隨著電源建設(shè)的迅猛發(fā)展, 單機(jī)容量的逐漸增大, 軸電壓成為大型發(fā)電機(jī)采用靜止自并勵(lì)磁系統(tǒng)后的一個(gè)嚴(yán)重問題。研究軸電壓、軸電流有著很重要的意義。

　　軸電壓的波形具有復(fù)雜的諧波脈沖分量, 對(duì)油膜絕緣特別有害當(dāng)軸電壓未超過油膜的破壞值時(shí), 軸電流非常小。若軸電壓超過軸承油層擊穿電壓, 則在軸承上形成很大的軸電流, 即所謂電火花加工電流, 將燒蝕軸承部件, 造成很大危害。

　　磁路不對(duì)稱、單極效應(yīng)、電容電流、靜電效應(yīng)、靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)、外殼、軸等的永久性磁化均有可能引起軸電壓。

　　軸電壓是指在電機(jī)運(yùn)行時(shí),電機(jī)兩軸承端或電機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承間所產(chǎn)生的電壓。在正常情況下,軸電壓較低時(shí),燃?xì)獍l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承間存在的潤(rùn)滑油膜能起到較好的絕緣作用。

　　但是,如果由于某些原因使得軸電壓升高到一定數(shù)值時(shí),就會(huì)擊穿油膜放電,構(gòu)成軸電流產(chǎn)生的回路。

　　軸電流不但會(huì)破壞油膜的穩(wěn)定性,使?jié)櫥鋮s的油質(zhì)逐漸劣化,同時(shí),由于軸電流從軸承和轉(zhuǎn)軸的金屬接觸點(diǎn)通過,金屬接觸點(diǎn)很小,電流密度很大,在瞬間會(huì)產(chǎn)生高溫,使軸承局部燒熔。被燒熔的軸承合金在碾壓力的作用下飛濺,將在軸承內(nèi)表面燒出小凹坑。

　　最終,軸承會(huì)因機(jī)械磨損加速而破損,嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞軸瓦,造成事故被迫停機(jī)。發(fā)電機(jī)軸電壓一直是存在的，但一般不高，通常不超過幾V~十幾 V，但當(dāng)絕緣墊因油污、損壞或老化等原因失去作用時(shí)，則軸電壓足以擊穿軸與軸承間的油膜而發(fā)生放電，久而久之，就會(huì)使?jié)櫥屠鋮s的油質(zhì)逐漸劣化，嚴(yán)重者會(huì)使轉(zhuǎn)軸和軸瓦燒壞，造成停機(jī)事故。

　　1、 發(fā)電機(jī)軸電壓產(chǎn)生的原因

　　(1)磁不對(duì)稱引起的軸電壓它是存在于汽輪發(fā)電機(jī)軸兩端的交流型電壓。由于定子鐵芯采用扇形沖壓片、轉(zhuǎn)子偏心率、扇形片的導(dǎo)磁率不同,以及冷卻和夾緊用的軸向?qū)Р鄣劝l(fā)電機(jī)制造和運(yùn)行原因引起的磁不對(duì)稱,結(jié)果產(chǎn)生包括軸、軸承和基礎(chǔ)臺(tái)板在內(nèi)的交變磁鏈回路。

　　由此在發(fā)電機(jī)大軸兩端產(chǎn)生電壓差。每一種磁不對(duì)稱都會(huì)引起相應(yīng)幅值和頻率的軸電壓分量,各個(gè)軸電壓分量疊加在一起,使這種軸電壓的頻率成分很復(fù)雜,其中基波分量的幅值最大,3 次和5 次諧波幅值稍小,更高次諧波分量幅值很小。

　　這種交流軸電壓一般為1～10 V ,它具有較大的能量。如果不采取有效措施,此種軸電壓經(jīng)過軸———軸承———基礎(chǔ)臺(tái)板等處形成一個(gè)回路,產(chǎn)生一個(gè)很大的軸電流。軸電流引起的電弧加在軸承和軸表面之間,其主要后果是引起軸承上的鎢金和軸表面的磨損,并使?jié)櫥脱杆倭踊?。由此?huì)加速軸承的機(jī)械磨損,嚴(yán)重者會(huì)使軸瓦燒壞。

