大电机轴电压研究
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长期以来 ,传动装置中的齿轮 (轴承) 电蚀一直 被人忽视 ,缺乏研究 。国内外发生了许多重大的电 蚀事故 。加拿大 、英国 、美国的电力公司发电厂发生 了多起汽轮机 、水轮机轴承电蚀事故 ,造成了昂贵的 检修和发电损失 。电气铁道车辆作为电气化方式是 使用轨道来作为回路 ,轴承经常被电蚀 。事故现场
图 4 150MW 汽轮发电机外伸端测得的轴电压
快速投入静止励磁系统会向发电机励磁绕组施 加瞬时的外加电压 。对这些迅速变化的电容 ,磁场 的等效回路是一个分布电感 、电容和转子本体电导 的复杂网路 。由这些电压脉冲产生的复杂的电流频 谱的综合效应类似于励磁电流中各个脉冲的综合作 用 ,励磁电流的脉冲会在发电机磁场中一次造成脉 冲 。在上述的磁不对称的情况下 ,这些脉冲产生同 样性质的轴电压 。电脉冲引起的转子本体的欧姆压 降也会产生轴电压 。
轴电压 Vb 可用如下算式计算
Vb
=
( Cm
+
Cb )
eCm C1 ( C1 + C2 )
+
Cm Cb
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
机械 2001 年第 28 卷第 3 期
齿轮电蚀一词最早出现在德国的齿轮失效名词 术语 ( DIN 3979 - 1979) 中 , 随 后 美 国 国 标 AGMA (110104) 和中华人民共和国国家标准 ( GBΠT 3481 1997) 引用 ISO (10825 —1995) , 将 电 蚀 正 式 命 名 为 Electric Erosion ,在 GB《齿轮轮齿磨损和损伤术语》 215 电蚀 ( Electric Erosion) 中指出 “: 由于齿轮啮合齿 面间放射出的电弧或电火花的作用在齿轮齿面上形 成的许多边缘光滑的小弧坑 。齿面有时出现较大面 积灼伤 ,其边缘呈现出回火色”。
图 1 轴电压的检测
图 1 是轴电压检测图 ,轴电压测量部位是转轴 上两轴承的内侧测量点 a 和 b , Vab 是测量轴电动 势 ,轴承内侧测量点 a 和 b 到轴承座底部测量点 c 和 d , Vac 和 Vbd 测量的是转轴对地电压 。为了观察
Ξ 收稿日期 :2000 - 11 - 15 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (编号 :59775012) © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
Key words : large electric machine ; gear electric2erosion ; gear
设计和运行条件正常的电机 ,运行时转轴两端 只会有很小的电位差 ,这种电位差就是通常说的轴 电压[1] 。当电机的设计 、调试存在问题 ,电机出现故 障的情况时 ,电机往往会出现较高的轴电压 。近年 来 ,电厂 、高速线材厂齿轮箱中的齿轮 、轴承等传动 件电蚀事故造成了重大的经济损失 ,研究表明大电 机过高的轴电压击穿传动副润滑油膜是传动件电蚀 的根本原因[2] 。
大电机轴电压含有多种频率与成分 ,轴电压的 主要分量是基波 、三次 、五次谐波分量 ,不正常的电 机电压的幅值可能达到几伏到几百伏 ,不同的原因 引起的轴电压性质与参数都不一样 ,相对应的防治 措施也不一样 。
参考文献 :
[1 ]沈标正. 电机故障诊断技术[M] . 北京 :机械工业出版社 ,1996. [2 ]胡高举 ,韦云隆 、张光辉 ,贺泽龙 ,曹新进. 齿轮电蚀现象的研究进
轴电压 。
在实际电机中 ,扇形片通常都是交错叠置的 ,重 叠数 n ≠1 ,实际接缝数为 nt , p 为极对数 ,一般情况 下 ,产生轴电压的条件为 :
