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内蒙古发电机轴电压产生的原因、危害及处理措施

发电机轴电压一直是存在的，但一般不高，通常为几伏至十几伏。但当绝缘垫因油污、损坏或老化等原因失去作用时，则轴电压足以击穿轴与轴承间的油膜而发生放电，久而久之，就会使润滑和冷却的油质逐渐劣化，严重者会使转轴和轴瓦烧坏，造成停机事故。

1、发电机轴电压产生的原因

(1)磁不对称引起的轴电压

它是存在于汽轮发电机轴两端的交流型电压。由于定子铁芯采用扇形冲压片、转子偏心率、扇形片的导磁率不同,以及冷却和夹紧用的轴向导槽等发电机制造和运行原因引起的磁不对称,结果产生包括轴、轴承和基础台板在内的交变磁链回路。由此在发电机大轴两端产生电压差。每一种磁不对称都会引起相应幅值和频率的轴电压分量,各个轴电压分量叠加在一起,使这种轴电压的频率成分很复杂,其中基波分量的幅值最大,3次和5次谐波幅值稍小,更高次谐波分量幅值很小。这种交流轴电压一般为1～10V,它具有较大的能量。如果不采取有效措施,此种轴电压经过轴—轴承—基础台板等处形成一个回路,产生一个很大的轴电流。轴电流引起的电弧加在轴承和轴表面之间,其主要后果是引起轴承上的钨金和轴表面的磨损,并使润滑油迅速劣化。由此会加速轴承的机械磨损,严重者会使轴瓦烧坏。

(2)静电电荷引起的轴电压

这种出现在轴和接地台板之间的直流型电压,是在一定条件下高速流动的湿蒸汽与汽轮机低压缸叶片摩擦出的静电电荷产生的。这种静电效应仅仅偶然在某种蒸汽条件下才能出现,并非经常存在。随着运行工况的不同,这种性质的轴电压有时会很高,电位达到上百伏,当人触及时会感到麻手。它不易传导至励磁机侧,但如果不采取措施将该静电电荷导入大地,它将在发电机汽机侧轴承油膜上聚集并且最终在油膜上放电而导致轴承损坏。

(3)静态励磁系统引起的轴电压

目前,大型汽轮发电机组普遍采用静态励磁系统。静态励磁系统因可控硅换弧的影响,引入了一个新的轴电压源。静态励磁系统将交流电压通过静态可控硅整流输出直流电压供给发电机励磁绕组,此直流电压为脉动型电压。对于采用三相全控桥的静态励磁系统,其励磁输出电压的波形在1个周期内有6个脉冲。这个快速变化的脉动电压通过发电机的励磁绕组和转子本体之间的电容耦合在轴对地之间产生交流电压。此种轴电压呈脉动尖峰状,其频率为300Hz(当励磁系统交流侧电压频率为50Hz时),它叠加到磁不对称引起的轴电压上,从而使油膜承受更高的尖峰电压。在增大到一定程度时,击穿油膜,形成电流而造成机械部件的灼伤和损坏。

(4)剩磁引起的轴电压

当发电机严重短路或其他异常工况下,经常会使大轴、轴瓦、机壳等部件磁化并保留一定的剩磁。磁力线在轴瓦处产生纵向支路,当机组大轴转动时,就会产生电势,称为单极电势。正常情况下,微弱的剩磁所产生的单极电势仅为毫伏级。但在转子绕组匝间短路或两点接地时,单极电势将达到几伏至十几伏,会产生很大的轴电流,沿轴向经轴、轴承和基础台板回路流通,不仅烧损大轴、轴瓦等部件,而且会使这些部件严重磁化,给机组检修工作带来困难。

2、发电机轴电压造成的危害

轴电压大小随各机组情况的不同而不同，一般说来机组容量越大，其气隙磁通和结构的不对称性也越大。而磁场中谐波分量和铁芯饱和程度以及定子的不平整度也越大，轴电压峰值就越高，轴电压的波形具有复杂的谐波分量，采用静止可控整流励磁的机组，其轴电压波形中有很高的脉冲分量，对油膜绝缘特别有害，当轴电压达到一定值后，如不采取适当措施，油膜会被击穿而产生轴电流。

若汽轮发电机组的轴电流很大，则轴电流通过的轴颈、轴瓦等有关部件将烧坏，汽轮机主油泵的传动蜗杆和蜗轮将损坏，轴电流引起的电弧会烧蚀轴承部件并使轴承的润滑油老化，从而加速轴承的机械磨损，轴电流会使汽轮机部件、发电机端盖、轴承和环绕轴的其他部件强烈磁化，并在轴颈和叶轮处产生单极电势。

过高的轴电压足以击穿轴与轴承间的油膜时，发生放电，其放电回路为发电机大轴—轴颈—轴瓦—轴承支架—机组底座。虽然，轴电压不高，300MW等级发电机为6V左右，但回路电阻很小，因此，产生的轴电流可能很大，有时达数百安。轴电流会使润滑冷却的油质逐渐劣化，严重者会使轴瓦烧坏，被迫停机造成事故。所以在安装和运行中，测量检查发电机组的轴及轴承间的电压。

3、发电机轴电压的防范及消除措施

通常采用下列几种防范措施：

(1)设计安装时，通常在位于发电机励端的轴承支架与底座之间加装绝缘垫，同时将所有油管、螺杆、螺钉等采取绝缘措施。

(2)设计有发电机汽机侧大轴的接地电刷，用于释放汽轮机低压段的静电电荷，保证轴与地的电势相同。

除消除大轴电压外，大轴接地碳刷同时有以下作用，用以保护电机：a.测量转子正负对地电压。b.作为转子一点接地的保护。

(3)为了降低汽轮发电机组由于磁路不对称引起的轴电压，设计发电机时考虑了消除或减少轴电压中的三次或五次谐波分量的措施，采用全新的发电机结构，安装时严格按照厂家工艺、设计要求，防止转子偏心。

(4)为防止转子绕组一点接地短路而产生轴电压，运行时投入励磁回路两点接地保护装置。

(5)为切断轴电流，在励端包括发电机轴承、氢冷发电机的油密封、水内冷发电机转子的进出水支座和进出水管法兰、尾部轴承与机座的底板之间加装绝缘垫。轴承座的紧固件和连接到轴承座的油管也要与轴承绝缘可采用双层绝缘措施。

(6)在电机设计时,避免产生磁路不对称。

(7)电机设计、制造和运行时,避免产生轴向磁通。

(8)将轴承座对地绝缘。

(9)在轴上装设接地电刷。

(10)采用非磁性轴承座或附加线圈。

(11)在直流电机的电枢出线端加设一个对地的旁路电容。

4、轴电压的测量

转子接地碳刷和轴承的绝缘对防护轴电压对发电机安全运行的作用是非常重要的。在实际的运行中,由于安装、运行环境的恶化、磨损等,会使得转子接地不好或轴承绝缘下降,导致轴电压上升,轴电流增大,最终可能损坏发电机。因此,定期测量轴电压,对改善发电机运行情况,是十分必要的。

5、总结

发电机的轴电压过高对发电机正常运行有着很大的影响，所以应定期进行测量。对于一些大型发电机组，必要安装在线保护装置，时常监测发电机是否处于正常运行状态。我国电力工业正处于大电网和大机组发展时期,随着发电机组单机容量的增大和静态励磁系统的广泛采用,采取有效防护措施抑制轴电压及有害轴电流的产生，是非常重要的。

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