　　(2)靜電電荷引起的軸電壓這種出現(xiàn)在軸和接地臺(tái)板之間的直流型電壓,是在一定條件下高速流動(dòng)的濕蒸汽與汽輪機(jī)低壓缸葉片摩擦出的靜電電荷產(chǎn)生的。

　　這種靜電效應(yīng)僅僅偶然在某種蒸汽條件下才能出現(xiàn),并非經(jīng)常存在。隨著運(yùn)行工況的不同,這種性質(zhì)的軸電壓有時(shí)會(huì)很高,電位達(dá)到上百伏,當(dāng)人觸及時(shí)會(huì)感到麻手。

　　它不易傳導(dǎo)至勵(lì)磁機(jī)側(cè),但如果不采取措施將該靜電電荷導(dǎo)入大地,它將在發(fā)電機(jī)汽機(jī)側(cè)軸承油膜上聚集并且最終在油膜上放電而導(dǎo)致軸承損壞。

　　(3)靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)引起的軸電壓目前,大型汽輪發(fā)電機(jī)組普遍采用靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)。靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)因可控硅換弧的影響,引入了一個(gè)新的軸電壓源。靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)將交流電壓通過靜態(tài)可控硅整流輸出直流電壓供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組,此直流電壓為脈動(dòng)型電壓。

　　對(duì)于采用三相全控橋的靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng),其勵(lì)磁輸出電壓的波形在1 個(gè)周期內(nèi)有6 個(gè)脈沖。這個(gè)快速變化的脈動(dòng)電壓通過發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子本體之間的電容耦合在軸對(duì)地之間產(chǎn)生交流電壓。

　　此種軸電壓呈脈動(dòng)尖峰狀,其頻率為300 Hz (當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)交流側(cè)電壓頻率為50Hz 時(shí)) ,它疊加到磁不對(duì)稱引起的軸電壓上,從而使油膜承受更高的尖峰電壓。在增大到一定程度時(shí),擊穿油膜,形成電流而造成機(jī)械部件的灼傷和損壞。

　　(4)剩磁引起的軸電壓當(dāng)發(fā)電機(jī)嚴(yán)重短路或其他異常工況下,經(jīng)常會(huì)使大軸、軸瓦、機(jī)殼等部件磁化并保留一定的剩磁。磁力線在軸瓦處產(chǎn)生縱向支路,當(dāng)機(jī)組大軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì),稱為單極電勢(shì)。

　　正常情況下,微弱的剩磁所產(chǎn)生的單極電勢(shì)僅為毫伏級(jí)。但在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路或兩點(diǎn)接地時(shí),單極電勢(shì)將達(dá)到幾伏至十幾伏,會(huì)產(chǎn)生很大的軸電流,沿軸向經(jīng)軸、軸承和基礎(chǔ)臺(tái)板回路流通,不僅燒損大軸、軸瓦等部件,而且會(huì)使這些部件嚴(yán)重磁化,給機(jī)組檢修工作帶來困難。

　　2、 發(fā)電機(jī)軸電壓造成的危害

　　軸電壓大小隨各機(jī)組情況的不同而不同， 一般說來機(jī)組容量越大，其氣隙磁通和結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性也越大。

　　而磁場(chǎng)中諧波分量和鐵芯飽和程度以及定子的不平整度也越大，軸電壓峰值就越高，軸電壓的波形具有復(fù)雜的諧波分量，采用靜止可控整流勵(lì)磁的機(jī)組，其軸電壓波形中有很高的脈沖分量，對(duì)油膜絕緣特別有害，當(dāng)軸電壓達(dá)到一定值后，如不采取適當(dāng)措施，油膜會(huì)被擊穿而產(chǎn)生軸電流。

　　若汽輪發(fā)電機(jī)組的軸電流很大，則軸電流通過的軸頸、軸瓦等有關(guān)部件將燒壞，汽輪機(jī)主油泵的傳動(dòng)蝸桿和蝸輪將損壞，軸電流引起的電弧會(huì)燒蝕軸承部件并使軸承的潤(rùn)滑油老化，從而加速軸承的機(jī)械磨損，軸電流會(huì)使汽輪機(jī)部件、發(fā)電機(jī)端蓋、軸承和環(huán)繞軸的其他部件強(qiáng)烈磁化，并在軸頸和葉輪處產(chǎn)生單極電勢(shì)。

