水轮发电机轴承电流和轴电流的产生、防止与检测
摘要：
本文主要论述了发电机产生轴承电流和轴电流的机理、原因；防止轴承电流和轴电流的措施以及轴承电流与轴电流的检查与监测。
关键词：
水轮发电机、轴承电流、轴电流
发电机由于设计、制造和安装不当以及运行中的一些故障，可能产生轴承电流和轴电流。
当这些电流流过轴承并且数值足够大时，就会灼伤轴头和轴承表面，还会使周围的润滑油炭化，破坏轴承的润滑性和绝缘性，进而使轴承表面烧损酿成事故。
水轮发电机容量比较大，又是电力能源的关键设备，因此研究水轮发电机轴承电流和轴电流产生的原因，采取可行的防止措施和监测检查方法对于发电机安全、可靠地运行是至关重要的。
一、产生轴承电流和轴电流的机理：
1.轴承电流：水轮发电机的转轴（包括与转轴直接相连的推力头
等部件）及轴承座都是由磁性材料钢（铁）制造的，尤其是卧
式电机的轴承座多采用较大矫顽磁力的生铁制造。
当存在环轴
电压时，这些部件很容易被磁化。
在图1所示的回路中就会流
有剩磁。
只要受到一次磁化，在图1所示的回路中就会留有剩
磁。
负载时，由于其它原因又可能使转轴受到更严重的磁化，
在图1回路中就会有磁通流过。
由转轴流向轴瓦的磁力线与轴
承表面相交，轴转动时其表面切割这些磁力线，沿轴表面长度
方向上产生感应电势，其大小与转轴周速和流经轴经的磁密成正比，这就是通常所说的“单极效应”，在轴瓦与转轴之间形成涡流，如图2所示。
这种电流我们称之为轴承电流。
2.轴电流：当发电机存在与转轴交连的交变磁场时，会在转轴上
产生感应交变电势（轴电压），这样在图1的闭合回路中会有
交变电流流过，这就是轴电流。
二、产生轴承电流的原因：
1.水轮发电机转子磁极线圈通常采用单路正反接交替形式，如图
3所示。
励磁电流除通过各磁极形成的主磁场外，其极间连接线又形成了环轴的单匝线圈，导致环轴电压的存在，使转轴磁化。
2.发电机有时会出现磁极线圈匝间短路故障。
当一个磁极出现匝间短路时，会造成转子磁势不对称，我们以两极电机为例来说明（图4）。
当2号磁极线圈发生匝间短路时，它与1号磁极产生的磁势不相等。
这相当于在正常励磁电流上增加了一个环流i＇, 环流i＇使2号磁势减小，使1号磁极磁势增加，而i＇又形成了环轴电压，使转轴磁化，产生轴向磁通。
同理，对于多极电机或多个磁极匝间短路也是一样。
3.水轮发电机在安装中，由于电机直径大，部件变形等因素的影响，经常出现定、转子间气隙不均匀现象，如图5所示。
此时尽管各极电压相同，即磁势相同，但由于δ1与δ2不相等造成的磁阻不同，所以Ф1Ф2不相等轴向磁通不能相互抵消，产生了多余的轴向磁通。
此外，有时磁极铁心在磁轭上安装不紧密，出现第二气隙，其后果与上述相同。
早期生产的水轮发电机采用直流励磁机励磁，直流励磁机的换向极连接线或绕组布置不合理，也会形成环轴电压，使转轴磁化。
当励磁机出现短路事故时则更为严重。
因此，常将换向极绕组分为两组，使环流方向相反相互抵消，以避免形成环轴电压。
三．产生轴电流的原因：
1.水轮发电机定子铁心都是由扇形硅钢片拼成整圆，片间接缝每
层相互错开，这样铁心圆周上形成很多接缝。
接缝处磁阻较其他部分大，当铁心磁密较高时，接缝处磁阻增加更多。
发电机运转时，会出现两种情况：
a.定子铁心接缝数与极数配合如图6所示。
当发电机转子沿箭头方向旋转时，接缝A 逐渐进入1.3号极，而同时接缝B则进入2.4号极。
此时对各极来说磁阻都逐渐减小，因为这时有一部分磁通不再需要经
过接缝处了。
由于磁阻减小，定子铁心中磁通增加，其增加方向如图中小箭头所示。
明显看出，在接缝A、B处所增加的磁通方向相反，因而可以相互抵消。
这样对图1闭和回路来说就不会有任何高频脉振磁通，也就不会在在回路中产生感应电势（轴电压），当然也不会产生轴电流。
b.另一种情况定子铁心接缝数与极数配合如图7所示。
发电机转
子旋转时接缝A进入1、3、5号极，此时定子铁心中磁通将按小箭头方向增加，且各极接缝处磁通增加方向相同，不能相互抵消。
但当按键A进入2.4.6极时，接缝A处磁通将减少。
这样就形成与图1闭和回路相连的高频脉振磁通，在回路中产生感应电势（轴电压），有轴电流流过。
通过对上述两种情况的分析，总结出判断是否会产生轴电流的方法。
设定：s-定子铁心圆周上总接缝数。
p-转子极对数
t-s与p的最大公约数
q=s/t
当q为偶数时不会产生轴电压；而q为奇数时则会产生轴电压，出现图1的闭合回路就会有轴电流流过。
