发电机轴电流危害及治理措施探讨

摘  要：可持续发展理念的深化，使得清洁能源的开发利用受到了社会各界的广泛关注，水电凭借着本身成熟的技术以及高效、清洁、可再生的优势，在我国得到了快速发展。而在水轮发电机运行中，如果转子与定子无法保持完全通信，则在运行过程中可能引发相应的轴电流，对发电机的正常稳定运行产生影响。本文从水轮发电机轴电流的危害出发，结合具体案例，对轴电流治理措施进行了分析和讨论。

关键词：水电产业;水轮发电机;轴电流

中图分类号：TM312;TM621.3      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）13-0057-02

Discussion on Generator Shaft Current Hazard and Treatment Measures

YANG Weiwen

（Chaozhou Fenghuang Hydropower Plant，Chaozhou  521051，China）

Abstract：With the deepening of the concept of sustainable development，the development and utilization of clean energy has been widely concerned by all sectors of society. Hydropower，with its mature technology and advantages of high efficiency，clean and renewable，has been developing rapidly in China. In the operation of hydro-generator，if the rotor and stator cannot maintain complete communication，the corresponding axial current may be triggered during the operation，which will affect the normal and stable operation of the generator. Based on the harm of shaft current of hydro-generator，this paper analyzes and discusses the measures to control shaft current combining with specific cases.

Keywords：hydropower industry;hydro-generator;shaft current

0  引  言

由于本身的结构以及工作机理，发电机中的轴电压必然存在，不过只要没有产生闭合回路，轴电流也不会产生。在当前的技术条件下，发电机无论是设计还是生产，都会充分考虑轴电流的防范和控制，但是因为发电机本身运行环境、操作等因素的影响，轴电流问题依然时有发生，影响了发电机的稳定可靠运行，需要受到技术人员的重视并予以解决。

1  水轮发电机轴电流的危害

正常情况下，水轮发电机在运行过程中，转轴和轴承之前都会存在相应的润滑油膜，这层润滑油膜不仅能够起到润滑作用，还可以发挥出一定的绝缘作用，因此当轴电压较低时并不会导致轴电流的产生。但是，如果轴承绝缘因为油污、老化、损坏等，出现绝缘性能下降，轴电流境外部回路从转轴—油膜—轴承座—基础等依次通过，引发轴电流问题，轴电流所产生的电解作用，会导致润滑油炭化，降低润滑油所具备的润滑性能和绝缘性能，导致轴承在运行中温度异常升高，轴电流的最大数值可以达到上千安，会对轴瓦造成严重灼伤。

2  水轮发电机轴电流的治理措施

以某水电站为例，其设置有两台120MW冲击式水轮发电机组，其额定转速在300r/min，借助设置在大轴上的电流互感器，对轴电流进行监测。轴电流继电器的型号为BZL-10B，其定值可以依照实际产生的电流值进行设置，在正常运行工况下，实际测量得到的轴电流为0.5A，电机设置的轴电流报警值为1.5A，停机值为2.0A。自机组投运至今，轴电流检测装置曾多次检测出数值异常偏大（1.5A～ 2.0A）的轴电流，严重影响了机组的安全稳定运行[1]。

2.1  原因排查

（1）设备检查。对于轴电流互感器以及继电器，在进行安裝前，需要做好校验工作，轴电流表采用的是毫安级电流表，显示出的电流属于互感器一次侧电流，输入和输出值存在比较明显的线性关系。在二次接线中，使用了屏蔽电缆来防范电磁干扰，并将电缆穿过轴电流互感器和大轴之间的缝隙，接通交流电流，对轴电流表的读数进行测量，结果显示，输入输出值正常。

（2）单级效应检查。水轮发电机的励磁电缆需要从励磁柜引到相应的机组集电环，然后借助励磁铜排，经过相应的主轴表面开槽后，自上而下穿越大轴中空位置，并引到转子磁极。轴电流互感器应该被安装到位于转子磁极和滑环之间的主轴上，由发电机主轴和励磁电流共同构成简易交流发电机，轴电流互感器产生交变电势，引发虚假轴电流，不过因为在BZL-10B继电器中设置了相应的滤波措施，因此这个虚假的轴电流实际上并不会显示出来。若因为转轴磁化产生轴电流，则轴电流会随机组负荷的波动而发生变化。机组负荷与轴电流的变化情况如表1所示。结果显示，机组运行中产生的异常轴电流并非由单级效应引发[2]。

（3）绝缘检查。水轮机运行环节，如果轴电流达到甚至超过1.5A，发出一级报警，则需要做好停机检查。首先检查大轴接地碳刷，确保其可靠接地，然后对主轴上可能存在的接地点进行逐一排查，借助500V摇表测量，结果发现在机组上导油挡盖板位置，绝缘电阻的数值为0.3MΩ，转子回路对地绝缘在拉开灭磁开关的情况下为0.5MΩ。对其进行深入检查，发现油挡盖板的边缘位置和接缝位置存在比较严重的脏污和碳粉沉积问题，集电环与刷架碳粉沉积和油污严重。对其进行分析，判断脏污的存在影响了绝缘性能，导致了机组运行过程中轴电流的增大。结合上述分析，对相应位置的脏污进行清理，并对集电环、刷架等进行擦拭，然后开机试运行，发现轴电流从原本的1.5A下降到了0.4A～0.5A的正常数值。连续运行300h后，发现轴电流再次出现异常升高的情况，从保证机组运行安全的角度，只能定期对其进行检查和处理，严重影响了机组运行的效率。