nt p
=
奇数或分子为奇数的最简分数
(1)
轴电压的频率为上式约简后的分子和电枢频率
的乘积 。此外 ,也可以来判断钉子或机座分瓣 、冲片 轭部开孔等会否引起轴电压 。此时式 (1) 中的 nt 等 于圆周上定子或机座的接缝数 ,或是冲片轭部的孔 数。
机械 2001 年第 28 卷第 3 期
机电一体化
大电机轴电压研究Ξ
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胡高举1 , 郑才刚1 , 韦云隆2
(11 重庆钢铁设计研究院 ,重庆 400015 ;21 汕头大学机械学院 ,广东 汕头 515063)
摘要 :分析了大电机轴电压的性能 、产生原因 、检测方法和预防措施 。 关键词 :大电机 ;轴电压 ;齿轮 中图分类号 :TM32 文献标识码 :A 文章编号 :1006 - 0316 (2001) 03 - 0063 - 03
若干装有静止励磁的 100MW 和更大容量发电 机的公用电力公司经受了特殊的轴电流和轴承电流 问题 。制造厂采取的预防措施不见得能彻底防止破 坏性电流 。在一些有静止励磁的机组上作了广泛的 测量 。轴电压脉冲幅值为 120V 以上 ,每秒频率为 360Hz 。图 4 表示某台 150MW 机组上测量的数据实 例 ,这些 360 脉冲Π秒的电位与采用六脉冲静止励磁 系统有关 。
图 2 轴电压波形
得到如下主要结论 : (1) 轴电压的幅值 68V ,28V 和 26V 并不罕见 。 按照维护规范 ,峰间幅值大于 10～15V 便表明要求 对机组进行维修 。 (2) 一般来说 ,更大容量的机组具有更大的轴电 压值 。这可以归结到更大的气隙磁通 、更大的结构 不对称以及明显增大磁场中三次谐波分量的铁心饱 和定子的凸凹不平 。 (3) 轴电压的主要分量是基波 、三次 、五次谐波 分量 ,它们与发电机电压分布中最占优势的分量相 对应 。 (4) 为了弄清负荷情况对这类轴电压的影响 ,对 一台 150MW 机 组 在 50MW 轻 载 荷 下 运 行 时 及 115MW 较大载荷运行时作了比较 。在两种载荷情 况下并没有发现轴电压值和各个分量有多大变化 。
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机械 2001 年第 28 卷第 3 期
和记录轴电压的波形 ,有时测量还可通过电压表的 输出插孔 ,根据需要配置示波器 、磁带记录仪和数据 采集器 。如要进一步诊断分析 ,则可回到实验室或 分析室 ,对轴电压记录信号作频谱分析 。
轴电压内含有多种成分和频率 ,通常它与电枢 电流 、励磁电流和转速有关 。图 2 是两级 150MW 汽 轮发电机的轴电压 ,轴电压包含 60Hz 和部分 180Hz 两个分量 ,轴电压有明显的交变性质 。
213 电容电流
转子绕组与铁心之间存在分布电容 ,在采用静 止电源供电时 ,电流的脉动分量就在转子绕组和铁 心之间产生电容电流 ,这样就会在轴与地之间产生 一个电位差 。
以直流电机为例 ,其电容电流产生的轴电势与 很多因素有关 ,如电源中的脉动电压 、电枢绕组和铁 心之间电容 、轴承油膜电容等 ,其等效电路如图 3 。
Abstract : Properties and causes of axis voltage of large electric machine have been studied , and detecting and measuring methods of it are given , at last , precautionary and preventive measures of it are put forward.
