[科普中国]-轴电压

轴电压是指由于发电机磁场不对称，发电机大轴被磁化，静电充电等原因在发电机轴上感应出的电压。为了监视轴绝缘的完好与否，需定期测量轴两端的电压和轴与机身之间的电压。1

危害轴电压是发电机运行过程中在转轴两端、转轴局部以及转轴对地的电位差。轴电压是发电机运行过程中普遍存在的一种电气现象，大型、高速发电机尤为严重。轴电压较低时，由于油膜的绝缘作用，放电是不容易发生的。然而，当轴电压较高，轴瓦表面有缺陷，润滑油油质或流量不达标以及发电机异常振动等都可能造成油膜击穿，导致轴与轴瓦形成金属性接触，形成相当大的轴电流，可达到几百安甚至上千安，它足以烧损轴颈和轴瓦。轴电压造成轴承腐蚀是一个加速过程，一次放电就可能使轴瓦表面金属局部融化，在油膜内形成金属颗粒并破坏油膜绝缘，使得放电更易发生，形成连锁反应，引发机组振动加，直至被迫退出运行，给现场安全生产带来隐患。轴承损坏带来的直接和间接经济损失十分严重。20世纪70年代，我国一台QFSS-200-2型200MW汽轮发电机发生一起励磁回路两点接地故障，造成轴承绝缘击穿产生强大的轴电流、引起轴系和汽轮机磁化事故，使发电机、转子、隔板、缸体、曲瓦等部件发生了严重磁化，并导致部分轴瓦烧坏，30级隔板与隔板套摩擦和烧伤。揭缸检察发现许多部位剩磁达几十至几百高斯，需要停机检修一个月左右，对整个机组进行退磁和修理。根据统计，由于轴承破坏而造成的发电机故障约为故障总数的20%，而其中由轴电流引起的轴承故障又占30%，是发电机损坏的重要原因。2

产生机理人们已经确认的轴电压的产生原因可以分为以下四种：

(1)磁路不对称。磁路不对称引起的轴电压是存在于发电机轴两端的交流型电压。由于定子铁芯采用扇形冲压片、转子偏心、扇形片的磁导率不同以及冷却和夹紧用的轴向导槽等发电机制造和运行原因引起的不对称，产生交链转轴的交变磁通，在发电机大轴两端产生电位差。这种交流轴电压一般为1～10V，但具有较大的能量。如果不采取有效措施，轴电压经过轴轴承机座等处形成一个回路，由于回路阻抗低，产生很大的轴电流。

(2)电动机整流和逆变系统的电容耦合作用。大型汽轮发电机组普遍采用静态励磁系统。静态励磁系统因晶闸管整流引入了一个新的轴电压源。静态励磁系统将交流电压通过静态晶闸管整流输出直流电压供给发电机励磁绕组，此直流电压为脉动型电压。对于采用三相全控桥的静态励磁系统，其励磁输出电压的波形在1个周期内有6个脉动。这个快速变化的脉动电压通过发电机的励磁绕组和转子本体之间的电容耦合在轴对地之间产生交流电压。此种轴电压呈脉动尖峰，其频率为300Hz（励磁系统交流侧电压频率为50Hz），它叠加到磁路不对称引起的轴电压上，使油膜承受更高的尖峰电压，在增大到一定程度时击穿油膜，形成电流而造成机械部件的灼伤和损坏。

(3)静电效应。在汽轮机内部，高速流动的湿蒸汽与汽轮机低压缸叶片摩擦在汽轮机低压缸内产生的直流型电压。这种静电效应并非经常存在，在某种蒸汽条件下才能出现。随着运行工况的不同，这种性质的轴电压有时会很高。转子绕组一点接地以及润滑油与油管之间的摩擦带电也产生类似的直流型电压。