2.2  治理措施

结合上述分析可知，导致水轮发电机绝缘性能下降，轴电流上升的主要原因是碳粉和油污，单纯的擦拭和清洁“治标不治本”，无法从根本上解决问题。对此，电站技术人员对现有机组中的集电环和碳刷进行了改造，增加了碳粉收集装置，用来避免碳粉沉积的问题。

（1）装置改造。现有的水轮发电机组中，集电环截面尺寸为75mm× 40mm，将其改造为85mm×40mm，适当增大了集电环的导电面积，降低了电密，而且在集电环外圆周采用了螺旋状沟槽结构，为其通风散热提供了便利，同时也能够在一定程度上避免碳粉沉积。对集电环和刷架吊杆的绝缘垫圈进行了加厚处理，将垫圈改造成了四周高中间低的弧形结构，同样可以预防碳粉堆积。导电环从原本的半环更换成了整个圆环，截面尺寸也从原本的16mm×80mm提高到了20mm×100mm，导电环电密和温升显著降低，也为碳粉收集装置的安装留出了足够的空间。考虑水电机组运行中转速较高，将碳刷更换为NCC634型号，尺寸为25mm×32mm×100mm，碳刷额定电流密度0.1A/mm2，相比较原本的碳刷，NCC634碳刷的质地更加柔软均匀，在运行过程中对集电环的磨损较小，能够有效减缓机械磨损造成的损蚀，抑制碳刷打火现象。同时，碳刷刷握采用的是带电可拆卸类型，即便是在带电运行的情况下，依然能够安全方便地对碳刷进行更换，而且其本身还具有锁定碳刷、指示碳刷磨损程度的相关功能[3]。

（2）碳粉收集。为了能够对碳粉进行收集，减少和避免碳粉在集电环和碳刷上的沉积，设置了相应的碳粉收集装置，包含为了密封碳粉收集系统、碳粉回收处理系统、控制系统以及管路连接系统几个组成部分。每一臺发电机组都设置了两个碳粉收集装置来保证收集效果。导电环上应该设置相应的集尘罩，确保其能够与集电环共同形成一个相对密闭的空间，将碳粉限制在这个空间内。碳粉收集装置能够将多余碳粉吸出并且收集在一起，能够有效避免碳粉堆积引发的绝缘性能下降的问题，而且也可以防止碳粉对机组其他零部件的污染。密闭空间内的空气在被吸出后，外部空气会持续补充进来，通过不断循环来收集碳粉，降低集电环温度。在设置集尘罩时，应该选择非金属绝缘材料，借助相应模具整体成型，保证其具备足够的强度，以此来避免老化变形问题。对于风路系统，内部管道应该选择软管，确保其具备良好的耐热性和抗老化性能，并且利用支架对管路进行固定。吸尘装置和集电环的通风散热应该采用一体结构，将电机额定电压控制在380V，单台电机运行功率1.5kW，搭配相应的三相电源相序自适应功能模块，能够有效预防电机反转问题，产生的风量完全可以同时满足碳粉收集和集电环降温的需求，风机运行中的噪音实测值为75dB。为了保证碳粉收集装置的正常运行，控制系统设置了手动和自动两种不同的控制模式，可以在现场进行手动控制，也可以借助网络实现远程控制，系统运行、系统停止等状态的电气接点独立，每一个状态节点都设置为两对，以此来保证系统的可靠运行。

2.3  治理效果

水电站两台水轮发电机组的集电环和刷架改造完成时间为2018年3月，截止2019年3月，运行时间达到一年，两台机组在进相和滞相运行的状态下，轴电流分别稳定在0.4A和0.5A，不需要定期进行停机清理，机组运行的连续性和可靠性大大增强。而在设置了碳粉收集装置后，机组即便是长期在额定120MW、励磁电流1100A的工况下运行，碳刷温度依然可以保持在65℃左右，集电环温度一般不超过72℃，运行温度的降低能够有效改善运行工况[4]。

3  结  论

总而言之，当水轮发电机绝缘性能下降时，较低的轴电压也会带来较大的轴电流，影响发电机的稳定可靠运行。对此，技术人员应该做好轴电流异常问题的排查工作，分析异常产生的原因，关注机组结构问题引发的轴电流，采取切实有效的措施和方法，对轴电流异常升高的问题进行解决，将集电环和碳刷运行温度控制在一个恰当的范围内，保证机组的稳定可靠运行，以此来推动水电产业的健康发展。

参考文献：

[1] 补祥高.水电站水轮发电机组的常见故障与维护研究 [J].南方农机，2019，50（8）：30+75.

[2] 李政，李巍，卿启维.水轮发电机轴电流的设备治理及效果分析 [J].四川水力发电，2019，38（2）：107-109.

[3] 伍威.水轮发电机组调试期间振动故障处理分析 [J].科技展望，2015，25（26）：102.

[4] 张雷，袁波，汪卫平.立式水轮发电机组轴承油雾的治理 [J].水电与抽水蓄能，2015，1（3）：43-48.

作者简介：杨伟文（1967.12-），男，汉族，广东潮州人，电力技术员，从事水电厂发电机组运行检修三十多年，研究方向：发电机组及其附属设备。