式中 : e 为电源中脉动电压 (V) ; Cm 为电枢绕组与铁 心之间的电容 (μf) ; C1 为电源对地电容 (μf) ; C2 为 旁路电容 (μf) ; Cb 为轴承油膜电容 (μf) 。
图 3 静止电源供电直流电机轴电压的等效电路
这种轴电压的量值是由电源中脉动电压和各种 分布电容和电源装置电容所决定 ,而频率是由电源中 的脉动分量频率所决定的 ,往往是高频分量 。因此 , 采用静止整流电源时 ,电机的轴电压更应引起注意。 214 静止励磁机
影响由磁不对称引起的轴电压分量的大小和频 率的主要因素是 :发电机尺寸 、定子铁心结构 、转子 找正 、磁极数 、发电机设计和负荷条件 。为了定量和 定性地确定这些因素的影响 ,在若干不同容量 、不同 设计和不同运行年限的汽轮发电机上测量了轴电 压。
化 ,即磁通是脉动的 。同样原因 ,转子支承偏心 、轴 承磨损等造成气隙不均匀也会造成脉动磁通和产生
转子偏心导致了气隙不均匀 ,使主磁通上下两 部分的分布不再对称 ,而且其大小与分布情况均随 转子旋转而周期性变化 ,出现了与轴交链的基频交 变磁通 ,它将在转轴中感生轴电压 。
在另外一些情况下 ,如由于绕组因匝间短路而 出现不对称 、电源电压不对称 、转子断条 、非全相运
行等故障均会造成气隙空间谐波磁场分布的畸形 , 必然会在轴上产生感应电势 。
3 大电机轴电压防止措施
(1) 在电机设计时 ,避免产生磁路不对称 。 (2) 电机设计 、制造和运行时 ,避免产生轴向磁 通。 (3) 将轴承座对地绝缘 。 (4) 在轴上装设接地电刷 。 (5) 采用非磁性轴承座或附加线圈 。 (6) 在直流电机的电枢出线端加设一个对地的 旁路电容 。
Байду номын сангаас
4 结论
展[J ] . 重庆大学学报 ,2000 , (6) .
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
电机 都 是 大 功 率 电 机 ( 如 马 鞍 山 第 二 发 电 厂 为 550kW) ,而且事故发生时轴电压都比较高 。为此 , 我们开展了大电机轴电压的研究工作 ,主要是大电 机轴电压的性质 、产生原因 、检测方法和预防措施 。
1 大电机轴电压检测
因轴电压的频率成分较复杂 ,测量必须采用高 输入阻抗的电压表 ,如真空管电压表 、数字电压表 等 ,否则会有很大测量误差 。
2 轴电压产生原因及机理
211 磁通脉动
磁路不对称 ,在转子旋转时 ,由于磁阻随转子位 置改变而不同 ,所以磁通总量就会产生周期性的变
212 单极效应
由于电机中形成环绕轴的各种闭合回路 ,如电 刷装置的集电环 ,换向极和补偿绕组连接线 ,串激绕 组连接线等 ,设计时应考虑让它们相互抵消 ,但在设 计考虑不周时 ,它们的磁势不能相互抵消 ,就会产生 一个环轴的剩余磁势 ,使转轴磁化 ,并在电机旋转 时 ,在转轴两端也产生一个感应电压 ,其原理和单极 发电机一样 ,故称单极电势 ,这种单极效应产生的轴 电压在恒定负载时 ,表现为直流分量 ,并随负荷电流 而变化 。
Study on axis voltage of large electric machine
HU Gao2ju1 , ZHENG Cai2gang1 , WEI Yun2long2
(1. State Key Laboratory of Mechanical Transmission , Chongqing University , Chongqing 400015 , China ; 2. Engineering College , Shantou University , shantou 515063 , China)
·65 ·
215 静电效应
