水轮发电机轴承电流和轴电流的产生

水轮发电机轴承电流和轴电流的产生、防止与检测

摘要：

本文主要论述了发电机产生轴承电流和轴电流的机理、原因；防止轴承电流和轴电流的措施以及轴承电流与轴电流的检查与监测。关键词：

水轮发电机、轴承电流、轴电流

发电机由于设计、制造和安装不当以及运行中的一些故障，可能产生轴承电流和轴电流。当这些电流流过轴承并且数值足够大时，就会灼伤轴头和轴承表面，还会使周围的润滑油炭化，破坏轴承的润滑性和绝缘性，进而使轴承表面烧损酿成事故。水轮发电机容量比较大，又是电力能源的关键设备，因此研究水轮发电机轴承电流和轴电流产生的原因，采取可行的防止措施和监测检查方法对于发电机安全、可靠地运行是至关重要的。

一、产生轴承电流和轴电流的机理：

1.轴承电流：水轮发电机的转轴（包括与转轴直接相连的推力头

等部件）及轴承座都是由磁性材料钢（铁）制造的，尤其是卧

式电机的轴承座多采用较大矫顽磁力的生铁制造。当存在环轴

电压时，这些部件很容易被磁化。在图1所示的回路中就会流

有剩磁。只要受到一次磁化，在图1所示的回路中就会留有剩

磁。负载时，由于其它原因又可能使转轴受到更严重的磁化，

在图1回路中就会有磁通流过。由转轴流向轴瓦的磁力线与轴

承表面相交，轴转动时其表面切割这些磁力线，沿轴表面长度

方向上产生感应电势，其大小与转轴周速和流经轴经的磁密成正比，这就是通常所说的“单极效应”，在轴瓦与转轴之间形成涡流，如图2所示。这种电流我们称之为轴承电流。

2.轴电流：当发电机存在与转轴交连的交变磁场时，会在转轴上

产生感应交变电势（轴电压），这样在图1的闭合回路中会有

交变电流流过，这就是轴电流。

二、产生轴承电流的原因：

1.水轮发电机转子磁极线圈通常采用单路正反接交替形式，如图

3所示。励磁电流除通过各磁极形成的主磁场外，其极间连接线又形成了环轴的单匝线圈，导致环轴电压的存在，使转轴磁化。

2.发电机有时会出现磁极线圈匝间短路故障。当一个磁极出现匝间短路时，会造成转子磁势不对称，我们以两极电机为例来说明（图4）。当2号磁极线圈发生匝间短路时，它与1号磁极产生的磁势不相等。这相当于在正常励磁电流上增加了一个环流i＇, 环流i＇使2号磁势减小，使1号磁极磁势增加，而i＇又形成了环轴电压，使转轴磁化，产生轴向磁通。同理，对于多极电机或多个磁极匝间短路也是一样。

3.水轮发电机在安装中，由于电机直径大，部件变形等因素的影响，经常出现定、转子间气隙不均匀现象，如图5所示。此时尽管各极电压相同，即磁势相同，但由于δ1与δ2不相等造成的磁阻不同，所以Ф1Ф2不相等轴向磁通不能相互抵消，产生了多余的轴向磁通。此外，有时磁极铁心在磁轭上安装不紧密，出现第二气隙，其后果与上述相同。

早期生产的水轮发电机采用直流励磁机励磁，直流励磁机的换向极连接线或绕组布置不合理，也会形成环轴电压，使转轴磁化。当励磁机出现短路事故时则更为严重。因此，常将换向极绕组分为两组，使环流方向相反相互抵消，以避免形成环轴电压。

三．产生轴电流的原因：

1.水轮发电机定子铁心都是由扇形硅钢片拼成整圆，片间接缝每

层相互错开，这样铁心圆周上形成很多接缝。接缝处磁阻较其他部分大，当铁心磁密较高时，接缝处磁阻增加更多。发电机运转时，会出现两种情况：

a.定子铁心接缝数与极数配合如图6所示。当发电机转子沿箭头方向旋转时，接缝A 逐渐进入1.3号极，而同时接缝B则进入2.4号极。此时对各极来说磁阻都逐渐减小，因为这时有一部分磁通不再需要经

过接缝处了。由于磁阻减小，定子铁心中磁通增加，其增加方向如图中小箭头所示。明显看出，在接缝A、B处所增加的磁通方向相反，因而可以相互抵消。这样对图1闭和回路来说就不会有任何高频脉振磁通，也就不会在在回路中产生感应电势（轴电压），当然也不会产生轴电流。

b.另一种情况定子铁心接缝数与极数配合如图7所示。发电机转

子旋转时接缝A进入1、3、5号极，此时定子铁心中磁通将按小箭头方向增加，且各极接缝处磁通增加方向相同，不能相互抵消。

但当按键A进入2.4.6极时，接缝A处磁通将减少。这样就形成与图1闭和回路相连的高频脉振磁通，在回路中产生感应电势（轴电压），有轴电流流过。

通过对上述两种情况的分析，总结出判断是否会产生轴电流的方法。

设定：s-定子铁心圆周上总接缝数。

p-转子极对数

t-s与p的最大公约数

q=s/t

当q为偶数时不会产生轴电压；而q为奇数时则会产生轴电压，出现图1的闭合回路就会有轴电流流过。

轴电压（轴电流）的频率：

f=qpn H/60=qf H f H-发电机的频率

下面给出部分接缝树与极数的配合，“空格”表示不会产生轴电压，数字表示轴电压（轴电流）的频率（发电机频率的倍数）。

2.发电机定子三相电流不平衡、定子绕组内部短路、定子某项并联支路间存在平衡电流等都会在定子中产生一个不平衡磁场，它将在图1回路中引起轴电压，严重时其数值较定子铁心的接缝所产生的轴电压还要大。当然定子短路与接地事故影响更大。

3.定、转子间气隙不均匀，相当于在磁路里存在一个磁阻较大的定子接缝，同样会引起磁场不对称，在转轴上感应轴电压。

四.防止轴承电流和轴电流的措施：

从上述分析可知，产生轴承电流与轴电流是在图1所示回路是闭和的，分别有磁通或电流流过。因此防止轴承电流与轴电流的根本措

施是截断图1中的回路。

1.将发电机转子中心线一侧的轴承与地板绝缘，同一侧与发电机定子、地板、基础接触又同时与转轴连接或动接触的部件与转轴之间绝缘。该绝缘厚度一般为3-10mm，此厚度的大小对轴电流关系不大，但对轴承电流影响明显，因为厚度越大，磁阻越大，使回路中磁通减少，轴承电流将随之减小。

在立式水轮发电机中（图8），悬式结构中的推力和上导轴承，半伞式结构的上导轴承及旋桨式水轮机的受油器都要有绝缘，全伞式结构而又没有受油器的可不设绝缘，因为形不成闭和回路。

推力轴承绝缘设在推力座上，前苏联和我国早期的产品还在推力头与镜板之间设有绝缘垫板，此板还可通过调整轴线。导轴承绝缘一般设在瓦背凹巢内。

卧式水轮发电机绝缘的设置与立式机相似。灯泡式发电机也是一