发电机轴电压监测
众所周知,大型汽轮发电机在正常运行中都会产生的轴电压,如果不采取有效的预防措施,或者预防措施失效,都将会导致轴瓦烧伤的严重后果。

国内的发电机制造商都有消除轴电压危害的规范设计,就是在发电机大轴靠近汽轮机端处轴承外侧安装一个大轴接地碳刷,并在发电机大轴靠近励磁机端的轴承底座加装可靠
的绝缘垫片。

这些装置只要正确地起作用,就可以解决大型汽轮发电机转子轴电压过高导致发电机轴瓦损坏的问题,但遗憾的是,国内众多发电厂实际运行情况显示,大型汽轮发电机轴瓦烧伤的事件仍时有发生,主要原因是缺少有效的在线监测手段来保证这些预防措施处于可靠的工作状态。

只有采取了有效的在线监测手段,才可以彻底避免轴电压导致轴瓦烧伤事故的发生,为了寻求有效的监测方法,还得从分析轴电压的产生原因及危害途径入手。

发电机中轴电压主要有以下几个来源:
(1) 由于汽轮发电机的轴封不好,沿轴向有高速蒸汽泄漏或汽缸内的高速喷射而使转轴本身带静电荷。

(2) 由于汽轮发电机的转子表面的不平整,毛刺、转轴上的螺栓、转轴上冷却风扇等在高速旋转时与周围气体(空气、氢气)发生摩擦而产生静电荷。

上述两种轴电压有时很高,可以使人感到麻电。

但在运行时已通过炭刷接地而被消除。

(3) 由汽轮机最后一级动叶上甩出的水珠所形成的静态电压。

如没有提供其它更为便捷的电流通道,该电压会逐渐增大,并通过轴承的油层放电。

高温蒸汽温度降低时会发生正负电荷分离,随着蒸汽冲击叶片,电荷就聚集在叶片上。

(4) 直流电压场(发电机转子电压)中的交流波,会通过直流场的线圈和绝缘的电容在轴上形成一个相对地面的交流电压。

该电压包括了励磁系统中的二极管或半导体闸流管交变所产生的高频电压峰值(直流同轴励磁机也存在脉动分量,只不过由于整流子极数较多,显得相对比较平缓) 。

上述两种电压都很弱,而且如果通过接地刷等允许电流流出,该电压将逐渐衰减。

正因为这个原因,应使用一个高电抗仪表测量这些相对于大地的电压。

(5) 因发电机磁场回路的不对称性,在发电机轴的末端会形成一个电压。

磁场不平衡的原因一般是因为定子铁芯的局部磁阻较大(例如定子铁芯锈蚀) ,以及定、转子之间的气隙不均匀所致。

该电压很强,如果不加以阻止,会形成一股强大的轴电流从轴的一端通过轴承框架流向轴的另一端。

该电压有一个频率,主要是发电机的额定频率。

(6) 由于发电机定子绕组对转子铁心间存在耦合电容,转子对轴承间存在耦合电容。

而由于电路、元器件、连接和回路阻抗的不平衡,发电机三相电压不平衡实际存在,即发电机定子中有零序分量存在。

三相中性点电压将不可避免地产生位移。

该电压将在由发电机定子—大轴—轴颈—轴瓦—轴承支架—机组底座组成的系统中产生零序电流,即轴承变为发电机零序回路的一部分。

由轴承电容产生的发电机轴电压,虽然在数值上很低,但定子绕组对转子的耦合电容越大,轴电压越高。

轴电压监测系统工作原理
1 装置介绍
监测系统由安装在控制柜内的轴电压监控器、轴电流监控器和安装在发电机汽机联轴器端上发电机转子大轴接地装置组成,接地装置见图1,接地装置接线原理图见图2。

发电机制造商的习惯做法是:转子大轴通过一个接地碳刷直接接地,或者,为了提高接地的可靠性,采用两个接地碳刷并联接地。

但是,从图2看到,新设计的接地装置有4个碳刷,碳刷2与碳刷4并联,通过同轴电流分流器接地,在接地电流回路中,同轴电流分流器相当于0.005Ω的电阻,同样达到了让发电机转子大轴直接接地的效果。

2 轴电流监测
轴电流通过同轴电流分流器时,将在同轴电流分流器两端产生电压降,从图2可以看到,轴电流分流器两端的电压降信号被送到轴电流监控器,经过全波放大,就能检测到轴电流的平均值。

正常情况下,轴电流的平均值应该在毫安级水平,如果发电机励端轴承底座绝缘垫片的绝缘效果降低,轴电流的平均值就会上升,当轴电流的平均值达到4安培及以上的时候,轴电流监控器就能监测到并发出报警信号;如果轴承底座绝缘垫片损坏,造成短路,轴电流的平均值将会达到100安培等级,轴电流监控器肯定能可靠监测到并发出报警信号。

3 轴电压监测
从图2看到,接地装置的碳刷1与碳刷3并联后直接送到轴电压监控器。

轴电压监控器具有高输入阻抗特性,典型值为1MΩ,即使碳刷表面与轴颈之间形成高电阻油膜,高电阻油膜等效阻值也只是10kΩ左右,轴电压监控器也能较准确地测量到轴对地电压,等效电路如图3所示。

从图3可以看到,碳刷油膜等效电阻与轴电压监控器串联,如果E=10V,通过计算可知,碳刷油膜的压降是0.1V,轴电压监控器监测到的电压为9.9V,误差在1%左右。

轴电压监控器的测量原理实际上类似于频率表,每当测量电压的峰值超过5V(不管正或负),就产生一个脉冲,当脉冲频率超过15Hz时,轴电压监控器发出报警信号。

轴电压监控器所检测到的脉冲频率,实际上就是间接地监测转子接地碳刷与转子大轴的接触情况:如果轴颈清洁干净,与接地碳刷接触良好,装置接地良好,轴电压一般在几百毫伏的范围,检测到的脉冲频率为0Hz;如果出现装置接地线松脱,轴颈沾污或碳刷磨损导致轴颈与碳刷接触不良等情况,轴电压的瞬时值会重复出现升高、放电、再升高、再放电这个过程,研究表明,放电前,轴电压的瞬时值超过5V,放电后,电压瞬时值会低于5V,因此,轴电压监控器就能检测到相应的脉冲频率,准确地发出预警信号。

对于发电机组这样的大型旋转电气设备来讲,要想实现真正意义上的状态诊断与状态检修,必须从电气、机械、水力等方面加以综合判断。

目前该系统已经投入运行,随着运行经验的丰富和实际数据的积累,该系统对于我国水轮发电机组在线监测与诊断技术的进步必将发挥重要的作用。

同时,作为一种新模式的尝试,对于以后类似系统的建立和完善也具有借鉴意义。

参考文献
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5．定子铁心故障引起的电机轴电压仿真研究纪璇实验室科学2010/02
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