这种轴电压是由蒸汽和汽轮机叶片之间的摩擦 而发生在汽轮机低压缸内 。如今制造厂制定了在汽 轮机轴上采用接地碳刷的标准 ,从而静电电荷经过 接地碳刷释放 ,而不通过轴承和轴的其它部位 。机 组运行在不清洁环境中 ,接地碳刷不能及时地提供 合适的接地 。为了探索这一电压性质 ,需在一些去 掉接地碳刷的未接地的汽轮机上测量轴与地之间的 电位差 。
216 外壳 、轴和轴承座的永久性磁化引起的轴电压
实际上 ,轴 、基板 、轴承座 、外壳及其它部件均由 具有良好磁性能的材料制成 。由于严重的短路或发 电机任何反常运行 ,常在轴 、外壳等处引起永久磁 化 。在一定条件下 ,轴的轴向剩余磁通 (也可以由基 板或其它部件引起) 能产生自励 ,导致很大的轴电流 和轴承电流 。这种现象将导致轴 、轴承和其它部件 的损坏 。由自励现象引起的油泵和发电机组控制装 置轴的事故已有报道 。
图 4 150MW 汽轮发电机外伸端测得的轴电压
快速投入静止励磁系统会向发电机励磁绕组施 加瞬时的外加电压 。对这些迅速变化的电容 ,磁场 的等效回路是一个分布电感 、电容和转子本体电导 的复杂网路 。由这些电压脉冲产生的复杂的电流频 谱的综合效应类似于励磁电流中各个脉冲的综合作 用 ,励磁电流的脉冲会在发电机磁场中一次造成脉 冲 。在上述的磁不对称的情况下 ,这些脉冲产生同 样性质的轴电压 。电脉冲引起的转子本体的欧姆压 降也会产生轴电压 。
轴电压 Vb 可用如下算式计算
Vb
=
( Cm
+
Cb )
eCm C1 ( C1 + C2 )
+
Cm Cb
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
机械 2001 年第 28 卷第 3 期
齿轮电蚀一词最早出现在德国的齿轮失效名词 术语 ( DIN 3979 - 1979) 中 , 随 后 美 国 国 标 AGMA (110104) 和中华人民共和国国家标准 ( GBΠT 3481 1997) 引用 ISO (10825 —1995) , 将 电 蚀 正 式 命 名 为 Electric Erosion ,在 GB《齿轮轮齿磨损和损伤术语》 215 电蚀 ( Electric Erosion) 中指出 “: 由于齿轮啮合齿 面间放射出的电弧或电火花的作用在齿轮齿面上形 成的许多边缘光滑的小弧坑 。齿面有时出现较大面 积灼伤 ,其边缘呈现出回火色”。
图 1 轴电压的检测
图 1 是轴电压检测图 ,轴电压测量部位是转轴 上两轴承的内侧测量点 a 和 b , Vab 是测量轴电动 势 ,轴承内侧测量点 a 和 b 到轴承座底部测量点 c 和 d , Vac 和 Vbd 测量的是转轴对地电压 。为了观察
Ξ 收稿日期 :2000 - 11 - 15 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (编号 :59775012) © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
Key words : large electric machine ; gear electric2erosion ; gear
设计和运行条件正常的电机 ,运行时转轴两端 只会有很小的电位差 ,这种电位差就是通常说的轴 电压[1] 。当电机的设计 、调试存在问题 ,电机出现故 障的情况时 ,电机往往会出现较高的轴电压 。近年 来 ,电厂 、高速线材厂齿轮箱中的齿轮 、轴承等传动 件电蚀事故造成了重大的经济损失 ,研究表明大电 机过高的轴电压击穿传动副润滑油膜是传动件电蚀 的根本原因[2] 。
大电机轴电压含有多种频率与成分 ,轴电压的 主要分量是基波 、三次 、五次谐波分量 ,不正常的电 机电压的幅值可能达到几伏到几百伏 ,不同的原因 引起的轴电压性质与参数都不一样 ,相对应的防治 措施也不一样 。
参考文献 :
[1 ]沈标正. 电机故障诊断技术[M] . 北京 :机械工业出版社 ,1996. [2 ]胡高举 ,韦云隆 、张光辉 ,贺泽龙 ,曹新进. 齿轮电蚀现象的研究进