(4)轴向磁通及剩磁。发电机中存在各种环绕轴的闭合回路，如集电环装置和转子端部绕组，在设计考虑不周或转子绕组发生匝间短路时，它们的磁动势不能相互抵消，就会产生一个轴向的剩余磁通，该磁通经轴、轴承和旋转电机的底板而闭合。此外当发电机严重短路或其他异常工况下，经常会使大轴、轴瓦、机壳等部件磁化并保留一定的剩磁。磁力线流经轴瓦，当机组大轴转动时，就会产生电动势，称为单极电动势。单极效应产生的轴电压表现为直流分量，并随负载电流而变化。2

预防措施轴电压的危害在于腐蚀发电机的轴瓦和轴颈。为防止这种危害的发生，主要应从轴电压和轴电流两个方向来考虑。从轴电压角度考虑，汽轮发电机组的设计和运行过程中应尽量消除和减小产生轴电压的因素，如防止发电机偏心、降低磁路不对称程度、保证定子铁芯叠片的对称性、加强励磁绕组匝间短路故障监测等。从轴电流角度考虑主要采取引导和阻碍两种措施：①引导轴电流从非轴瓦路径流通，避免其经过轴承对轴瓦的损害；②阻碍轴电流在轴瓦流通。在路径上设置障碍，阻碍轴电流流通。最常用的预防轴电压危害的方法主要有四种：

(1)在发电机汽轮机侧大轴上安装接地碳刷。汽轮机侧高速蒸汽与叶片摩擦产生的静电荷通过转轴传到发电机侧。在汽轮机与发电机之间大轴上安装接地碳刷，可将轴电流通过碳刷引导至大地，从而避免了对发电机轴颈和轴瓦的电腐蚀威胁。接地碳刷选型应保证其允许圆周速度大于转轴表面的线速度，碳刷的材质软硬要适中，压紧力适当，确保碳刷与大轴的可靠接触，碳刷应能承受最大放电电流。增加碳刷组数可以提高接触的可靠性。

(2)发电机励磁侧轴承加装绝缘。发电机的汽轮机侧大轴通过碳刷接地后，一旦励磁侧轴瓦的绝缘油膜被破坏，发电机转子感应的交流电压将形成闭合回路，轴电流将腐蚀发电机励磁侧的轴瓦和轴颈。将励磁侧轴瓦与大地之间设置绝缘层可阻断该回路的形成，从而保护励磁侧的轴瓦和轴颈。绝缘材料一般用酚醛层压布或环氧酚醛层压玻璃布板。垫绝缘处一定要做到完全垫开，包括固定轴承座的地脚螺栓和定位销钉，与轴承连接的油管路、水管路的法兰盘等处均需加装绝缘垫圈和套管。这种方法对防止轴电流是非常有效的。

(3)励磁侧大轴安装RC轴接地模件。常规汽轮机侧大轴接地碳刷不能消除轴电压中由静态励磁系统产生的高频尖峰分量，近些年提出的在励磁侧安装新型无源RC轴接地模件的方法，能有效抑制轴电压的这一分量。

(4)在静止励磁发电机的励磁绕组上安装电容滤波器。电容滤波器能够吸收静止励磁回路的一些高次谐波，使得励磁绕组与转子本体之间的电容耦合效应减弱，从而降低转子本体电压。2

测量使用轴电压作为发电机状态监测信号的一个关键问题是轴电压的测量。对于大型发电机，尤其是大型汽轮发电机，其转轴线速度很高，接近碳刷的临界接触速度。因此，碳刷时常会出现接触不良的情况。加强对发电机大轴表面状态和碳刷的维护，使接触表面保持清洁，轴电压信号还是较容易测得的。

为了提高轴电压信号质量，可以采用多刷的办法，将测量碳刷均匀分布在转轴圆周，保证接触的可靠性。

大型汽轮发电机的汽侧转轴通常通过碳刷接地，因此，只需要在励磁侧安装接地碳刷即可将转轴两端轴电压信号引出，碳刷安装方便而且不影响机组的正常运行。一些汽轮发电机励端大轴通过一组无源RC电路接地，这为轴电压的测量提供了有利条件2

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学