水輪發電機軸電流的設備治理及效果分析

李 政， 李 巍， 卿 啟 維

(四川革什扎水電開發有限責任公司，四川 丹巴縣 626302)

1 水輪發電機組軸電流產生的原因及危害

水輪發電機轉子和定子不完全同心, 定轉子空氣間隙不均勻,導致電機內磁路不對稱或磁場畸變, 引起磁通脈動, 磁通脈動產生軸電壓,在轉子軸承～外殼的環路中形成軸電流[1]。軸電流大小、頻率與脈動磁通的幅值、頻率及軸承的絕緣性能有關，軸電流的最大頻率分量是工頻及工頻的3次諧波[2]；電刷裝置的集電環等環繞軸的閉合回路磁勢不能相互抵消，產生一個環軸的剩余磁勢，使轉軸磁化，并在機組旋轉時，在轉軸兩端產生單極電勢；這種單極效應產生的軸電壓隨負荷電流變化[3]。

正常情況下，轉軸與軸承間的潤滑油膜起到絕緣的作用，對于較低的軸電壓，不會產生軸電流。但當軸承絕緣因油污、損壞或老化等原因導致絕緣性能降低軸電流將從轉軸-油膜-軸承座及基礎等外部回路通過，產生軸電流, 軸電流的電解作用使潤滑油炭化造成油的潤滑性能變差使軸承溫度升高，如果絕緣性降低嚴重，軸電流可達上千安，將嚴重灼傷軸瓦。

2 水輪發電機組軸電流防范措施

發電機軸電壓是無法避免的，但只要不產生閉合回路，就不會產生軸電流。在發電機設計和制造過程中，都會考慮防止發電機軸電流產生的措施，一般措施有：

(1)在發電機上端軸軸領上加絕緣層，使發電機大軸與上導瓦之間絕緣。

(2)在發電機上導瓦與瓦座之間加絕緣層，使上導瓦與整個上機架之間絕緣[4]。

水輪發電機安裝時，都加裝軸電流保護器，起監視軸電流的作用。軸承座連接的油管路的法蘭盤之間，安裝絕緣墊；經過軸承座上的定位孔和沿著螺釘表面處，易使絕緣降低，故在螺釘頂頭、墊圈、定位塞上涂環氧樹脂。

運行中，絕緣邊緣、接縫部位的表面臟污會破壞絕緣性能，應定期檢查和清擦發電機集電環、刷架，避免碳粉沉積降低正負兩極絕緣，產生軸電流。定期檢查發電機轉子絕緣，絕緣降低必須迅速處理，避免勵磁回路兩點接地。

3 吉牛水電站軸電流的排查及原理分析

3.1 吉牛水電站現狀

吉牛水電站安裝有兩臺由哈爾濱電機廠生產的120 MW沖擊式水輪發電機組，額定轉速300 r/min，軸電流監測采用在大軸上裝設電流互感器，軸電流繼電器為新型BZL-10B，軸電流定值按照實際產生的電流值來設置，現場正常工況下實測軸電流約為0.5 A，因此，哈爾濱電機設置報警值為1.5 A、停機值為2.0 A。自2014年兩臺機組投運發電以來，機組的軸電流檢測裝置多次檢測出1.5～2.0 A異常偏大的軸電流，成為機組安全運行的隱患。

3.2 現場排查及問題原因分析

3.2.1 軸電流互感器、繼電器及其二次接線檢查

軸電流互感器、繼電器安裝前進行過校驗，采用哈爾濱市華新電力電子設備廠生產的BZL-10B型，軸電流表為毫安級電流表，顯示電流為互感器一次側電流，輸入、輸出具有線性關系。二次接線采用了屏蔽電纜，防止電磁干擾的影響。通過在軸電流互感器與大軸的縫隙中穿引電纜，在電纜中施加交流電流，測量軸電流表計讀數。施加電流與表計顯示的記錄如表1所示。結果表明整體輸入、輸出得到正常反映。

表1 施加電流與表計顯示關系

3.2.2 單極效應檢查

發電機勵磁電纜由勵磁柜引至機組集電環，而后采用勵磁銅排經過主軸表面開槽由上而下穿過大軸中空位置向下引至轉子磁極。軸電流互感器安裝在轉子磁極與滑環間的主軸上，發電機主軸、勵磁電流、形成簡單的交流發電機，軸電流互感器將產生交變的電勢，產生虛假的軸電流，由于BZL-10B裝置采取了濾波措施，該軸電流不會顯示出來。如果由轉軸磁化產生的軸電流，該軸電流會隨機組負荷變化而變化[5]。為此，機組帶不同的負荷，軸電流大小如表二所示。結果表明機組異常軸電流不是機組單極效應產生。

