大型水轮发电机轴电流保护

大型水轮发电机轴电流保护

摘要：本文介绍轴电压、轴电流形成的原因及影响，主要对型轴电流保护装置

和型通用可编程变送器绝缘监测装置的原理展开探究。其次探讨了大型水轮发电

机组运行时两种原理轴电流保护存在的问题，并提出相应的处理措施。

关键词：水轮发电机组；转子；轴电流；轴电流保护

引言

随着水电事业的发展，现在我国投产的水电站机组的单机容量越来越大，发

电机组的运行稳定对整个电力系统的安全运行起着越来越大的影响。大型水轮发

电机组在正常运行过程中，由于安装结构、运行环境等原因，将在发电机主轴上

产生轴电压，所产生的轴电压一般都比较小，但当轴电流回路的绝缘被破坏后，

其回路电阻很小，如不采取相应措施，就会在发电机主轴与轴瓦间产生轴电流，

轴电流的长期存在，将侵蚀轴领与轴瓦，甚至会造成发电机大轴与轴瓦被烧坏。

所以说科学安装和配置有效的轴电流保护装置，对于水轮发电机安全、稳定运行

而言具有非常重大的现实价值。

1 轴电压、轴电流的产生及影响

发电机组在运行过程中，由于定子磁场存在不平衡，使得水轮发电机的转子

上产生与轴相交的交变磁通和轴向的感应电势，称为轴电压。造成发电机产生轴

电压的原因主要有以下几种：1、由于制造及安装工艺等原因，机组在运行中主

轴又存在一定的摆动，发电机不可避免地会出现转子和定子不能完全同心运行，

使发电机定、转子之间的空气间隙不均匀，造成磁阻不一致从而磁路不对称。2、发电机异常工况下，电机中环绕轴的各种闭合回路，会使转轴、轴瓦等部件磁化

并保留一定的剩磁，磁力线在轴瓦处产生纵向支路，存在纵向磁通。当机组大轴

转动时，就会产生电势，称为单极电势。3、励磁回路接地或转子绕组匝间短路

也会产生很强的轴向不平衡磁通[1]。当轴电压达到一定值时，通过大轴、轴承和

基座组成的回路中产生电流，这个电流称为轴电流。

正常运行时，转轴与轴承间依靠润滑油膜进行绝缘。轴电压较小，那么该润

滑油膜可以起到较好的绝缘效果，无法形成轴电流。如果轴系绝缘破坏、油膜被

轴电压击穿，轴电压将沿轴承和基座形成闭合回路产生轴电流，当通过瓦面的轴

电流密度超过0．2 A／cm2，就可能对轴瓦产生电腐蚀，油膜遭到破坏。由于该

闭合回路阻抗极小，一旦故障电流密度很大，特别当轴与轴瓦形成金属性接触的

瞬间，轴电流可达上千安，将严重灼伤轴瓦；当润滑油中掺人熔化的金属微粒后，油膜阻值降低，加速电火花进一步侵蚀扩展。同时，轴电流的电解作用使润滑油

炭化，熔化的金属微粒掺人润滑系统使润滑剂受到污染，二者均会造成油的润滑

性能变差，使轴承温度升高[2]。

2 轴电流保护的原理

2.1 轴电流监测型轴电流保护

图1轴电流 CT 安装图

2.2 轴绝缘监测型轴电流保护

图2 轴绝缘监测型接线图

3轴电流保护存在的问题

3.1 轴电流监测型轴电流保护二次侧输出受外界电磁或负荷电流变化干扰

①轴电流安装位置对轴电流测量而言至关重要，主要影响到测量的准确性。如果在上机架下面布置轴电流将可能存在磁场干扰，而下机架安装轴电流则外界电磁产生的干扰相对较小。②在现实运行过程中，轴电流测试值基波分量随发电机定子和励磁电流的提高逐渐上升，同时与定子电流具有线性关系。发电机轴向磁通受到定子、转子的磁场干扰，这会影响到轴

电流测量值的精确度[3]。

3.2 轴绝缘监测型轴电流保护绝缘测量受碳刷接触不良或励磁碳粉堆积影响

①机组运行过程中，轴电流保护装置使用的铜片碳刷、轴领碳刷及大轴接地碳刷均与大

轴接触，保证碳刷架紧固不晃动，碳刷架拐臂角度调整合适使各碳刷在刷握中不卡顿，弹簧

能正常按压住碳刷，与大轴接触良好，同时接地可靠，否则变送器会因轴电位的干扰而误发

动作信号[4]。②按日常定期工作对滑环室清扫励磁碳粉，如果是碳粉吸尘装置效果不佳的机组，需要改造碳粉吸尘装置，以保持励磁滑环室良好工作环境。防止大量碳粉堆积在铜片周围，导致内绝缘层的绝缘水平下降，引起轴电流保护误报警。

结论

轴电流监测型轴电流保护较为广泛应用于大型水轮发电机组，尽管轴绝缘监测型要比轴

电流监测型受外部因素干扰较低，但是两种不同原理的轴电流保护在实际运行中均出现过误

报警的情况，可靠性尚待进一步优化，因此轴电流保护装置发现故障时只设置成发出报警，

不投入跳闸停机。轴电流保护是用于保护发电机的重要装置，在确保机组稳定运行方面发挥

至关重要的效用。虽然轴电流保护的可靠性还需要得到深入加强，但对于快速获悉轴承绝缘

状况及防止机组出现烧瓦等起到非常重要的作用，为全面确保机组可持续运行打下坚实的基础。

参考文献：

[1] 李世作，梁小冰，肖仁山，等．广西岩滩电厂机组轴电流测试研究[J]．广西电力，2002（2），2-4．

[2] 王维俭．电气主设备继电保护原理与应用[M]．2版．北京：中国电力出版社，2001．

[3] 石培肖启露. 锦屏二级水电站轴电流报警分析及处理. 科技展望，2016（30）：99.

[4] 苏华利 . 水轮发电机组轴电流保护误报警分析与处理. 科技咨询，2015（2）：30-31.