確保水電站穩(wěn)定、靈活、可靠和經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)電能，對(duì)加速我國(guó)水電事業(yè)的發(fā)展具有重大的意義?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了水輪發(fā)電機(jī)組朝大型化方向發(fā)展的速度，使它在電網(wǎng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。
[關(guān)鍵詞]水電廠；發(fā)電機(jī)組；軸電流
中圖分類號(hào)：TM31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-914X（2013）21-0118-01
一、軸電壓、軸電流的產(chǎn)生
同步發(fā)電機(jī)的磁路往往不對(duì)稱，這種不對(duì)稱通常是由于定子鐵心組合縫、定子硅鋼片接縫、定子與轉(zhuǎn)子空氣間隙不均勻造成的。發(fā)電機(jī)主軸在這種不對(duì)稱磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，會(huì)在其兩端產(chǎn)生交流電壓即軸電壓，如果電機(jī)主軸兩端軸承沒有絕緣墊，這個(gè)電壓就會(huì)通過(guò)電機(jī)兩端軸承支架形成電流回路，這個(gè)電流叫軸電流。在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，如果在電機(jī)兩軸承端或轉(zhuǎn)軸與軸承間存在軸電流時(shí)，將會(huì)大大縮短電機(jī)軸承的使用壽命嚴(yán)重時(shí)只能運(yùn)行幾小時(shí)。
1.1 磁不平衡產(chǎn)生軸電壓
交流異步發(fā)電機(jī)在正弦交變電壓下運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)子處在正弦交變的磁場(chǎng)中。由于發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子扇形沖片、硅鋼片等疊裝因素，再加上鐵芯槽、通風(fēng)孔等存在，在磁路中造成不平衡的磁阻。當(dāng)發(fā)電機(jī)的定子鐵芯圓周方向上的磁阻發(fā)生不平衡時(shí)，使產(chǎn)生與軸相交鏈的交變磁通，從而產(chǎn)生交變電勢(shì)。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)即磁極旋轉(zhuǎn)，通過(guò)各磁極的磁通發(fā)生了變化，在軸的兩端感應(yīng)出軸電壓，產(chǎn)生了與軸相交鏈的磁通。隨著磁極的旋轉(zhuǎn)，與軸兩側(cè)的軸承形成閉合回路，就產(chǎn)生了軸電流。一般情況下這種軸電壓大約為1～2V。
1.2 逆變供電產(chǎn)生軸電壓
發(fā)電機(jī)采用逆變供電運(yùn)行時(shí)，供電電壓含有高次諧波分量，使定子繞組線圈端部、接線部分、轉(zhuǎn)軸之間產(chǎn)生電磁感應(yīng)從而產(chǎn)生軸電壓。
發(fā)電機(jī)定子繞組是嵌入定子鐵芯槽內(nèi)，定子繞組的匝間以及定子繞組和發(fā)電機(jī)機(jī)座之間均存在分布電容，當(dāng)通用變頻器在高載頻下運(yùn)行時(shí)，逆變器的共模電壓產(chǎn)生急劇變化，會(huì)通過(guò)發(fā)電機(jī)繞組的分布電容由發(fā)電機(jī)的外殼到接地端之間形成漏電流。該漏電流有可能形成放射性和傳導(dǎo)性兩類電磁干擾。而由于發(fā)電機(jī)磁路的不平衡，靜電感應(yīng)和共模電壓產(chǎn)生又是產(chǎn)生軸電壓和軸電流的起因。當(dāng)繞組輸入端突加陡峭變化電壓時(shí)，由于分布電容的影響，繞組各點(diǎn)電壓分布不均，使輸入端繞組接近端口部分電壓高度集中而引起絕緣破壞或老化。這種現(xiàn)象一般破壞的部分是定子繞組，電壓常集中侵入的端點(diǎn)部位。