关系

3.2.2 单极效应检查

发电机励磁电缆由励磁柜引至机组集电环，而后采用励磁铜排经过主轴表面开槽由上而下穿过大轴中空位置向下引至转子磁极。轴电流互感器安装在转子磁极与滑环间的主轴上，发电机主轴、励磁电流、形成简单的交流发电机，轴电流互感器将产生交变的电势，产生虚假的轴电流，由于BZL-10B装置采取了滤波措施，该轴电流不会显示出来。如果由转轴磁化产生的轴电流，该轴电流会随机组负荷变化而变化[5]。为此，机组带不同的负荷，轴电流大小如表二所示。结果表明机组异常轴电流不是机组单极效应产生。

表2 励磁电流与轴电流关系

3.2.3 绝缘检查

在机组运行中，当轴电流达到1.5 A一级报警时，停机检查。检查大轴接地碳刷，接地可靠，再对主轴各部位可能存在的接地点进行排查，用500 V摇表测量，发现上导油挡盖板处绝缘电阻为0.3 MΩ，转子回路对地绝缘0.5 MΩ(拉开灭磁开关)，进一步检查发现油挡盖板边缘、接缝部位的表面脏污碳粉沉积较重，集电环、刷架碳粉沉积，油污较重。分析认为绝缘边缘或接缝部位的表面脏污破坏绝缘性能，应加强检查和清擦，发电机集电环、碳刷、刷架，碳粉沉积降低正负两极绝缘，使机组运行的轴电流增大。

根据以上分析对绝缘边缘、接缝部位的表面脏污进行清擦，擦拭发电机集电环、刷架。清洁完成后，开机运行，轴电流恢复至0.4～0.5 A的正常值。运行约300 h后轴电流又出现异常缓慢升高现象，因而只好定期检查、清理。为彻底消除该隐患，2017年检修期对1F、2F机组集电环、刷架进行治理。

4 吉牛水电站防范轴电流的设备治理

针对由于碳粉、油污造成绝缘性能降低，导致轴电流异常缓慢升高，吉牛电站对集电环、碳刷进行了改造，并加装碳粉收集装置。

4.1 集电环及刷架治理

集电环原截面尺寸为75 mm×40 mm，改为85 mm×40 mm，增加集电环的导电截面积，降低集电环电密；集电环外圆周表面为呈螺旋状沟槽结构，利于集电环通风散热，并防止碳粉沉积；集电环和刷架吊杆的绝缘垫圈加厚，并采用中间凹弧形结构，有效防止碳粉堆积。导电环由半环改为整环，导电环截面尺寸是16 mm×80 mm，改为20 mm×100 mm，有效降低导电环电密和温升，并利于装碳粉收集装置。针对机组转速高的特性，采用NCC634碳刷，具体尺寸是25 mm×32 mm×100 mm，额定电流密度是0.1 A/mm2, 该碳刷质地较软、均匀，对集电环所造成的机械磨损较少，减缓机械磨损所导致的损蚀，有效抑制碳刷打火。采用带电可拆卸刷握，在带电运行状态下可方便更换碳刷，且具有锁定碳刷和指示碳刷磨损情况的功能。

4.2 碳粉收集装置

碳粉收集装置由密闭的碳粉收集系统、碳粉回收处理系统、管路连接系统、控制系统组成。每台发电机组采用2台碳粉吸收装置。在导电环上设置集尘罩，集尘罩与集电环围成一个相对密闭的腔体，使碳粉限制在密闭空间内，碳粉收集装置将碳粉吸出并收集，防止碳粉堆积造成绝缘性能降低，避免碳粉对发电机集电环及机组其他部件的污染。同时，将集电环与集尘罩之间密闭腔体内的空气吸出，外部空气不断进入补充，如此循环达到碳粉收集及集电环降温的目的。

集尘罩采用非金属绝缘材料，使用模具整体成型，强度高，不易老化变形。风路系统的管道采用具有良好的耐热、抗老化性能的软管。所有管路用支架固定，吸尘装置与集电环通风散热采用一体形式，电机额定电压为AC 380 V，单台电机功率1.5kW，并带有三相电源相序自适应功能模块、防止电机反转，风量满足碳粉收集及集电环系统的降温要求，风机实测噪音75db. 绝缘套管的绝缘等级为“F”级绝缘。控制装置分为手动、自动两种控制模式，用于远方控制的系统运行、系统故障、系统停止状态的电气接点独立，且每种状态节点两对，保证运行的可靠性。

5 设备治理后的效果

设备改造后效果图如图1所示。吉牛水电站1F、2F机组集电环、刷架于2017年4月整改完成，截至2018年8月底已运行16个月，机组在进相、滞相运行状态下1F机组轴电流稳定在0.4 A，2F机组轴电流稳定在0.5 A，不再对机组进行定期停机清灰,增强了机组运行可靠性。加装碳粉收集装置后，机组在额定120 MW和励磁电流1 100 A工况下，碳刷温度在65 ℃附近波动，集电环温度在72 ℃附近波动，降低了碳刷、集电环温度，改善了运行工况。

图1 设备治理效果图

6 结 语

实践证明，在绝缘性能降低时，低值的轴电压就会形成较大的轴电流，对发电机部件造成一定的危害。经验告诉我们，发电机大轴与导瓦之间绝缘性能降低在水电机组运行中最易发生，因此，水轮发电机都要加装轴电流保护器，起到监视轴电流的作用。对轴电流异常问题的排查，既要重视异常原因的分析，又要重视引起轴电流的产生的机组结构问题，即发电机集电环、刷架、碳粉沉积会降低正负两极的绝缘性能。吉牛水电站1F、2F机组因碳刷粉尘不能收集，导致绝缘性能降低引起轴电流异常升高，通过对集电环、导电环进行改造，并加装碳粉收集装置，不但解决了轴电流异常升高问题，同时还降低了碳刷、集电环运行温度，机组等效可用系数得到提高，增强了机组可靠性。