汽轮发电机轴电压产生原因
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汽轮发电机轴电压产生原因
摘要：为最大限度抑制轴电压的产生和危害。本文在概述轴电压以及轴电压的危害的基础上，对汽轮发电机轴电压产生的原因进行分析，并提出相应的处理方法，以供相关的工作人员参考借鉴，
关键词：汽轮发电机；轴电压；原因；处理方法
1轴电压
轴电压是指由于发电机磁场不对称，发电机大轴被磁化，静电充电等原因在发电机轴上感应出的电压。为了监视轴绝缘的完好与否，需定期测量轴两端的电压和轴与机身之间的电压。
2轴电压危害
轴电压是发电机运行过程中在转轴两端、转轴局部以及转轴对地的电位差。轴电压是发电机运行过程中普遍存在的一种电气现象，大型、高速发电机尤为严重。轴电压较低时，由于油膜的绝缘作用，放电是不容易发生的。然而，当轴电压较高，轴瓦表面有缺陷，润滑油油质或流量不达标以及发电机异常振动等可能会造成油膜击穿，导致轴与轴瓦形成金属性接触，形成相当大的轴电流，可达到几百安甚至上千安，它足以烧损轴颈和轴瓦。轴电压造成轴承腐蚀是一个加速过程，一次放电就可能使轴瓦表面金属局部融化，在油膜内形成金属颗粒并破坏油膜绝缘，使得放电更易发生，形成连锁反应，引发机组振动加剧，直至被迫退出运行，给现场安全生产带来隐患。轴承损坏带来的直接和间接经济损失十分严重。例如在20世纪70年代，我国一台QFSS-200-2型200MW汽轮发电机发生一起励磁回路两点接地故障，造成轴承绝缘击穿产生强大的轴电流、引起轴系和汽轮机磁化事故，使发电机、转子、隔板、缸体、曲瓦等部件发生了严重磁化，并导致部分轴瓦烧坏，30级隔板与隔板套摩擦和烧伤。揭缸检查发现许多部位剩磁达几十至几百高斯，需要停机检修一个月左右，对整个机组进行退磁和修理。根据统计，由于轴承破坏而造成的发电机故障约为故障总数的20%，而其中由轴电流引起的轴承故障又占30%，是发电机损坏的重要原因。
3汽轮发电机轴电压产生原因
3.1静止励磁系统引发轴电压
大部分汽轮发电机是用静止励磁系统作为励磁方式，但静止励磁系统内部的晶闸管会因换弧而产生轴电压。该电压由转子轴与励磁绕组间的电容和转子轴与地间的电容耦合形成。该电压由两部分组成：一部分是幅值为10-60V的3倍频矩形波；另一部分是峰值为30V、每个周期的矩形波中含有6个高频分量的谐波。静止励磁系统引发的轴电压可表示为：
Cw为励侧绕组对转子电容;Ct为整流变压器对地电容;Cs为转子轴对地电容;Uc为整流器输出端对中性点所得申压的共模电压。
3.2静电荷引发轴电压
悬浮的金属和其他介质发生相对运动时会产生静电荷，当发电机的转子旋转时，转子与油膜间、主油泵的叶轮和润滑油间、汽轮机叶片与蒸汽间、汽轮机末级叶片和空气间，都会产生静电荷。这些静电荷能在轴系上累计产生上百伏的电压峰值。
3.3轴向磁通引发轴电压
随着电力系统具备越来越多样化的负荷，越来越多的电厂参与调频工作，这就增加了转子绕组产生不对称匝间短路的风险。转子绕组发生不对称匝间短路时，会产生不对称的轴向磁通和径向磁通，即剩磁。它会在发电机机壳产生旋转磁场，从而会在机壳—轴承—绝缘油—转子回路中产生轴电压。转子极间连接线也易发生轴向磁化，引发剩磁，产生轴电压。当转子出现匝间短路时，转子极间连接线更易在油膜和轴径间引发单极性电压。这种现象会加速绝缘油的老化，甚至击穿油膜、破坏轴径。
3.4磁不对称引发轴电压
