汽轮发电机组的大轴接地与轴电压_倪勤

图 ３ 轴电压的测量
测量结果分析： Ｕ１≈Ｕ２ 说明绝缘良好； Ｕ１＞ Ｕ２ 时， 说明绝缘垫绝缘不好； Ｕ１＜ Ｕ２ 说明测量不准确， 重新测量； Ｕ２（ｂ）略低于 Ｕ２（ａ）， 说明汽轮机侧油膜电位低； Ｕ２（ｃ）低于 Ｕ２（ａ）很多时， 说明励磁机侧油膜电位 高， 易击穿； 具体电压值与机组容量有关， 一般最大不超过 １０ Ｖ， 每次测量结果应与本机组的历史数据相比 较。机组大修后或发电机抽过转子， 或者励磁机侧 轴承检修后， 都要求检查绝缘情况和测量轴电压。
第 ２３ 卷 第 ２ 期
２００６ 年 ６ 月
ＡＮＨＵＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ
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汽轮发电机组的大轴接地与轴电压
Ｓｈａｆｔ ｇｒ ｏｕｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｓｈａｆｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｔｕｒ ｂｏ－ｇｅｎｅｒ ａｔｏｒ ｓｅｔ
倪勤
（ 安徽省电力科学研究院， 安徽 合肥 ２３００２２）
摘要： 叙述汽轮发电机组轴系产生静电的原因及其危害性， 提出消除静电的措施是必须加装接地碳刷。在讨论了发电机转子 产生轴电压的原因后， 指出了因轴电压产生轴电流而破坏油膜的危害性。轴承加装绝缘垫是防止油膜被击穿而损坏轴瓦乌金 的措施， 详细说明了加装绝缘垫的部位。最后， 具体地描述了正确测量绝缘垫绝缘状态的方法。 关键词： 轴系； 轴电压； 油膜； 绝缘垫 Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ｃａｕｓｅ ａｎｄ ｈａｚａｒｄ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ ｃｈａｒｇｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｏｆ ｔｕｒｂｏ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗａｓ ｄｅｐｉｃｔｅｄ， ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｏ ｉｎｓｔａｌｌ ａ ｂｒｕｓｈ ｏｎ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｃｈａｒｇｅ ｉｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ． Ａｆｔｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｔｈｅ ｃａｕｓｅ ｏｆ ｓｈａｆｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｎ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｒｏｔｏｒ， ｔｈｅ ｈａｚａｒｄ ｏｆ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｏｉｌ ｆｉｌｍ ｂｙ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｓｈａｆｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｗａｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ． Ｔｏ ｉｎｓｅｒｔ ａｎ ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｐａｄ ｔｏ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｗｈｉｔｅ ｍｅｔａｌ ｏｆ ｌｉｎｅｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｐａｄ ｗａｓ ｄｅｔａｉｌｅｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｄ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｓｈａｆｔｉｎｇ； ｓｈａｆｔ ｖｏｌｔａｇｅ； ｏｉｌ ｆｉｌｍ； ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｐａｄ
解决上述问题的方法是将大轴接地。接地后的 大轴就不再是悬浮电位的金属体了， 电荷通过接地 点释放到大地， 从而使大轴无法积累电荷。大轴接 地点一般安装在汽轮机低压缸与发电机之间的轴 段上， 如图 １ 所示， 因为一般汽轮发电机组这一段 是唯一外露的轴段。接地的方法是安装 １ 只接地碳 刷与大轴相接触， 碳刷的引线与大地相连。
