劉玉福

(紅河學(xué)院，云南 蒙自 661100)

0 引言

我國(guó)大型電機(jī)的設(shè)計(jì)水平、檢修工藝、運(yùn)行管理日趨成熟，但運(yùn)行、設(shè)計(jì)人員對(duì)大型電機(jī)的軸電壓的危害容易忽視。大型電機(jī)軸電壓產(chǎn)生的軸電流損壞軸承(軸瓦)，最終導(dǎo)致大型電機(jī)無法正常運(yùn)行，乃至報(bào)廢。驗(yàn)證了中國(guó)一句古語:“千里堤壩，潰于蟻穴”。

1 大型電機(jī)軸電壓的危害

設(shè)計(jì)和條件正常的大型電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)軸兩端會(huì)只有很小的電位差，這種電位差就是通常說的軸電壓。大型電機(jī)中使用的軸頸軸承，它的軸與軸承就會(huì)形成一層油膜，當(dāng)軸電壓由于電機(jī)故障等原因升高到一定的數(shù)值時(shí)，足以擊穿油膜，發(fā)生放電，形成軸電流(其放電回路為電機(jī)軸—軸頸—軸承—軸承支架—機(jī)組底座)。通常大型電機(jī)的軸電壓4～6 V，因?yàn)榛芈冯娮璺浅Ｐ。援a(chǎn)生的軸電流可能很大，有時(shí)可達(dá)數(shù)百安，軸電流的危害有:破壞油膜的穩(wěn)定，加速油脂劣化，失去了對(duì)軸承的潤(rùn)滑作用;因?yàn)榉烹姷淖饔脮?huì)在軸頸和軸瓦表面產(chǎn)生很多蝕點(diǎn)，破壞軸頸和軸瓦的配合，加劇軸、軸瓦的損壞。

2 大型電機(jī)軸電壓產(chǎn)生的原因

(1)大型電機(jī)的轉(zhuǎn)子表面的不平整、毛刺、轉(zhuǎn)軸上的螺栓、轉(zhuǎn)軸上的冷卻風(fēng)扇等在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)與周圍氣體發(fā)生摩擦而產(chǎn)生的靜電荷。

(2)大型電機(jī)(汽輪發(fā)電機(jī))的轉(zhuǎn)軸遇高速噴射的氣體或液體而產(chǎn)生的靜電荷。

(3)大型電機(jī)(汽輪發(fā)電機(jī))的葉片上甩出的水珠形成的靜態(tài)電壓，此時(shí)，如果沒有更好的放電途徑，該電壓會(huì)逐漸升高，通過軸承的油層放電。

(4)大型電機(jī)(發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī))的直流電流中的交流分量會(huì)通過線圈和絕緣的電容在軸上形成一個(gè)相對(duì)地面的交流電壓。

(5)大型電機(jī)(發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī))磁場(chǎng)回路不對(duì)稱，導(dǎo)致在軸的末端形成一個(gè)電壓，該電壓較強(qiáng)，若不及時(shí)消除，會(huì)形成一股強(qiáng)大的電流從軸的一端流向另一端。

(6)大型電機(jī)的定子繞組對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心間存在耦合電容，轉(zhuǎn)子對(duì)軸承間存在耦合電容。軸承電容產(chǎn)生的軸電壓，隨著耦合電容的增大而增大。

(7)大型電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路產(chǎn)生的單極磁勢(shì)，當(dāng)大型電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，在轉(zhuǎn)軸兩端產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓。

3 大型電機(jī)軸電壓的監(jiān)測(cè)