　　過高的軸電壓足以擊穿軸與軸承間的油膜時(shí)，發(fā)生放電，其放電回路為發(fā)電機(jī)大軸-------軸頸------軸瓦-----軸承支架-----機(jī)組底座。雖然，軸電壓不高，通常50∽300MW為4V→6V，但回路電阻很小，因此，產(chǎn)生的軸電流可能很大，有時(shí)達(dá)數(shù)百安。

　　軸電流會(huì)使?jié)櫥鋮s的油質(zhì)逐漸劣化，嚴(yán)重者會(huì)使軸瓦燒壞，被迫停機(jī)造成事故。所以在安裝和運(yùn)行中，測(cè)量檢查發(fā)電機(jī)組的軸及軸承間的電壓。

　　3、 發(fā)電機(jī)軸電壓的防范及消除措施

　　通常采用下列幾種防范措施

　　(1)設(shè)計(jì)安裝時(shí)，通常在位于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁端的軸承支架與底座之間加裝絕緣墊，同時(shí)將所有油管、螺桿、螺釘?shù)炔扇〗^緣措施。

　　(2)設(shè)計(jì)有發(fā)電機(jī)汽機(jī)側(cè)大軸的接地電刷，用于釋放汽輪機(jī)低壓段的靜電電荷，保證軸與地的電勢(shì)相同。

　　除消除大軸電壓外，大軸接地碳刷同時(shí)有以下作用，用以保護(hù)電機(jī)：

　　1. 測(cè)量轉(zhuǎn)子正負(fù)對(duì)地電壓。

　　2. 作為轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地的保護(hù)。

　　(3)為了降低汽輪發(fā)電機(jī)組由于磁路不對(duì)稱引起的軸電壓，設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)時(shí)考慮了消除或減少軸電壓中的三次或五次諧波分量的措施，采用全新的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)嚴(yán)格按照廠家工藝、設(shè)計(jì)要求，防止轉(zhuǎn)子偏心。

　　(4)為防止轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地短路而產(chǎn)生軸電壓，運(yùn)行時(shí)投入勵(lì)磁回路兩點(diǎn)接地保護(hù)裝置。

　　(5)為切斷軸電流，在勵(lì)磁機(jī)側(cè)包括發(fā)電機(jī)軸承、氫冷發(fā)電機(jī)的油密封，水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的進(jìn)出水支座和進(jìn)出水管法蘭，勵(lì)磁機(jī)和副勵(lì)磁機(jī)軸承與機(jī)座的底板之間加裝絕緣墊。軸承座的緊固件和連接到軸承座的油管也要與軸承絕緣可采用雙層絕緣措施。

　　(6)在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),避免產(chǎn)生磁路不對(duì)稱。

　　(7)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行時(shí),避免產(chǎn)生軸向磁通。

　　(8)將軸承座對(duì)地絕緣。

　　(9)在軸上裝設(shè)接地電刷。

　　(10)采用非磁性軸承座或附加線圈。

　　(11)在直流電機(jī)的電樞出線端加設(shè)一個(gè)對(duì)地的旁路電容。

　　4、 軸電壓的測(cè)量

　　轉(zhuǎn)子接地碳刷和軸承的絕緣對(duì)防護(hù)軸電壓對(duì)發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的作用是非常重要的。在實(shí)際的運(yùn)行中, 由于安裝、運(yùn)行環(huán)境的惡化、磨損等, 會(huì)使得轉(zhuǎn)子接地不好或軸承絕緣下降, 導(dǎo)致軸電壓上升, 軸電流增大, 最終可能損壞發(fā)電機(jī)。因此, 定期測(cè)量軸電壓, 對(duì)改善發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況, 是十分必要的。

　　所以發(fā)電機(jī)設(shè)置大軸接地保護(hù)，保護(hù)有兩個(gè)接地保護(hù)碳刷，把測(cè)量值引入發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置。