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摘要：随着电源建设的迅猛发展，单机容量的逐渐增大，轴电压成为大型发电机采用静止自并励磁系统后的一个严重问题。所以研究轴电压、轴电流有着很重要的意义。
关键词：轴电压；轴电流；绝缘；在线监测
一、引言
发电机在转动过程中，只要有不平衡的磁通交链在转轴上，那么在发电机的转轴的两端就会产生感应电势。这个感应电势就称为轴电压。当轴电压达到一定值时，通过轴承及其底座等形成闭合回路产生电流，这个电流称为轴电流。如果不采取有效的预防措施，或者预防措施失效，轴电流会使润滑油的油质逐渐劣化，放电的电弧会使转轴颈和轴瓦烧出麻点，最终导致轴瓦烧伤的严重后果。
二、发电机轴电压产生的原因
1、发电机磁通的不对称
由于磁通的不对称，导致产生轴电压，称为“单极效应”。磁通的不对称大致有一下原因：
（1）由于定子铁芯局部磁阻较大，如定子铁芯的锈蚀，或分裂式定子铁芯在现场组装结合不好等原因造成局部磁阻过大。
（2）由于定子与转子气隙不均匀造成磁通的不对称。
（3）由于分数槽电机的电枢反应不均匀，引起转子磁通的不对称。
（4）励磁系统中的高次谐波影响。
2、高速蒸汽产生的静电
由于与发电机同轴的汽轮机轴封不好，沿轴的高速蒸汽泄漏或蒸汽在缸内高速喷神等原因使轴带电荷。这种性质的轴电压很高，当人触及时感到麻手，但它不易传导至励磁机侧，在汽机侧也有可能破坏油膜和轴瓦。
3、剩磁引起的轴电压当发电机严重短路或其他异常工况下，经常会使大轴、轴瓦、机壳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，当机组大轴转动时，就会产生电势，称为单极电势。正常情况下，微弱的剩磁所产生的单极电势仅为毫伏级。但在转子绕组匝间短路或两点接地时，单极电势将达到几伏至十几伏，会产生很大的轴电流，沿轴向经轴、轴承和基础台板回路流通，不仅烧损大轴、轴瓦等部件，而且会使这些部件严重磁化。
三、发电机轴电压造成的危害
轴电压大小随各机组情况的不同而不同，一般说来机组容量越大，其气隙磁通和结构的不对称性也越大。而磁场中谐波分量和铁芯饱和程度以及定子的不平整度也越大，轴电压峰值就越高，轴电压的波形具有复杂的谐波分量，采用静止可控整流励磁的机组，其轴电压波形中有很高的脉冲分量，对油膜绝缘特别有害，当轴电压达到一定值后，如不采取适当措施，油膜会被击穿而产生轴电流。
若汽轮发电机组的轴电流很大，则轴电流通过的轴颈、轴瓦等有关部件将烧坏，汽轮机主油泵的传动蜗杆和蜗轮将损坏，轴电流引起的电弧会烧蚀轴承部件并使轴承的润滑油老化，从而加速轴承的机械磨损，轴电流会使汽轮机部件、发电机端盖、轴承和环绕轴的其他部件强烈磁化，并在轴颈和叶轮处产生单极电势。过高的轴电压足以击穿轴与轴承间的油膜时，发生放电，其放电回路为发电机大轴-------轴颈------轴瓦-----轴承支架-----机组底座。虽然，轴电压不高，通常为4V→6V，但回路电阻很小，因此，产生的轴电流可能很大，有时达数百安。轴电流会使润滑冷却的油质逐渐劣化，严重者会使轴瓦烧坏，被迫停机造成事故。
四、防范措施
1、设计安装时，通常在位于发电机励磁端的轴承支架与底座之间加装绝缘垫，同时将所有油管、螺杆、螺钉等采取绝缘措施。
2、设计有发电机汽机侧大轴的接地电刷，用于释放汽轮机低压段的静电电荷，保证轴与地的电势相同。除消除大轴电压外，大轴接地碳刷同时有以下作用，用以保护电机：1.测量转子正负对地电压。2.作为转子一点接地的保护。
3、为了降低汽轮发电机组由于磁路不对称引起的轴电压，设计发电机时考虑了消除或减少轴电压中的三次或五次谐波分量的措施，采用全新的发电机结构，安装时严格按照厂家工艺、设计要求，防止转子偏心。
