水輪發(fā)電機(jī)軸承電流和軸電流的產(chǎn)生

1、水輪發(fā)電機(jī)軸承電流和軸電流的產(chǎn)生、防止與檢測(cè)摘要：本文主要論述了發(fā)電機(jī)產(chǎn)生軸承電流和軸電流的機(jī)理、原因；防止軸承電流和軸電流的措施以及軸承電流與軸電流的檢查與監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)、軸承電流、軸電流發(fā)電機(jī)由于設(shè)計(jì)、制造和安裝不當(dāng)以及運(yùn)行中的一些故障，可能產(chǎn)生軸承電流和軸電流。當(dāng)這些電流流過軸承并且數(shù)值足夠大時(shí)，就會(huì)灼傷軸頭和軸承表面，還會(huì)使周圍的潤(rùn)滑油炭化，破壞軸承的潤(rùn)滑性和絕緣性，進(jìn)而使軸承表面燒損釀成事故。水輪發(fā)電機(jī)容量比較大，又是電力能源的關(guān)鍵設(shè)備，因此研究水輪發(fā)電機(jī)軸承電流和軸電流產(chǎn)生的原因，采取可行的防止措施和監(jiān)測(cè)檢查方法對(duì)于發(fā)電機(jī)安全、可靠地運(yùn)行是至關(guān)重要的。一、 產(chǎn)生軸承電流和

2、軸電流的機(jī)理：1. 軸承電流：水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸（包括與轉(zhuǎn)軸直接相連的推力頭等部件）及軸承座都是由磁性材料鋼（鐵）制造的，尤其是臥式電機(jī)的軸承座多采用較大矯頑磁力的生鐵制造。當(dāng)存在環(huán)軸電壓時(shí)，這些部件很容易被磁化。在圖1所示的回路中就會(huì)流有剩磁。只要受到一次磁化，在圖1所示的回路中就會(huì)留有剩磁。負(fù)載時(shí)，由于其它原因又可能使轉(zhuǎn)軸受到更嚴(yán)重的磁化，在圖1回路中就會(huì)有磁通流過。由轉(zhuǎn)軸流向軸瓦的磁力線與軸承表面相交，軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其表面切割這些磁力線，沿軸表面長(zhǎng)度方向上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其大小與轉(zhuǎn)軸周速和流經(jīng)軸經(jīng)的磁密成正比，這就是通常所說的“單極效應(yīng)”，在軸瓦與轉(zhuǎn)軸之間形成渦流，如圖2所示。這種電流我們稱之為軸

3、承電流。 2. 軸電流：當(dāng)發(fā)電機(jī)存在與轉(zhuǎn)軸交連的交變磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生感應(yīng)交變電勢(shì)（軸電壓），這樣在圖1的閉合回路中會(huì)有交變電流流過，這就是軸電流。二、 產(chǎn)生軸承電流的原因：1. 水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極線圈通常采用單路正反接交替形式，如圖3所示。勵(lì)磁電流除通過各磁極形成的主磁場(chǎng)外，其極間連接線又形成了環(huán)軸的單匝線圈，導(dǎo)致環(huán)軸電壓的存在，使轉(zhuǎn)軸磁化。 2. 發(fā)電機(jī)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)磁極線圈匝間短路故障。當(dāng)一個(gè)磁極出現(xiàn)匝間短路時(shí)，會(huì)造成轉(zhuǎn)子磁勢(shì)不對(duì)稱，我們以兩極電機(jī)為例來說明（圖4）。當(dāng)2號(hào)磁極線圈發(fā)生匝間短路時(shí)，它與1號(hào)磁極產(chǎn)生的磁勢(shì)不相等。這相當(dāng)于在正常勵(lì)磁電流上增加了一個(gè)環(huán)流i, 環(huán)流i使2號(hào)磁勢(shì)減

4、小，使1號(hào)磁極磁勢(shì)增加，而i又形成了環(huán)軸電壓，使轉(zhuǎn)軸磁化，產(chǎn)生軸向磁通。同理，對(duì)于多極電機(jī)或多個(gè)磁極匝間短路也是一樣。3. 水輪發(fā)電機(jī)在安裝中，由于電機(jī)直徑大，部件變形等因素的影響，經(jīng)常出現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻現(xiàn)象，如圖5所示。此時(shí)盡管各極電壓相同，即磁勢(shì)相同，但由于1與2不相等造成的磁阻不同，所以12不相等軸向磁通不能相互抵消，產(chǎn)生了多余的軸向磁通。此外，有時(shí)磁極鐵心在磁軛上安裝不緊密，出現(xiàn)第二氣隙，其后果與上述相同。早期生產(chǎn)的水輪發(fā)電機(jī)采用直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁，直流勵(lì)磁機(jī)的換向極連接線或繞組布置不合理，也會(huì)形成環(huán)軸電壓，使轉(zhuǎn)軸磁化。當(dāng)勵(lì)磁機(jī)出現(xiàn)短路事故時(shí)則更為嚴(yán)重。因此，常將換向極繞組分為兩組，