３ 轴电压的测量
（ 收稿日期： ２００６－ ０３－ ２５）
除了在停机时要检查励磁机侧轴承绝缘问题
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外， 机组在运行中还应对轴电压进行测量。测量方 法如图 ３ 所示， 测量前将大轴接地碳刷提起， 按照 图 ３ 中（ ａ） 、（ ｂ） 、（ ｃ） 所 示 分 别 将 大 轴 与 轴 承 用 铜刷短接， 即将油膜短接。测量完毕后恢复大轴接 地电刷。
（ ａ）
（ ｂ）
（ ｃ）
图 ２ 励磁机侧轴承座加绝缘垫
如图 ２ 所示， 从所构成的回路可以看出， 绝缘 最薄弱处在油膜， 因此阻断回路的唯一方法是将所 有轴承座干脆绝缘起来， 采用强度较高的绝缘材料 来承受轴电压， 而不让油膜承受轴电压。绝缘的方 法应该在所有可能构成回路的地点实施， 如发电机 励 磁 机 侧 主 轴 承 座 、发 电 机 励 磁 机 侧 密 封 瓦 、励 磁 机的轴承、副励磁机的轴承以及所有这些轴承的进 油管和出油管、水冷机组转子进水管等。轴承的绝 缘垫可以安装在轴承座与底板之间， 进油管和出油 管的绝缘垫可以安装在油管的法兰上。
１ 大轴的静电产生与消除方法
汽轮发电机组的大轴往往是由许多段转轴组 合而成的， 如汽轮机的高压转子、中压转子、低压转 子、发电机转子、励磁机转子、副励磁机转子等。这 些转子连接成一个整体， 称为轴系， 整个轴系由若 干个径向轴（ 瓦） 承和轴向轴承（ 推力瓦） 来支撑， 轴上的支撑点称为轴颈， 当汽轮发电机在全速运行 时， 整个大轴是悬浮在所有轴颈与轴瓦之间的油膜 之上， 因此大轴的电位是悬浮电位。按照电工学基 本理论：（ １） 当电位悬浮状态的金属与其它介质相 摩擦时就会积累正或负的静电荷；（ ２） 当电位悬浮 状 态 的 金 属 产 生 电 荷 而 又 难 以 释 放 时 （因 轴 瓦 的 油 膜具有较高的绝缘电阻） 就可能积累产生高电位。 汽轮发电机组的大轴正好符合这两个条件。因为汽 轮机叶片的高速转动与蒸汽相摩擦、其末 １￣２ 级叶 片与空气相摩擦、汽轮机的主油泵叶轮与润滑油相 摩擦、发电机转子上的风扇与氢气或空气相摩擦 等， 都会使大轴上积累静电， 所积累的静电荷不论 是正的还是负的都集中密集在汽轮机的叶片尖端， 随着汽轮机转子而高速旋转。又根据电工学基本理 论， 高速旋转的静电荷会在汽轮机的汽缸壁产生涡 流。因为汽轮机的汽缸壁是很厚的金属， 涡流当然 是很大的。很大的涡流不但引起能量损耗， 而且会 使汽缸的上下结合面和结合面的紧固螺栓烧毛， 损 坏了设备。另外大轴上积累静电荷所产生的高电压 最容易在油膜上产生放电， 因为油膜的间隙尺寸最 小， 从而使轴瓦烧毛， 也会使润滑油质逐渐劣化。
当机组停机时， 轴与轴瓦之间是没有油膜的， 也就是说轴承是通过大轴接地的， 此时就无法检查 绝缘垫的绝缘良好与否， 只有将大轴微微吊起或抽 出才能检查绝缘。为了解决停机时测量绝缘垫的绝 缘问题， 有些机组是将每一绝缘垫都设有两层， 并 在两层绝缘板之间夹一层孤立的金属板， 然后将这 层悬浮的金属板用导线引至专用端子上。大部分端 盖式轴承座都采用这种方法， 这样只要检查端子对 地绝缘即可， 同样也解决了不开机难以检查绝缘的 问题， 并且在运行时同样也可以检查绝缘情况。
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磁场割切磁力线的作用在转子两端产生一个 ５０ Ｈｚ 的交流轴电压， 如图 １ 中电压 Ｕ１， 当汽轮机侧安装 了接地碳刷以后， 这一交流电压将施加在励磁机 侧， 如图 １ 中电压 Ｕ２， Ｕ１＝Ｕ２， 励磁 机 侧 的 所 有 轴 瓦 的油膜上承受这一电压， 高速旋转的转子所产生的 油膜是很薄的， 一旦这个电压将油膜击穿可能会产 生火花并放电， 放电回路是由发电机转子导体和发 电机的基座和底板等组成， 回路电阻是很小的， 而 且能量很大， 因此回路电流会很大， 可能使轴瓦的 乌金烧坏， 甚至烧坏轴颈， 同样也会使润滑油质逐 渐劣化。在电力系统中， 由于此类现象的发生曾造 成过许多汽轮发电机组被迫停机。
图 １ 励磁机侧轴承座未绝缘时的轴电压
就 是轴电压产生轴电流的问题。
发电机在运行时其内部有两部分磁场， 一是发 电机转子磁场， 二是定子三相绕组电流产生的磁 场， 两者合成为气隙磁场， 这一磁场的几何轴中心 线不一定也不可能恰好与发电机转子的几何中心 线相重合， 这里可能有多种原因， 其一是定子铁心 局部磁阻不均衡， 如定子铁心局部锈蚀， 或铁心组 装时造成局部不对称； 其二是由于转子与定子之间 气隙不均匀造成磁通的不对称； 其三是由于分数槽 电机电枢反应不均匀引起转子磁通的不对称。由于 上述种种原因， 此时， 发电机转子就好比一根偏离 发电机气隙磁场几何中心线的金属导体， 它受旋转