1、水輪發電機軸承電流和軸電流的產生、防止與檢測摘要：本文主要論述了發電機產生軸承電流和軸電流的機理、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測。關鍵詞：水輪發電機、軸承電流、軸電流發電機由于設計、制造和安裝不當以及運行中的一些故障，可能產生軸承電流和軸電流。當這些電流流過軸承并且數值足夠大時，就會灼傷軸頭和軸承表面，還會使周圍的潤滑油炭化，破壞軸承的潤滑性和絕緣性，進而使軸承表面燒損釀成事故。水輪發電機容量比較大，又是電力能源的關鍵設備，因此研究水輪發電機軸承電流和軸電流產生的原因，采取可行的防止措施和監測檢查方法對于發電機安全、可靠地運行是至關重要的。一、 產生軸承電流和

2、軸電流的機理：1. 軸承電流：水輪發電機的轉軸（包括與轉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，尤其是臥式電機的軸承座多采用較大矯頑磁力的生鐵制造。當存在環軸電壓時，這些部件很容易被磁化。在圖1所示的回路中就會流有剩磁。只要受到一次磁化，在圖1所示的回路中就會留有剩磁。負載時，由于其它原因又可能使轉軸受到更嚴重的磁化，在圖1回路中就會有磁通流過。由轉軸流向軸瓦的磁力線與軸承表面相交，軸轉動時其表面切割這些磁力線，沿軸表面長度方向上產生感應電勢，其大小與轉軸周速和流經軸經的磁密成正比，這就是通常所說的“單極效應”，在軸瓦與轉軸之間形成渦流，如圖2所示。這種電流我們稱之為軸

3、承電流。 2. 軸電流：當發電機存在與轉軸交連的交變磁場時，會在轉軸上產生感應交變電勢（軸電壓），這樣在圖1的閉合回路中會有交變電流流過，這就是軸電流。二、 產生軸承電流的原因：1. 水輪發電機轉子磁極線圈通常采用單路正反接交替形式，如圖3所示。勵磁電流除通過各磁極形成的主磁場外，其極間連接線又形成了環軸的單匝線圈，導致環軸電壓的存在，使轉軸磁化。 2. 發電機有時會出現磁極線圈匝間短路故障。當一個磁極出現匝間短路時，會造成轉子磁勢不對稱，我們以兩極電機為例來說明（圖4）。當2號磁極線圈發生匝間短路時，它與1號磁極產生的磁勢不相等。這相當于在正常勵磁電流上增加了一個環流i, 環流i使2號磁勢減

4、小，使1號磁極磁勢增加，而i又形成了環軸電壓，使轉軸磁化，產生軸向磁通。同理，對于多極電機或多個磁極匝間短路也是一樣。3. 水輪發電機在安裝中，由于電機直徑大，部件變形等因素的影響，經常出現定、轉子間氣隙不均勻現象，如圖5所示。此時盡管各極電壓相同，即磁勢相同，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，產生了多余的軸向磁通。此外，有時磁極鐵心在磁軛上安裝不緊密，出現第二氣隙，其后果與上述相同。早期生產的水輪發電機采用直流勵磁機勵磁，直流勵磁機的換向極連接線或繞組布置不合理，也會形成環軸電壓，使轉軸磁化。當勵磁機出現短路事故時則更為嚴重。因此，常將換向極繞組分為兩組，

5、使環流方向相反相互抵消，以避免形成環軸電壓。三產生軸電流的原因：1.水輪發電機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，當鐵心磁密較高時，接縫處磁阻增加更多。發電機運轉時，會出現兩種情況：a.定子鐵心接縫數與極數配合如圖6所示。當發電機轉子沿箭頭方向旋轉時，接縫A逐漸進入1.3號極，而同時接縫B則進入2.4號極。此時對各極來說磁阻都逐漸減小，因為這時有一部分磁通不再需要經過接縫處了。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。這樣對圖1閉和回路來說

6、就不會有任何高頻脈振磁通，也就不會在在回路中產生感應電勢（軸電壓），當然也不會產生軸電流。b.另一種情況定子鐵心接縫數與極數配合如圖7所示。發電機轉子旋轉時接縫A進入1、3、5號極，此時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。但當按鍵A進入2.4.6極時，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，在回路中產生感應電勢（軸電壓），有軸電流流過。通過對上述兩種情況的分析，總結出判斷是否會產生軸電流的方法。設定：s-定子鐵心圓周上總接縫數。 p-轉子極對數 t-s與p的最大公約數 q=s/t當q為偶數時不會產生軸電壓；而q為奇數時則會產生軸