5、使環(huán)流方向相反相互抵消，以避免形成環(huán)軸電壓。三產(chǎn)生軸電流的原因：1.水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心都是由扇形硅鋼片拼成整圓，片間接縫每層相互錯(cuò)開，這樣鐵心圓周上形成很多接縫。接縫處磁阻較其他部分大，當(dāng)鐵心磁密較高時(shí)，接縫處磁阻增加更多。發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：a.定子鐵心接縫數(shù)與極數(shù)配合如圖6所示。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，接縫A逐漸進(jìn)入1.3號(hào)極，而同時(shí)接縫B則進(jìn)入2.4號(hào)極。此時(shí)對(duì)各極來說磁阻都逐漸減小，因?yàn)檫@時(shí)有一部分磁通不再需要經(jīng)過接縫處了。由于磁阻減小，定子鐵心中磁通增加，其增加方向如圖中小箭頭所示。明顯看出，在接縫A、B處所增加的磁通方向相反，因而可以相互抵消。這樣對(duì)圖1閉和回路來說

6、就不會(huì)有任何高頻脈振磁通，也就不會(huì)在在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)（軸電壓），當(dāng)然也不會(huì)產(chǎn)生軸電流。b.另一種情況定子鐵心接縫數(shù)與極數(shù)配合如圖7所示。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)接縫A進(jìn)入1、3、5號(hào)極，此時(shí)定子鐵心中磁通將按小箭頭方向增加，且各極接縫處磁通增加方向相同，不能相互抵消。但當(dāng)按鍵A進(jìn)入2.4.6極時(shí)，接縫A處磁通將減少。這樣就形成與圖1閉和回路相連的高頻脈振磁通，在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)（軸電壓），有軸電流流過。通過對(duì)上述兩種情況的分析，總結(jié)出判斷是否會(huì)產(chǎn)生軸電流的方法。設(shè)定：s-定子鐵心圓周上總接縫數(shù)。 p-轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù) t-s與p的最大公約數(shù) q=s/t當(dāng)q為偶數(shù)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生軸電壓；而q為奇數(shù)時(shí)則會(huì)產(chǎn)生軸

7、電壓，出現(xiàn)圖1的閉合回路就會(huì)有軸電流流過。軸電壓（軸電流）的頻率：f=qpnH/60=qfH fH-發(fā)電機(jī)的頻率下面給出部分接縫樹與極數(shù)的配合，“空格”表示不會(huì)產(chǎn)生軸電壓，數(shù)字表示軸電壓（軸電流）的頻率（發(fā)電機(jī)頻率的倍數(shù)）。極數(shù)接縫數(shù)246810121416182022242628303234362111111111333133133133133133141111555551555515555155563313313317777777177777717777811999399399199399399110555515555111111111111111111111111111111111111

8、1112331313131313131313131313131313113131313131477777717715151551535151553155151511515516118993993991205555221111111111111111112433287777301515515351515532369939405542212172121732172.發(fā)電機(jī)定子三相電流 不平衡、定子繞組內(nèi)部短路、定子某項(xiàng)并聯(lián)支路間存在平衡電流等都會(huì)在定子中產(chǎn)生一個(gè)不平衡磁場(chǎng)，它將在圖1回路中引起軸電壓，嚴(yán)重時(shí)其數(shù)值較定子鐵心的接縫所產(chǎn)生的軸電壓還要大。當(dāng)然定子短路與接地事故影響更大。3.定、轉(zhuǎn)子間氣

9、隙不均勻，相當(dāng)于在磁路里存在一個(gè)磁阻較大的定子接縫，同樣會(huì)引起磁場(chǎng)不對(duì)稱，在轉(zhuǎn)軸上感應(yīng)軸電壓。四.防止軸承電流和軸電流的措施：從上述分析可知，產(chǎn)生軸承電流與軸電流是在圖1所示回路是閉和的，分別有磁通或電流流過。因此防止軸承電流與軸電流的根本措施是截?cái)鄨D1中的回路。1. 將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中心線一側(cè)的軸承與地板絕緣，同一側(cè)與發(fā)電機(jī)定子、地板、基礎(chǔ)接觸又同時(shí)與轉(zhuǎn)軸連接或動(dòng)接觸的部件與轉(zhuǎn)軸之間絕緣。該絕緣厚度一般為3-10mm，此厚度的大小對(duì)軸電流關(guān)系不大，但對(duì)軸承電流影響明顯，因?yàn)楹穸仍酱?，磁阻越大，使回路中磁通減少，軸承電流將隨之減小。 在立式水輪發(fā)電機(jī)中（圖8），懸式結(jié)構(gòu)中的推力和上導(dǎo)軸承，半傘式結(jié)