此外，由于繞組的電抗較大，輸入電壓的高頻分量將集中于輸入端點(diǎn)附近的分布電容上，通過(guò)配電線、繞組、機(jī)殼間的分布電容到接地線流通電流，形成一個(gè)LC 串聯(lián)諧振電路，當(dāng)其中產(chǎn)生高頻諧振電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生各式各樣的故障。一般通用變頻器驅(qū)動(dòng)容量較小的發(fā)電機(jī)時(shí)，軸電壓的問(wèn)題可以不考慮，但使用超過(guò)200kW的發(fā)電機(jī)時(shí)，特別是已有變頻器調(diào)速改造的場(chǎng)合，事先確認(rèn)軸電壓的大小，以便及早采取預(yù)防措施。
1.3 不平衡磁通產(chǎn)生軸電壓
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)切割不平衡磁通而在軸兩端產(chǎn)生的電壓，造成發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)磁容不均衡進(jìn)而產(chǎn)生軸電壓，原因有制造工藝及安裝造成，有發(fā)電機(jī)內(nèi)部或外部產(chǎn)生不對(duì)稱短路電流產(chǎn)生，勵(lì)磁回路接地或轉(zhuǎn)子繞組匝間短路等。
1.4 發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)體上產(chǎn)生靜電荷
當(dāng)發(fā)電機(jī)電荷逐漸積累后便產(chǎn)生軸電壓。由這種情況產(chǎn)生的軸電壓和由磁交變產(chǎn)生的軸電壓在原理上是不同的。靜電荷產(chǎn)生的軸電壓是間歇的，并且是非同期性的，其大小與運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、流體的狀態(tài)等因素關(guān)系很大。如靜電荷的積累、測(cè)溫元件絕緣破損等因素都有可能導(dǎo)致軸電壓的產(chǎn)生。軸電壓建立起來(lái)后，一旦在轉(zhuǎn)軸及機(jī)座、殼體間形成通路，就產(chǎn)生軸電流。
1.5 發(fā)電機(jī)產(chǎn)生軸電壓的外部原因，外部電源的介入產(chǎn)生軸電壓
由于運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)接線比較繁雜，尤其發(fā)電機(jī)保護(hù)、測(cè)量元件接線較多，哪一根帶電線頭搭接在轉(zhuǎn)軸上，便會(huì)產(chǎn)生軸電壓。由上分析，發(fā)電機(jī)的軸電壓、軸電流是由于發(fā)電機(jī)軸磁路不對(duì)稱、轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)不同心、感受生脈動(dòng)磁通等原因產(chǎn)生的。它會(huì)使軸-軸承-機(jī)座的回路有軸電流流通，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸兩端、軸與軸承之間、軸與軸承對(duì)地形成軸電壓。根據(jù)軸承的種類不同，其耐壓程度有所不同，若超過(guò)軸承所允許的值，會(huì)通過(guò)油膜放電或者導(dǎo)電，在軸瓦和軸承處產(chǎn)生點(diǎn)狀微孔，并在底部產(chǎn)生發(fā)黑現(xiàn)象。嚴(yán)重時(shí)會(huì)使軸和軸承受到損壞，運(yùn)行中伴隨著強(qiáng)烈的噪聲及設(shè)備外殼帶電等。
2 發(fā)電機(jī)軸電流的危害
水力發(fā)電廠發(fā)電機(jī)采用稀油潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承，電機(jī)軸是沉在油膜上的。正常情況下，轉(zhuǎn)軸與軸承間的潤(rùn)滑油膜起到絕緣的作用。對(duì)于較低的軸電壓，還會(huì)產(chǎn)生軸電流。當(dāng)軸電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，尤其在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油膜還未穩(wěn)定形成，軸電壓將擊穿油膜構(gòu)成回路，產(chǎn)生相當(dāng)大的軸電流，可達(dá)到幾百安甚至上千安。由于該金屬接觸面很小，電流密度大，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，于是在軸承內(nèi)表面上燒出小凹坑。通常表現(xiàn)出來(lái)的癥狀是軸承內(nèi)表面被壓出條狀電弧傷痕，嚴(yán)重時(shí)足以把軸頸和軸瓦燒壞。
