水电厂发电机组轴电流的危害及防范措施

程 晨

浙江仙居抽水蓄能有限公司 浙江 仙居 031000

摘要：机组在正常运行时一旦出现轴承绝缘性能下降,此时在较高的轴电压作用下将会产生较大的轴电流。当通过瓦面的轴电流密度超过0.2A/cm2,就可能对轴瓦产生电腐蚀,油膜遭到破坏,危及机组安全运行。为此,合理配置及装设可靠的轴电流保护装置,在大型水轮发电机组的保护中显得尤为重要。基于此，本文主要对水电厂发电机组轴电流的危害及防范措施进行分析探讨。

关键词：水电厂；发电机组；轴电流；危害；防范措施

前言

同步发电机的磁路往往不对称，这种不对称通常是由于定子铁心组合缝、定子硅钢片接缝、定子与转子空气间隙不均匀造成的。发电机主轴在这种不对称磁场中旋转，会在其两端产生交流电压即轴电压，如果电机主轴两端轴承没有绝缘垫，这个电压就会通过电机两端轴承支架形成电流回路，这个电流叫轴电流。在发电机运行过程中，如果在电机两轴承端或转轴与轴承间存在轴电流时，将会大大缩短电机轴承的使用寿命严重时只能运行几小时。

1、案例事件经过

某水电站1号机组，始建于2012年，经过几年的运行，到2018年机组在一次检修后手动起励升压过程中，监控反复报出轴电流告警动作，立即派出运行人员到现场进行检查，检查结果显示轴电流示数一直处于跳变的状态，跳变范围在0.24～4A之间，机端电压达额定电压10500V的80%时，轴电流示数维持在3A以上，已超过机组轴电流监测告警设定值0.8A的4倍，由于是手动操作，机组并未达到跳闸设定值。根据以往经验，判定是1号水轮发电机产生轴电流故障，为避免轴电流继续上升，需要找出轴电流发生的根源，并采取防范措施，才能确保机组运行的稳定性和安全性。

2、轴电流异常原因分析

灯泡贯流式水轮发电机的转子在转动过程中，四周带有磁场，受到多重因素的影响，轴在运行中旋转不平衡，会做切割磁感线的运动，根据物理学磁生电的原理，就会导致一些零件带有一定的电位。随着电位的不断升高，就会击穿轴的油膜，从而形成电流回路。如果形成的电流强度到达一定值，有可能会穿过整个发电机转子，也可仅仅在导轴承局部形成短路电流。根据物理学电生磁的原理，会在短路电流附近，形成新的磁场，从而继续磁化轴承和其他零部件。如果长时间得不到处理，根据磁电相互不断转化的现象，灯泡贯流式水轮发电机内部逐渐形成很强的磁场和很高的电流。

除此之外，灯泡贯流式水轮发电机轴承在运行时也会产生一定量的静电荷，促使轴承周围的电位不但提升，一旦接触导致旋转体之外的任何部件，就可以通过该部件进行放电，形成轴电流，否则会导致电荷不断累积，最终形成过高的电压，引发触电事故。这种轴电流的特点是随机性较强，没有固定的频率。

该水电站1号机组从理论上说是存在两处直接或间接接地点后，形成回路，轴电流才产生。基于理论，存在接地点的地方有4处，分别是：一点接地保护碳刷与主轴接地、受油器壳体接地、集电环碳粉密集接地、主轴轴承直接接触接地。

3、轴电流形成的危害

灯泡贯流式水轮发电机在正常投运时，发电机的转轴和轴承之间有润滑油膜存在，具备一定的绝缘效果。对较低的轴电流而言，润滑油膜可有效保护其绝缘性能，可确保发电机实现持续稳定的运行。但如果轴承运行润滑油不足，或者润滑油中存在杂质时，则会失去绝缘性能。轴电流到达一定的数值，也会击穿大轴与轴承之间的油膜引起放电现象。促使轴电流在转轴、油膜、轴承座、基础底座等构件中形成回路，且此回路中的阻抗比较小，因此，形成电流密度比较大。特别是水轮发电机轴承和轴瓦存在金属接触时，会形成非常大的瞬时电流，有时可达数百安培，轴电流会使轴承油的油质劣化，严重时会将轴瓦烧坏。同时，如果轴承润滑油中存在一定量的金属微粒，则会大幅度降低油膜电阻值，加速点火花侵蚀速度。同时，轴电流还会产生电解作用，致使润滑油炭化，熔化金属微粒掺入到润滑油系统中，加速润滑剂污染，不管哪一种原因，都会导致油的润滑性能降低，使得轴承温度升高，甚至会引发火灾。