轴电压（轴电流）的频率：
f=qpn H/60=qf H f H-发电机的频率
下面给出部分接缝树与极数的配合，“空格”表示不会产生轴电压，数字表示轴电压（轴电流）的频率（发电机频率的倍数）。
2.发电机定子三相电流不平衡、定子绕组内部短路、定子某项并联支路间存在平衡电流等都会在定子中产生一个不平衡磁场，它将在图1回路中引起轴电压，严重时其数值较定子铁心的接缝所产生的轴电压还要大。
当然定子短路与接地事故影响更大。
3.定、转子间气隙不均匀，相当于在磁路里存在一个磁阻较大的定子接缝，同样会引起磁场不对称，在转轴上感应轴电压。
四.防止轴承电流和轴电流的措施：
从上述分析可知，产生轴承电流与轴电流是在图1所示回路是闭和的，分别有磁通或电流流过。
因此防止轴承电流与轴电流的根本措
施是截断图1中的回路。
1.将发电机转子中心线一侧的轴承与地板绝缘，同一侧与发电机定子、地板、基础接触又同时与转轴连接或动接触的部件与转轴之间绝缘。
该绝缘厚度一般为3-10mm，此厚度的大小对轴电流关系不大，但对轴承电流影响明显，因为厚度越大，磁阻越大，使回路中磁通减少，轴承电流将随之减小。
在立式水轮发电机中（图8），悬式结构中的推力和上导轴承，半伞式结构的上导轴承及旋桨式水轮机的受油器都要有绝缘，全伞式结构而又没有受油器的可不设绝缘，因为形不成闭和回路。
推力轴承绝缘设在推力座上，前苏联和我国早期的产品还在推力头与镜板之间设有绝缘垫板，此板还可通过调整轴线。
导轴承绝缘一般设在瓦背凹巢内。
卧式水轮发电机绝缘的设置与立式机相似。
灯泡式发电机也是一
样，如图9所示，单悬臂发电机将推、导联合轴承和受油器与转子绝缘，双悬臂发电机将受油器绝缘。
双悬臂又配定桨式水轮机的可不设绝缘。
有些大型的全伞式发电机，为安全可靠，防止在转子倾倒，定子绕组短路接地等事故时，可能有电流流过轴承而设置绝缘的。
还应注意，水冷推力瓦的供水管路、高压顶起油管路、轴承瓦的测温元件等设备的绝缘。
2.在发电机电磁设计时，应合理选择定子铁心的拼片数与极数的配合，使之不产生轴电压。
转轴周围连接线，如可能尽量采用双线连接。
3.在转轴的合适位置设置接地电刷。
由于发电机运转时轴承的油膜有一定的绝缘性，一旦出现轴电流，可由接地电刷流通，对轴承起到保护作用。
4.提高安装质量，尽量减少定、转子间气隙不均匀程度，尽量不产
生第二气隙。
还应注意转轴密封的金属压环不要碰到轴。
5.发现转轴及附件磁化的要及时采取消磁措施。
6.装设轴电流监测装置，一旦出现轴电流可延时或瞬时断电停机。
7.轴瓦的刮研是非常重要和十分细微的工作。
轴瓦刮研不好，受到轴承电流与轴电流的损害的几率会显著增加。
研究表明，当轴瓦表面电流密度达到0.2A/cm2时，将开始受损.一旦轴瓦刮研不好，个别点将直接与轴接触，不但破坏了油膜的整体性和绝缘性而且轴电流将从此点流过，极可能烧毁轴承。
大型卧式发电机，尤其是不刮瓦的导轴承，最好设置高压油顶起装置，在开停机时投入将转轴顶起形成油膜，不但防止干摩擦，而且对转轴防止轴电流的损害也是有益的。
五．轴承电流与轴电流的检查与监测：
1.发电机安装后首先要对设置绝缘部位的绝缘电阻进行检查，使用1000伏兆欧表。
推力轴承、导轴承及其连接的管路，测温元件，在注油前绝缘电阻应大于1.0兆欧，注油后不得小于0.3兆欧。
受油器，其绝缘电阻应大于0.5兆欧。
2.发电机空转，用直流千分电压表测量转轴与轴承座之间的电压，如表格针偏转说明转轴回路有剩磁。
然后使发电机带负荷，此时若表格针偏转增加，则说明转轴在负载下受到进一步磁化，该机中有轴承电流存在。
3.发电机在额定电压下空载运转，用高内阻交流电压表测量转子两端间的轴电压，然后将转轴一端与轴承座短接，测量另一端（设有绝缘
垫片）轴承座对地电压。
对于卧式发电机，还应测量轴承座与两层绝缘垫片所夹的金属垫片之间，金属垫片与地之间的电阻。
4.轴电流的监测多采用“轴电流监测装置”。
该装置应用电流互感器原理，将带有测温线圈的环行铁心套在发电机转轴的适当位置，由检测显示装置显示轴电流数值，发出延时报警信号或瞬时断电停机。
该装置可监测0.1（0.2）A以上的电流，保护轴承免受轴电流的损害。
参考文献：
1.前苏联电力厂技术情报TN1124 轴承电流1952
2.哈尔滨电机厂技术情报NO7 轴电流1958
3.水轮发电机的设计与计算1982。