2.1 由軸電流的電解作用，運(yùn)行磨擦在油軸上產(chǎn)生的靜電荷，使軸的電位因被充電而升高。當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軸接觸到旋轉(zhuǎn)體以外的任何部件時(shí)，便通過(guò)該部件進(jìn)行放電。否則就要繼續(xù)積累電荷，zui后產(chǎn)生過(guò)高的電壓，如果超過(guò)軸承油膜的絕緣強(qiáng)度時(shí)，電荷在極短的時(shí)間內(nèi)放電。這種現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生的結(jié)果，就能使軸受到損傷。
2.2 潤(rùn)滑油炭化、溶化后我金屬微粒摻入潤(rùn)滑油系統(tǒng)，使?jié)櫥蛣┦艿轿廴?，造成?rùn)滑油性能變差，使軸承溫度升高，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸與軸瓦相接觸部位有不同程度的損傷情況。這種現(xiàn)象不同于軸與軸瓦之間的異常磨損，而是屬于某種物質(zhì)對(duì)軸面進(jìn)行局部的腐蝕。從腐蝕的情況來(lái)看屬于點(diǎn)腐蝕，斑點(diǎn)面積zui大的達(dá)到10mm2，深度達(dá)到 0.9mm。雖然對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行過(guò)車洗和金屬噴涂等，但并沒有從根本上解決問(wèn)題。經(jīng)過(guò)分析，排除了機(jī)械損傷和化學(xué)腐蝕的因素，zui后確定為軸電流所致。
3 防止軸電流產(chǎn)生的措施
3.1 在軸端安裝接地碳刷，使接地碳刷可靠接地，并且與轉(zhuǎn)軸可靠接觸，保證轉(zhuǎn)軸電位為零電位，隨時(shí)將電機(jī)軸上的靜電荷引向大地，以此消除軸電流。
3.2 為防止磁不平衡等原因產(chǎn)生軸電流，在非軸伸端的軸承座和軸承支架處加絕緣隔板，切斷軸電流的回路。
3.3 要求檢修運(yùn)行人員細(xì)致檢查并加強(qiáng)導(dǎo)線或墊片絕緣。
3.4 在機(jī)座中除一個(gè)軸承座外，其余軸承座及包括所有裝在其上的儀表外殼等金屬部件都對(duì)地絕緣，不絕緣的軸承應(yīng)裝接地電刷以防靜電充電。
3.5 對(duì)于由軸交鏈交變磁通所產(chǎn)生的軸電壓，可在發(fā)電機(jī)一側(cè)的軸承座下加絕緣墊以割斷軸與軸瓦之間形成的回路，使軸電流無(wú)法產(chǎn)生。3.6 保持軸與軸瓦之間潤(rùn)滑絕緣介質(zhì)油的純度，發(fā)現(xiàn)油中帶水必須進(jìn)行過(guò)濾處理，否則油膜的絕緣強(qiáng)度不能滿足要求，容易被低電壓擊穿。
結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，采用軸電流變送器對(duì)軸承的絕緣情況加以監(jiān)視，它成為大型發(fā)電機(jī)組軸電流保護(hù)的發(fā)展方向，與通常采用的大軸側(cè)裝有交流互感器的軸電流保護(hù)方式比較，其zui大優(yōu)點(diǎn)就是可以避免因電流互感器二次側(cè)電流受電磁及負(fù)載電流變化而帶來(lái)的外界影響，一般通過(guò)以上處理，發(fā)電機(jī)內(nèi)的軸電流微乎其微，對(duì)發(fā)電機(jī)構(gòu)不成實(shí)質(zhì)危害?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，經(jīng)上述方式處理后實(shí)際使用壽命可由原幾十個(gè)小時(shí)提高到上萬(wàn)小時(shí)，效果比較明顯，尤其對(duì)高壓發(fā)電機(jī)軸電流防范效果更好。