轴电压 。
在实际电机中 ,扇形片通常都是交错叠置的 ,重 叠数 n ≠1 ,实际接缝数为 nt , p 为极对数 ,一般情况 下 ,产生轴电压的条件为 :
nt p
=
奇数或分子为奇数的最简分数
(1)
轴电压的频率为上式约简后的分子和电枢频率
的乘积 。此外 ,也可以来判断钉子或机座分瓣 、冲片 轭部开孔等会否引起轴电压 。此时式 (1) 中的 nt 等 于圆周上定子或机座的接缝数 ,或是冲片轭部的孔 数。
机械 2001 年第 28 卷第 3 期
机电一体化
大电机轴电压研究Ξ
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胡高举1 , 郑才刚1 , 韦云隆2
(11 重庆钢铁设计研究院 ,重庆 400015 ;21 汕头大学机械学院 ,广东 汕头 515063)
摘要 :分析了大电机轴电压的性能 、产生原因 、检测方法和预防措施 。 关键词 :大电机 ;轴电压 ;齿轮 中图分类号 :TM32 文献标识码 :A 文章编号 :1006 - 0316 (2001) 03 - 0063 - 03
若干装有静止励磁的 100MW 和更大容量发电 机的公用电力公司经受了特殊的轴电流和轴承电流 问题 。制造厂采取的预防措施不见得能彻底防止破 坏性电流 。在一些有静止励磁的机组上作了广泛的 测量 。轴电压脉冲幅值为 120V 以上 ,每秒频率为 360Hz 。图 4 表示某台 150MW 机组上测量的数据实 例 ,这些 360 脉冲Π秒的电位与采用六脉冲静止励磁 系统有关 。
图 2 轴电压波形
得到如下主要结论 : (1) 轴电压的幅值 68V ,28V 和 26V 并不罕见 。 按照维护规范 ,峰间幅值大于 10～15V 便表明要求 对机组进行维修 。 (2) 一般来说 ,更大容量的机组具有更大的轴电 压值 。这可以归结到更大的气隙磁通 、更大的结构 不对称以及明显增大磁场中三次谐波分量的铁心饱 和定子的凸凹不平 。 (3) 轴电压的主要分量是基波 、三次 、五次谐波 分量 ,它们与发电机电压分布中最占优势的分量相 对应 。 (4) 为了弄清负荷情况对这类轴电压的影响 ,对 一台 150MW 机 组 在 50MW 轻 载 荷 下 运 行 时 及 115MW 较大载荷运行时作了比较 。在两种载荷情 况下并没有发现轴电压值和各个分量有多大变化 。
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机械 2001 年第 28 卷第 3 期
和记录轴电压的波形 ,有时测量还可通过电压表的 输出插孔 ,根据需要配置示波器 、磁带记录仪和数据 采集器 。如要进一步诊断分析 ,则可回到实验室或 分析室 ,对轴电压记录信号作频谱分析 。
轴电压内含有多种成分和频率 ,通常它与电枢 电流 、励磁电流和转速有关 。图 2 是两级 150MW 汽 轮发电机的轴电压 ,轴电压包含 60Hz 和部分 180Hz 两个分量 ,轴电压有明显的交变性质 。
213 电容电流
转子绕组与铁心之间存在分布电容 ,在采用静 止电源供电时 ,电流的脉动分量就在转子绕组和铁 心之间产生电容电流 ,这样就会在轴与地之间产生 一个电位差 。
以直流电机为例 ,其电容电流产生的轴电势与 很多因素有关 ,如电源中的脉动电压 、电枢绕组和铁 心之间电容 、轴承油膜电容等 ,其等效电路如图 3 。
Abstract : Properties and causes of axis voltage of large electric machine have been studied , and detecting and measuring methods of it are given , at last , precautionary and preventive measures of it are put forward.