就该水电厂而言，在轴电流比较大的情况下，假如忽视了绝缘处理，或绝缘材料选择不当、润滑油中含有较多的水份和杂质，则会导致导瓦的绝缘性降低。如果没有解决和控制，就会使轴电流在转子和主轴两端以及机架之间形成电流回路。使得轴颈和轴瓦之间有电流通过，并在电流的作用下产生火花腐蚀和电化学腐蚀，如果解除不良，甚至会产生局部火花，从而在轴颈之上形成麻点和腐蚀区域，造成严重的电火花腐蚀。

4、轴电流的发现和监测

确定和检测检查轴电流的大小，可采用测量轴电压的方法来判断轴承底座绝缘情况，但此方法比较危险且不够方便，难以及时分析存在的问题。而如果采用在线监测轴电流则安全很多倍，而且可靠方便。该水电站安装有一套在线监测装置，正是由于此装置的报警监测作用，避免了机组并网跳闸的事故。在进行轴电流继电保护装置选择时，不妨选用高性能单片机作为中枢控制，使安置在发电机内部转轴上的轴电流互感器检测出轴电流基波或三次谐波电流信号，来判断轴承绝缘状态，确认轴电流超过规定值以后，再输入二级报警信号。应用实例表明，利用发电机轴电流变化的在线监测，可及时准确地发现轴电流的变化趋势，并充分掌握和了解轴承垫绝缘变化情形，发现问题及时停机，对周围绝缘情况进行综合分析，避免轴电流事故逐步扩大，通过在线监测的方法，可及时、可靠地监测出轴电流的变化情况，分析问题及时处理。

５、机组轴电流的防范措施

由于贯流式发电机组轴电流形成的原因多种多样，单一的防范措施，很难有效防范轴电流的形成，但可以从大轴接地限制、轴承座和受油器绝缘阻断、装设轴电流保护装置是3个方面同时入手，才能有效抑制水轮发电机组轴电流的形成和产生危害。

（1）大轴接地限制。大轴接地限制是防范灯泡贯流式水轮发电机轴电流形成的主要方法，在具体防范中，可采用常规接地碳刷接地的防护方式，通常情况下，接地碳刷主要安装在水导轴承与主轴密封之间转轴的上部，并可靠接地。通过这种方法，可有效限制水轮发电机转轴中轴电压的幅值，从而有效保护发电机推力轴承和水导轴承运行的安全性，同时，还可以为发电机转子一点接地保护提供

一个良好的通路。

（2）受油器和轴承座绝缘阻断。灯泡贯流式水轮发电机上受油器底座和水导轴承支座都需要在金属面加装绝缘板，绝缘板材料为环氧玻璃纤维，螺栓和锥销也均为绝缘材料制成。绝缘板安装时需用酒精清洁，并用干净的布擦拭。受油器外部连接管路法兰加绝缘垫。当安装完成后，则可使用1000V数值兆欧表来测量各绝缘板的绝缘性，其绝缘值不低于1MΩ。同时通过主轴油膜的绝缘性，来实现灯泡贯流式水轮发电机转子主轴和转子的绝缘性，从而达到阻断电流的目的。

（3）安装轴电流保护装置。就该案例而言，水电站为防止主轴支撑接触位置绝缘的损坏，安装BZL-10B型轴电流继电器，避免的轴电流过大引起其他水轮机部件的损坏。此装置可以准确检测出0.1～10A之间的轴电流。如果绝缘层被损坏，电流保护装置动作切断电源，从而保证发电机轴承的安全性。保护装置一级轴电流到达0.8A时发出报警，二级轴电流到达5A时发跳闸信号。

６、结语

综上所述，本文结合实际案例，深入分析了该水电厂灯泡贯流式水轮发电机组轴电流异常原因及排查方法，分析结果表明，发电机轴电流在运行中是客观存在的，很难从根本上得到有效控制。而且引发轴电流的因素有很多，在具体处理中，可根据轴电流形成的原因，从大轴接地限制、轴承座和受油器绝缘阻断、轴电流保护装置3个方面同时入手，来保证水轮发电机组运行的安全性和稳定性。

参考文献

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