4、为防止转子绕组一点接地短路而产生轴电压，运行时投入励磁回路两点接地保护装置。
5、为切断轴电流，在励磁机侧包括发电机轴承、氢冷发电机的油密封，水内冷发电机转子的进出水支座和进出水管法兰，励磁机和副励磁机轴承与机座的底板之间加装绝缘垫。轴承座的紧固件和连接到轴承座的油管也要与轴承绝缘可采用双层绝缘措施。
6、在发电机设计时，避免产生磁路不对称，避免产生轴向磁通。
五、测量方法
转子接地碳刷和轴承的绝缘对防护轴电压对发电机安全运行的作用是非常重要的。在实际的运行中，由于安装、运行环境的恶化、磨损等，会使得转子接地不好或轴承绝缘下降，导致轴电压上升，轴电流增大，最终可能损坏发电机。主要原因是缺少有效的监测手段来保证这些预防措施处于可靠的工作状态。因此，定期采用测量轴电压，进行有效的在线监测等手段对保证发电机处于安全可靠运行是十分必要的。下面介绍几种测量及监视方法：
1、手动人工测量
测量前，应将轴上原有的接地碳刷提起，发电机两侧轴与轴承用铜刷短路，用交流电压表测量发电机轴的电压U1，测量的连接线必须使用专用电刷，且具有300mm以上长的绝缘手柄，然后将发电机轴承与轴经铜丝刷短路，消除油膜的压降，在励磁机侧，测量轴承支座与地之间的电压U2.
当U1≈U2时，说明绝缘垫绝缘情况良好；
当U1＞U2时（U2低于U1的10%），说明绝缘垫的绝缘不好；
当U1＜U2时，说明测量不准，应检查测量方法及仪表。
测量时可用高内阻的交流电压表，在发电机各种工况下（包括空转无励磁、空载额定电压、短路额定电流以及各种负荷下）进行测量。
2、在线监测
在发电机安装轴电压轴电流在线测量装置，全套装置由电流变送器、电压变送器、DI/DO监测及报警单元、电流互感器、试验电路、过流保护电路、温湿度控制器、报警灯及按钮等部件所组成。该装置能连续在线测量轴电压和轴电流，并提供控制、整定范围。提供试验检测电路用于检测接地电刷和测量电刷故障。轴电压在轴的汽端和励端测量。接地碳刷必须在汽端确保轴能可靠接地。连续的轴电压测量是通过在励端测量碳刷来实现。
轴电流通过安装在汽端接地电刷和接地点之间的连线上的电流互感器来测量。电压和电流测量的接地电位必须一致，并统一接到汽轮机接地点上。
因为轴接地方法和碳刷的接触电阻决定了轴电流的大小，这种轴电流能够在汽轮机轴侧其他位置对地释放，因此必须监控发电机汽端轴接地质量可靠。如果励端电刷没有和轴接触，测量的轴电压为零。轴电流仍流过无故障的汽端接地电刷，励端原来流过电压变送器内阻Ri的电流变为流过高阻的绝缘电阻。当轴电流减小至零，说明轴电流不再流过闭合回路。由于汽端没有接地，来自汽轮机侧的电荷可能会使轴电压升高。根据大量的发电机型式试验测量的轴电压为基础，选择轴电压测量量程为0~30V。
在正常运行期间，轴电流非常低。如果发生故障，轴电流将超过0.1A和1A报警极限值，如果发生严重故障轴电流甚至可能更高。监测及报警模块的限值和量程匹配，变送器4～20mA信号送到DI/DO监测和报警模块，实时监测当前轴电压及轴电流，若有触发条件，则及时提供报警信号。
六、总结
发电机的轴电压过高对发电机正常运行有着很大的影响，所以应定期进行测量，对于一些大型发电机组，必要安装在线保护装置，时常监测发电机是否处于正常运行状态。我国电力工业正处于大电网和大机组发展时期，随着发电机组单机容量的增大，采取有效防护措施抑制轴电压及有害轴电流的产生，是非常重要的。
参考文献：
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[3]燃气发电机轴电压异常分析周侣，邵建强，许龙虎，张冬华东电力 第37卷第2期2009年2月