发电机因制作工艺的固有局限，难免会产生磁阻和磁通不对称现象，因而发电机运行时会产生交变磁场，形成轴电压回路。正常情况下，这样的电压不会超过10V。但在这样的轴电压回路中，发电机的轴承、轴系和本体的电阻很小，轴电流就会很大，能引发电弧放电，在轴承上造成蚀点，严重时会磨损甚至烧毁轴承和轴瓦。磁阻、磁通不对称的原因主要为：发电机定子的硅钢片间存在间隙；发电机制造缺陷或安装不当，造成定转子不同心；在定子中，每块扇形冲压片的磁导率存在误差；定子的扇形冲压片安装不当，使得它们间的接缝不一致；长期运行的发电机未得到有效护理，定子局部生锈。
4汽轮发电机轴电压处理方法
4.1在励磁侧加装抑制装置
应减小整流变压器对地电容、励磁输出的共模电压、励磁侧绕组对转子电容，增加轴对地电容。静止励磁系统引发的轴电压具有高频尖峰分量，可通过RC接地回路得到有效改善。RC并联回路中的电阻可限制电流的大小，电容可过滤高频脉冲分量。
4.2汽端大轴接地
对于静电荷引发的轴电压，可在汽端轴系上装设一个碳刷，碳刷的尾部通过接地线和接地装置连接。使用该方法需要注意以下要点。(1)应选择汽端轴系上直径小的位置安装碳刷，这样不但能减小碳刷和轴的接触电阻，还能减少碳刷和轴系的磨损，但是对于静止励磁的发电机，不能离励磁侧太远，否则不能有效释放静止励磁系统产生的轴电压。(2)定期清洁碳刷和轴的接触面，并保证其周围环境清洁，避免油污粉尘等污染物附着，造成接触不良、接地效果差。
4.3增加励端轴承的绝缘 轴电压通过轴系、轴瓦、油膜和基座构成通路。该通路中的绝缘介质只有一层绝缘油。可采用绝缘阻断电气的方法加强轴电压通路的绝缘，从而抑制轴电流。在轴瓦和发电机基座间任何可导通的接触面都应加装绝缘片，比如密封座与中间环间、中间环与端盖间、端盖与与外挡油盖间、轴承顶块与端盖间、轴瓦与端盖间、基座与地面间、端盖与轴间，都应加装绝缘片。中间环、轴承顶块、轴瓦制动销、轴瓦绝缘垫块、挡油盖应分别有导线引至端子箱，方便随时测量其对地绝缘。另外，连接部件的螺栓必须使用绝缘垫片和套筒，保证轴电流无法通过螺栓在金属部件间传递。绝缘片的材料一般选用环氧酚醛或环氧树脂。以上绝缘层安装完毕后，在发电机未通油时，其绝缘电阻应大于10ＭΩ；在发电机通油后，其绝缘电阻应不低于1ＭΩ。绝缘电阻的测量工作可通过兆欧表完成。
4.4优化发电机设计
在发电机的设计过程中，应注意以下几点。(1)完善汽轮机的设计方案，防止低压段的水雾出现，有效释放静电电荷。(2)氢冷发电机应加装氢气干燥系统，避免湿度过高而降低氢气对发电机的冷却能力。(3)配备一系列发电机在线监测设备来综合判定发电机的运行情况，为问题的预警和处理提供依据，比如匝间短路监测、局部放电监测、绝缘过热监测、轴电流轴电压监测。若大轴出现故障，发生磁化现象，则应采取退磁措施后，方可重新投入生产。
4.5优化制造、安装工艺
在发电机制造过程中，应注意以下几点。(1)提高定子铁心冲压片的制作工艺，减少铁心冲压缺陷产生的轴电压3次和5次谐波分量。(2)安装定转子时，应严格控制定、转子的同心度，减少定、转子偏心引发的磁通不对称现象。(3)运输、安装和大修转子时，执行严格的防异物措施，避免风孔内出现金属异物导致短路，避免油污进入风孔。若发电机运行中出现内部漏油现象，且油已漏到转子内，则可用干燥的压缩空气吹扫转子风孔，用带电清洗剂清理定子内表面和转子外表面。
5结束语 汽轮发电机的轴电压普遍存在，若得不到有效处理，则会在轴承上造成电蚀，或加速绝缘油老化，严重时甚至会烧坏轴瓦及主轴，引起停机事故或造成不必要的检修和发电损失。而轴电压是由一系列原因造成的，因此在应对轴电压时，需根据产生轴电压的不同原因采取有针对性的措施。
参考文献
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