3.1 大型電機(jī)軸電壓的監(jiān)測(cè)和診斷

監(jiān)測(cè)儀器的測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示，軸電壓Uab是轉(zhuǎn)軸上的兩端軸承的內(nèi)側(cè)測(cè)量點(diǎn)a和b之間的電動(dòng)勢(shì)，c和d是兩端軸承底座測(cè)量點(diǎn)，Uac和Ubd測(cè)量的是轉(zhuǎn)軸對(duì)地電壓。利用先進(jìn)數(shù)據(jù)采集裝置采集軸電壓信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)用分析軟件對(duì)信號(hào)作峰值和頻率分析。因?yàn)檩S電壓含有基波、三次、五次諧波的分量，比較復(fù)雜，測(cè)量時(shí)盡量用高輸入阻抗的測(cè)量裝置，盡可能避免誤差的產(chǎn)生。表1是某發(fā)電廠對(duì)電機(jī)軸電壓的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[1]。

3.2 雙電刷電機(jī)軸電磁數(shù)據(jù)采集裝置

一般大型電機(jī)的勵(lì)磁側(cè)轉(zhuǎn)軸上已經(jīng)安裝一個(gè)接地電刷，為了采集軸電壓，需要在大型電機(jī)的另一側(cè)再裝一個(gè)接地電刷。軸電壓相當(dāng)于一個(gè)高內(nèi)阻的信號(hào)源，因此需要測(cè)量裝置的內(nèi)阻較高，才能避免監(jiān)測(cè)到的信號(hào)不失真。采用高阻抗變換器(輸入阻抗不小于2 MΩ)來匹配解決。圖2是清華大學(xué)研制的水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)軸電壓監(jiān)測(cè)裝置原理框圖。

表1 軸電壓的幅值和頻率

圖3[2]是某發(fā)電廠發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)采集到的軸電壓波形。圖中上部顯示的圖形為軸電壓的時(shí)域圖，時(shí)域圖左側(cè)數(shù)據(jù)框中顯示的數(shù)值為軸電壓最大峰－峰值。下部顯示框中的圖形為軸電壓的頻域圖，頻域圖左側(cè)數(shù)據(jù)框中顯示的數(shù)值為5個(gè)最大頻率分量的頻率值和相對(duì)值。

圖3 發(fā)電機(jī)軸電壓監(jiān)測(cè)圖形界面

4 大型電機(jī)軸電壓的防護(hù)

(1)在大型電機(jī)的勵(lì)磁側(cè)軸承座與底座之間加一層絕緣墊，同時(shí)把所有的油管、螺桿、螺釘?shù)炔考扇〗^緣措施。

(2)使用滑動(dòng)觸點(diǎn)(如碳刷、銀刷、編織銅線)，電流通過該觸點(diǎn)接地，致使軸電壓始終保持在一個(gè)不會(huì)危害軸的較低數(shù)值。

(3)在大型電機(jī)勵(lì)磁側(cè)軸端與接地電刷之間接入一種無源 RC(500 Ω，10 μF)電路，可以降低感應(yīng)軸電壓產(chǎn)生的軸電流，有效防護(hù)勵(lì)磁側(cè)的軸承。為了防止事故時(shí)電機(jī)軸流過大的環(huán)流，也可以在電刷與RC電路之間加裝一熔斷器。

(4)在大型電機(jī)的勵(lì)磁繞組加裝對(duì)稱的阻容濾波器，降低靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻尖峰軸電壓的分量。

(5)完善設(shè)計(jì)、精化制作工藝。在設(shè)計(jì)與制作中，盡量降低軸電壓的基波、三次、五次諧波的分量;盡量避免產(chǎn)生上述軸電壓形成的條件。

5 結(jié)語

大型電機(jī)軸電壓的危害是巨大的，但是軸電壓是可監(jiān)測(cè)，可預(yù)防的。只要我們認(rèn)真采取監(jiān)測(cè)又防護(hù)措施、定期維護(hù)，一定可以避免軸電壓給電機(jī)帶來的損害。

[1]李偉清.汽輪發(fā)電機(jī)故障檢查分析及預(yù)防[M].北京:中國(guó)電力出版社，2002.

[2]王昌長(zhǎng)，李福祺，高勝友.電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷[M].北京:清華大學(xué)出版社，2006.