式中 : e 为电源中脉动电压 (V) ; Cm 为电枢绕组与铁 心之间的电容 (μf) ; C1 为电源对地电容 (μf) ; C2 为 旁路电容 (μf) ; Cb 为轴承油膜电容 (μf) 。
图 3 静止电源供电直流电机轴电压的等效电路
这种轴电压的量值是由电源中脉动电压和各种 分布电容和电源装置电容所决定 ,而频率是由电源中 的脉动分量频率所决定的 ,往往是高频分量 。因此 , 采用静止整流电源时 ,电机的轴电压更应引起注意。 214 静止励磁机
影响由磁不对称引起的轴电压分量的大小和频 率的主要因素是 :发电机尺寸 、定子铁心结构 、转子 找正 、磁极数 、发电机设计和负荷条件 。为了定量和 定性地确定这些因素的影响 ,在若干不同容量 、不同 设计和不同运行年限的汽轮发电机上测量了轴电 压。
化 ,即磁通是脉动的 。同样原因 ,转子支承偏心 、轴 承磨损等造成气隙不均匀也会造成脉动磁通和产生
转子偏心导致了气隙不均匀 ,使主磁通上下两 部分的分布不再对称 ,而且其大小与分布情况均随 转子旋转而周期性变化 ,出现了与轴交链的基频交 变磁通 ,它将在转轴中感生轴电压 。
在另外一些情况下 ,如由于绕组因匝间短路而 出现不对称 、电源电压不对称 、转子断条 、非全相运
行等故障均会造成气隙空间谐波磁场分布的畸形 , 必然会在轴上产生感应电势 。
3 大电机轴电压防止措施
(1) 在电机设计时 ,避免产生磁路不对称 。 (2) 电机设计 、制造和运行时 ,避免产生轴向磁 通。 (3) 将轴承座对地绝缘 。 (4) 在轴上装设接地电刷 。 (5) 采用非磁性轴承座或附加线圈 。 (6) 在直流电机的电枢出线端加设一个对地的 旁路电容 。
Байду номын сангаас
4 结论
展[J ] . 重庆大学学报 ,2000 , (6) .
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
电机 都 是 大 功 率 电 机 ( 如 马 鞍 山 第 二 发 电 厂 为 550kW) ,而且事故发生时轴电压都比较高 。为此 , 我们开展了大电机轴电压的研究工作 ,主要是大电 机轴电压的性质 、产生原因 、检测方法和预防措施 。
1 大电机轴电压检测
因轴电压的频率成分较复杂 ,测量必须采用高 输入阻抗的电压表 ,如真空管电压表 、数字电压表 等 ,否则会有很大测量误差 。
2 轴电压产生原因及机理
211 磁通脉动
磁路不对称 ,在转子旋转时 ,由于磁阻随转子位 置改变而不同 ,所以磁通总量就会产生周期性的变
212 单极效应
由于电机中形成环绕轴的各种闭合回路 ,如电 刷装置的集电环 ,换向极和补偿绕组连接线 ,串激绕 组连接线等 ,设计时应考虑让它们相互抵消 ,但在设 计考虑不周时 ,它们的磁势不能相互抵消 ,就会产生 一个环轴的剩余磁势 ,使转轴磁化 ,并在电机旋转 时 ,在转轴两端也产生一个感应电压 ,其原理和单极 发电机一样 ,故称单极电势 ,这种单极效应产生的轴 电压在恒定负载时 ,表现为直流分量 ,并随负荷电流 而变化 。
Study on axis voltage of large electric machine
HU Gao2ju1 , ZHENG Cai2gang1 , WEI Yun2long2
(1. State Key Laboratory of Mechanical Transmission , Chongqing University , Chongqing 400015 , China ; 2. Engineering College , Shantou University , shantou 515063 , China)
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215 静电效应
这种轴电压是由蒸汽和汽轮机叶片之间的摩擦 而发生在汽轮机低压缸内 。如今制造厂制定了在汽 轮机轴上采用接地碳刷的标准 ,从而静电电荷经过 接地碳刷释放 ,而不通过轴承和轴的其它部位 。机 组运行在不清洁环境中 ,接地碳刷不能及时地提供 合适的接地 。为了探索这一电压性质 ,需在一些去 掉接地碳刷的未接地的汽轮机上测量轴与地之间的 电位差 。
216 外壳 、轴和轴承座的永久性磁化引起的轴电压
实际上 ,轴 、基板 、轴承座 、外壳及其它部件均由 具有良好磁性能的材料制成 。由于严重的短路或发 电机任何反常运行 ,常在轴 、外壳等处引起永久磁 化 。在一定条件下 ,轴的轴向剩余磁通 (也可以由基 板或其它部件引起) 能产生自励 ,导致很大的轴电流 和轴承电流 。这种现象将导致轴 、轴承和其它部件 的损坏 。由自励现象引起的油泵和发电机组控制装 置轴的事故已有报道 。