7、電壓，出現圖1的閉合回路就會有軸電流流過。軸電壓（軸電流）的頻率：f=qpnH/60=qfH fH-發電機的頻率下面給出部分接縫樹與極數的配合，“空格”表示不會產生軸電壓，數字表示軸電壓（軸電流）的頻率（發電機頻率的倍數）。極數接縫數246810121416182022242628303234362111111111333133133133133133141111555551555515555155563313313317777777177777717777811999399399199399399110555515555111111111111111111111111111111111111

8、1112331313131313131313131313131313113131313131477777717715151551535151553155151511515516118993993991205555221111111111111111112433287777301515515351515532369939405542212172121732172.發電機定子三相電流 不平衡、定子繞組內部短路、定子某項并聯支路間存在平衡電流等都會在定子中產生一個不平衡磁場，它將在圖1回路中引起軸電壓，嚴重時其數值較定子鐵心的接縫所產生的軸電壓還要大。當然定子短路與接地事故影響更大。3.定、轉子間氣

9、隙不均勻，相當于在磁路里存在一個磁阻較大的定子接縫，同樣會引起磁場不對稱，在轉軸上感應軸電壓。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斷圖1中的回路。1. 將發電機轉子中心線一側的軸承與地板絕緣，同一側與發電機定子、地板、基礎接觸又同時與轉軸連接或動接觸的部件與轉軸之間絕緣。該絕緣厚度一般為3-10mm，此厚度的大小對軸電流關系不大，但對軸承電流影響明顯，因為厚度越大，磁阻越大，使回路中磁通減少，軸承電流將隨之減小。 在立式水輪發電機中（圖8），懸式結構中的推力和上導軸承，半傘式結

10、構的上導軸承及旋槳式水輪機的受油器都要有絕緣，全傘式結構而又沒有受油器的可不設絕緣，因為形不成閉和回路。推力軸承絕緣設在推力座上，前蘇聯和我國早期的產品還在推力頭與鏡板之間設有絕緣墊板，此板還可通過調整軸線。導軸承絕緣一般設在瓦背凹巢內。臥式水輪發電機絕緣的設置與立式機相似。燈泡式發電機也是一樣，如圖9所示，單懸臂發電機將推、導聯合軸承和受油器與轉子絕緣，雙懸臂發電機將受油器絕緣。雙懸臂又配定槳式水輪機的可不設絕緣。 有些大型的全傘式發電機，為安全可靠，防止在轉子傾倒，定子繞組短路接地等事故時，可能有電流流過軸承而設置絕緣的。還應注意，水冷推力瓦的供水管路、高壓頂起油管路、軸承瓦的測溫元件等設

11、備的絕緣。2. 在發電機電磁設計時，應合理選擇定子鐵心的拼片數與極數的配合，使之不產生軸電壓。轉軸周圍連接線，如可能盡量采用雙線連接。3. 在轉軸的合適位置設置接地電刷。由于發電機運轉時軸承的油膜有一定的絕緣性，一旦出現軸電流，可由接地電刷流通，對軸承起到保護作用。4. 提高安裝質量，盡量減少定、轉子間氣隙不均勻程度，盡量不產生第二氣隙。還應注意轉軸密封的金屬壓環不要碰到軸。5. 發現轉軸及附件磁化的要及時采取消磁措施。6. 裝設軸電流監測裝置，一旦出現軸電流可延時或瞬時斷電停機。7. 軸瓦的刮研是非常重要和十分細微的工作。軸瓦刮研不好，受到軸承電流與軸電流的損害的幾率會顯著增加。研究表明，當

12、軸瓦表面電流密度達到0.2A/cm2時，將開始受損.一旦軸瓦刮研不好，個別點將直接與軸接觸，不但破壞了油膜的整體性和絕緣性而且軸電流將從此點流過，極可能燒毀軸承。大型臥式發電機，尤其是不刮瓦的導軸承，最好設置高壓油頂起裝置，在開停機時投入將轉軸頂起形成油膜，不但防止干摩擦，而且對轉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測： 1.發電機安裝后首先要對設置絕緣部位的絕緣電阻進行檢查，使用1000伏兆歐表。推力軸承、導軸承及其連接的管路，測溫元件，在注油前絕緣電阻應大于1.0兆歐，注油后不得小于0.3兆歐。受油器，其絕緣電阻應大于0.5兆歐。2.發電機空轉，用直流千分電壓表測量轉軸與軸承座之間的電壓，如表格針偏轉說明轉軸回路有剩磁。然后使發電機帶負荷，此時若表格針偏轉增加，則說明轉軸在負載下受到進一步磁化，該機中有軸承電流存在。3.發電機在額定電壓下空載運轉，用高內阻交流電壓表測量轉子兩端間的軸電壓，然后將轉軸一端與軸承座短接，測量另一端（設有絕緣墊片）軸承座對地電壓。對于臥式發電機，還應測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。