水轮发电机轴电流的产生和对轴承的保护

徐伟扬，李冬翠，杨柯

（浙江富春江水电设备有限公司，浙江 杭州 310030）

水轮发电机在带负荷运行时，会在转子上下两端产生感应轴电压，尽管轴电压数值上不会太大，仅有几伏，但因为主轴电阻很小，一旦轴承油膜遭到破坏，在主轴和轴瓦之间就会产生比较大的轴承回路电流，据有关文献介绍，轴承电密达到或超过0.2A/cm2时，润滑油膜就会发生碳化，使润滑油润滑效果降低，导致轴瓦温度升高，影响到发电机机组的安全运行，严重的会引起发电机重大运行事故。目前，对轴电流还缺乏有效的计算分析手段，如乌江三岔河的引子渡电站2#机发现轴电流偏大，发电厂邀请了专家进行分析，但未能分析出轴电流偏大的原因。一般来说，厂家会根据自身的经验设定最大轴电流报警，一旦发现轴电流偏大或异常变大时，必须停机进行故障排除。

为减少轴电流，防止轴承烧损，一般制造厂家都会在设计上采取一定的防范措施，如设置绝缘、装设轴电流检测装置，可以防止轴承烧损，确保机组的安全稳定运行。

1 轴电流的产生及其危害

发电机的轴电流，通常随着发电机负荷变化、励磁电流变化而变化。产生轴电流的前提条件是主轴两端存在轴电压，轴电压的产生，一般认为有以下主要原因。

（1）定子铁心通常采用较薄的硅钢片叠压而成，片间存在接缝，同时定子、转子之间不可避免的存在一定的偏心，国家有关标准对这个偏心值有硬性要求，定转子各处的实际气隙偏差不得超过定转子气隙的8%。定转子之间存在偏心，使气隙磁场不均匀，因气隙磁场是旋转的，而主轴中心与旋转磁场中心又不会完全一致，就会在发电机主轴上产生交变磁通，产生交流感应电势，该感应电势就是轴电压。

（2）轴承绝缘的损坏是产生过大轴电流的重要原因，在发电机适当位置设置轴电流绝缘是水轮发电机的基本要求。绝缘设置位置不当，机组长期运行后，设置在油槽内的绝缘受到润滑油的长期侵蚀而被乳化，降低了绝缘性能，从而不能有效阻断轴电流通过轴承形成回路。

轴电流主要危害：当轴电压形成后，就会在主轴、轴瓦、机架、基础之间形成闭合回路，产生轴承电流。发电机旋转体和轴承之间有很薄的一层油膜，油膜本身也具有一定的绝缘性能，但如果轴电流偏大，长期运行后会引起润滑油电蚀碳化，最终形成干摩擦而轴瓦烧损。

2 轴电流的监测

水轮发电机不可避免的存在轴电流，既然轴电流对机组的运行存在安全隐患，那么对轴电流的实时监测就非常重要了，目前对轴电流有多钟监控手段，采用安装空心环轴电流传感器的方式最为普遍，可以实时监控发电机大轴的轴电流大小及其变化。当轴电流超过整定值时（整定值通常为5A），控制器输出二级报警模拟量信号。轴电流检测系统的原理见图1。

图1

环抱于大轴的轴电流互感器实时监测主轴的电流变化，该变化量经过变换和隔离放大将数据传送到PLC集成模块进行采样，PLC对采样数据进行滤波、转换处理，精确得出与主轴电流对应的数字量。显示器可显示实际的主轴电流值，PLC对采集的数据与设定的报警值比较，确定报警输出状态。检测器输出的4～20mA的模拟量与主轴电流0～5A成线性关系。当报警器启动时，说明主轴电流偏大，此时应及时停机进行检查，排除隐患。

3 减小和防范轴电流的措施

针对轴电流不同的产生原因，从设计时，就应该考虑采取一些措施来减小轴电流。

（1）铁心拉紧螺杆、定位筋等部位的磁感应引起的磁路变化，很难通过计算判断其对发电机轴电流大小及变化的影响；定转子的圆度偏差、安装气隙的不均匀引起的磁场不均匀，是可以通过对安装的严格要求加以改善，通常定转子气隙偏差应按目标值为气隙的3%进行控制。

（2）电磁设计，应综合考虑发电机磁极数量、定子分瓣数、定子铁心圆周方向冲片接缝数量以及电网频率的关系。若2×Z/N（N表示发电机磁极数量，Z表示分瓣定子的分瓣数量或铁心冲片的圆周接缝数量）约分后，如分子数为偶数时，那么在主轴上就不会产生感应电压，反之，如分子为奇数，那么在大轴上会感应出分子倍数的电网频率的轴电压。同时应适当降低铁心轭部的磁通强度、减少定子铁心分瓣处和铁心冲片合缝处的磁阻等措施来有效降低磁路不均匀，从而减少轴电压。

（3）可控硅静止励磁装置提供励磁电流，虽然励磁电流是直流电，但同时含有高频成分，而且励磁铜排或励磁电缆往往沿主轴布置，容易在主轴上感应出轴电压。据有关文献介绍，周宁水电站曾经出现过因励磁引线高频对主轴的干扰而出现高电压报警的事例，应尽量使励磁铜排或励磁电缆离开主轴表面的距离大一些。

图2

（4）阻断轴电流通过轴瓦而形成轴承电流回路无疑是防范轴瓦因轴电流而烧损的简单而最有效措施。各厂家都会考虑设置绝缘垫的方式来达到这个目的，但各个厂家根据自身的结构特点，绝缘设置的位置不尽相同。对于全伞式发电机，因其不设置上导轴承，上机架本身与旋转部分不接触，一般不设置绝缘。对于悬式和半伞式发电机，通常在图2中所示的这些位置中设置绝缘。绝缘设置位置及特点说明。

位置①：可以有效的阻断轴承电流回路。绝缘通过特定工艺布置在上导滑转子与主轴之间，不与润滑油接触，避免了长期运行后绝缘性能下降，不需在其他部位再设置绝缘，如浙富公司习惯采用该绝缘方式，且绝缘性能可靠。

位置②：如发电机为悬式结构，且推力瓦为巴氏合金瓦，在位置②处设置绝缘外，还需在位置④设置绝缘，同时阻断上导瓦与主轴的回路及推力瓦与主轴的回路，工艺制作简单，弊端是绝缘材料与润滑油接触，长期运行后使绝缘性能下降，曾有电站发生推力头、镜板受轴电流电蚀的破坏。如推力瓦材料为塑料瓦，因塑料瓦的摩擦面材料为聚四氟乙烯，本身具有绝缘性能，那么仅设置位置②的绝缘就够了。

位置③：绝缘设在上导轴承支撑环上，结构复杂，工艺要求高，同时还与设在位置②一样，如推力瓦材料为巴氏合金，还需再设置位置④的绝缘。不利因数是一定程度上减少了导轴承支撑的刚度。

综合以上各处设置绝缘，位置①相比其他位置来说，绝缘结构简单，性能可靠，制造时经过可靠的防潮和密封处理，制造后经过严格的绝缘性能监测，可以确保机组长期运行后其绝缘性能不下降。

4 结语

水轮发电机的轴电压、轴电流是必然存在的，如何减小轴电压、轴电流和如何防范轴电流对轴承的破坏是各制造厂家都非常关注的问题。轴电压、轴电流目前还没有有效的计算分析方法，大多时候都是按各制造厂家的经验设定报警值，一旦出现超标，再进行隐患排除。本文简要说明了产生轴电压、轴电流的因数，提出如何减小轴电压、轴电流以及如何对轴承进行保护的说明。