表2 勵磁電流與軸電流關系

3.2.3 絕緣檢查

在機組運行中，當軸電流達到1.5 A一級報警時，停機檢查。檢查大軸接地碳刷，接地可靠，再對主軸各部位可能存在的接地點進行排查，用500 V搖表測量，發現上導油擋蓋板處絕緣電阻為0.3 MΩ，轉子回路對地絕緣0.5 MΩ(拉開滅磁開關)，進一步檢查發現油擋蓋板邊緣、接縫部位的表面臟污碳粉沉積較重，集電環、刷架碳粉沉積，油污較重。分析認為絕緣邊緣或接縫部位的表面臟污破壞絕緣性能，應加強檢查和清擦，發電機集電環、碳刷、刷架，碳粉沉積降低正負兩極絕緣，使機組運行的軸電流增大。

根據以上分析對絕緣邊緣、接縫部位的表面臟污進行清擦，擦拭發電機集電環、刷架。清潔完成后，開機運行，軸電流恢復至0.4～0.5 A的正常值。運行約300 h后軸電流又出現異常緩慢升高現象，因而只好定期檢查、清理。為徹底消除該隱患，2017年檢修期對1F、2F機組集電環、刷架進行治理。

4 吉牛水電站防范軸電流的設備治理

針對由于碳粉、油污造成絕緣性能降低，導致軸電流異常緩慢升高，吉牛電站對集電環、碳刷進行了改造，并加裝碳粉收集裝置。

4.1 集電環及刷架治理

集電環原截面尺寸為75 mm×40 mm，改為85 mm×40 mm，增加集電環的導電截面積，降低集電環電密；集電環外圓周表面為呈螺旋狀溝槽結構，利于集電環通風散熱，并防止碳粉沉積；集電環和刷架吊桿的絕緣墊圈加厚，并采用中間凹弧形結構，有效防止碳粉堆積。導電環由半環改為整環，導電環截面尺寸是16 mm×80 mm，改為20 mm×100 mm，有效降低導電環電密和溫升，并利于裝碳粉收集裝置。針對機組轉速高的特性，采用NCC634碳刷，具體尺寸是25 mm×32 mm×100 mm，額定電流密度是0.1 A/mm2, 該碳刷質地較軟、均勻，對集電環所造成的機械磨損較少，減緩機械磨損所導致的損蝕，有效抑制碳刷打火。采用帶電可拆卸刷握，在帶電運行狀態下可方便更換碳刷，且具有鎖定碳刷和指示碳刷磨損情況的功能。

4.2 碳粉收集裝置

碳粉收集裝置由密閉的碳粉收集系統、碳粉回收處理系統、管路連接系統、控制系統組成。每臺發電機組采用2臺碳粉吸收裝置。在導電環上設置集塵罩，集塵罩與集電環圍成一個相對密閉的腔體，使碳粉限制在密閉空間內，碳粉收集裝置將碳粉吸出并收集，防止碳粉堆積造成絕緣性能降低，避免碳粉對發電機集電環及機組其他部件的污染。同時，將集電環與集塵罩之間密閉腔體內的空氣吸出，外部空氣不斷進入補充，如此循環達到碳粉收集及集電環降溫的目的。

集塵罩采用非金屬絕緣材料，使用模具整體成型，強度高，不易老化變形。風路系統的管道采用具有良好的耐熱、抗老化性能的軟管。所有管路用支架固定，吸塵裝置與集電環通風散熱采用一體形式，電機額定電壓為AC 380 V，單臺電機功率1.5kW，并帶有三相電源相序自適應功能模塊、防止電機反轉，風量滿足碳粉收集及集電環系統的降溫要求，風機實測噪音75db. 絕緣套管的絕緣等級為“F”級絕緣?？刂蒲b置分為手動、自動兩種控制模式，用于遠方控制的系統運行、系統故障、系統停止狀態的電氣接點獨立，且每種狀態節點兩對，保證運行的可靠性。

5 設備治理后的效果

設備改造后效果圖如圖1所示。吉牛水電站1F、2F機組集電環、刷架于2017年4月整改完成，截至2018年8月底已運行16個月，機組在進相、滯相運行狀態下1F機組軸電流穩定在0.4 A，2F機組軸電流穩定在0.5 A，不再對機組進行定期停機清灰,增強了機組運行可靠性。加裝碳粉收集裝置后，機組在額定120 MW和勵磁電流1 100 A工況下，碳刷溫度在65 ℃附近波動，集電環溫度在72 ℃附近波動，降低了碳刷、集電環溫度，改善了運行工況。

圖1 設備治理效果圖

6 結 語

實踐證明，在絕緣性能降低時，低值的軸電壓就會形成較大的軸電流，對發電機部件造成一定的危害。經驗告訴我們，發電機大軸與導瓦之間絕緣性能降低在水電機組運行中最易發生，因此，水輪發電機都要加裝軸電流保護器，起到監視軸電流的作用。對軸電流異常問題的排查，既要重視異常原因的分析，又要重視引起軸電流的產生的機組結構問題，即發電機集電環、刷架、碳粉沉積會降低正負兩極的絕緣性能。吉牛水電站1F、2F機組因碳刷粉塵不能收集，導致絕緣性能降低引起軸電流異常升高，通過對集電環、導電環進行改造，并加裝碳粉收集裝置，不但解決了軸電流異常升高問題，同時還降低了碳刷、集電環運行溫度，機組等效可用系數得到提高，增強了機組可靠性。