10、構(gòu)的上導(dǎo)軸承及旋槳式水輪機(jī)的受油器都要有絕緣，全傘式結(jié)構(gòu)而又沒有受油器的可不設(shè)絕緣，因?yàn)樾尾怀砷]和回路。推力軸承絕緣設(shè)在推力座上，前蘇聯(lián)和我國(guó)早期的產(chǎn)品還在推力頭與鏡板之間設(shè)有絕緣墊板，此板還可通過調(diào)整軸線。導(dǎo)軸承絕緣一般設(shè)在瓦背凹巢內(nèi)。臥式水輪發(fā)電機(jī)絕緣的設(shè)置與立式機(jī)相似。燈泡式發(fā)電機(jī)也是一樣，如圖9所示，單懸臂發(fā)電機(jī)將推、導(dǎo)聯(lián)合軸承和受油器與轉(zhuǎn)子絕緣，雙懸臂發(fā)電機(jī)將受油器絕緣。雙懸臂又配定槳式水輪機(jī)的可不設(shè)絕緣。 有些大型的全傘式發(fā)電機(jī)，為安全可靠，防止在轉(zhuǎn)子傾倒，定子繞組短路接地等事故時(shí)，可能有電流流過軸承而設(shè)置絕緣的。還應(yīng)注意，水冷推力瓦的供水管路、高壓頂起油管路、軸承瓦的測(cè)溫元件等設(shè)

11、備的絕緣。2. 在發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理選擇定子鐵心的拼片數(shù)與極數(shù)的配合，使之不產(chǎn)生軸電壓。轉(zhuǎn)軸周圍連接線，如可能盡量采用雙線連接。3. 在轉(zhuǎn)軸的合適位置設(shè)置接地電刷。由于發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸承的油膜有一定的絕緣性，一旦出現(xiàn)軸電流，可由接地電刷流通，對(duì)軸承起到保護(hù)作用。4. 提高安裝質(zhì)量，盡量減少定、轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻程度，盡量不產(chǎn)生第二氣隙。還應(yīng)注意轉(zhuǎn)軸密封的金屬壓環(huán)不要碰到軸。5. 發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸及附件磁化的要及時(shí)采取消磁措施。6. 裝設(shè)軸電流監(jiān)測(cè)裝置，一旦出現(xiàn)軸電流可延時(shí)或瞬時(shí)斷電停機(jī)。7. 軸瓦的刮研是非常重要和十分細(xì)微的工作。軸瓦刮研不好，受到軸承電流與軸電流的損害的幾率會(huì)顯著增加。研究表明，當(dāng)

12、軸瓦表面電流密度達(dá)到0.2A/cm2時(shí)，將開始受損.一旦軸瓦刮研不好，個(gè)別點(diǎn)將直接與軸接觸，不但破壞了油膜的整體性和絕緣性而且軸電流將從此點(diǎn)流過，極可能燒毀軸承。大型臥式發(fā)電機(jī)，尤其是不刮瓦的導(dǎo)軸承，最好設(shè)置高壓油頂起裝置，在開停機(jī)時(shí)投入將轉(zhuǎn)軸頂起形成油膜，不但防止干摩擦，而且對(duì)轉(zhuǎn)軸防止軸電流的損害也是有益的。五軸承電流與軸電流的檢查與監(jiān)測(cè)： 1.發(fā)電機(jī)安裝后首先要對(duì)設(shè)置絕緣部位的絕緣電阻進(jìn)行檢查，使用1000伏兆歐表。推力軸承、導(dǎo)軸承及其連接的管路，測(cè)溫元件，在注油前絕緣電阻應(yīng)大于1.0兆歐，注油后不得小于0.3兆歐。受油器，其絕緣電阻應(yīng)大于0.5兆歐。2.發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)，用直流千分電壓表測(cè)量轉(zhuǎn)軸與軸承座之間的電壓，如表格針偏轉(zhuǎn)說明轉(zhuǎn)軸回路有剩磁。然后使發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷，此時(shí)若表格針偏轉(zhuǎn)增加，則說明轉(zhuǎn)軸在負(fù)載下受到進(jìn)一步磁化，該機(jī)中有軸承電流存在。3.發(fā)電機(jī)在額定電壓下空載運(yùn)轉(zhuǎn)，用高內(nèi)阻交流電壓表測(cè)量轉(zhuǎn)子兩端間的軸電壓，然后將轉(zhuǎn)軸一端與軸承座短接，測(cè)量另一端（設(shè)有絕緣墊片）軸承座對(duì)地電壓。對(duì)于臥式發(fā)電機(jī)，還應(yīng)測(cè)量軸承座與兩層絕緣墊片所夾的金屬墊片之間，金屬墊片與地之間的電阻。