摘 ?要：可持續(xù)發(fā)展理念的深化，使得清潔能源的開發(fā)利用受到了社會各界的廣泛關注，水電憑借著本身成熟的技術以及高效、清潔、可再生的優(yōu)勢，在我國得到了快速發(fā)展。而在水輪發(fā)電機運行中，如果轉子與定子無法保持完全通信，則在運行過程中可能引發(fā)相應的軸電流，對發(fā)電機的正常穩(wěn)定運行產生影響。本文從水輪發(fā)電機軸電流的危害出發(fā)，結合具體案例，對軸電流治理措施進行了分析和討論。

關鍵詞：水電產業(yè);水輪發(fā)電機;軸電流

中圖分類號：TM312;TM621.3 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）13-0057-02

Discussion on Generator Shaft Current Hazard and Treatment Measures

YANG Weiwen

（Chaozhou Fenghuang Hydropower Plant，Chaozhou ?521051，China）

Abstract：With the deepening of the concept of sustainable development，the development and utilization of clean energy has been widely concerned by all sectors of society. Hydropower，with its mature technology and advantages of high efficiency，clean and renewable，has been developing rapidly in China. In the operation of hydro-generator，if the rotor and stator cannot maintain complete communication，the corresponding axial current may be triggered during the operation，which will affect the normal and stable operation of the generator. Based on the harm of shaft current of hydro-generator，this paper analyzes and discusses the measures to control shaft current combining with specific cases.

Keywords：hydropower industry;hydro-generator;shaft current

0 ?引 ?言

由于本身的結構以及工作機理，發(fā)電機中的軸電壓必然存在，不過只要沒有產生閉合回路，軸電流也不會產生。在當前的技術條件下，發(fā)電機無論是設計還是生產，都會充分考慮軸電流的防范和控制，但是因為發(fā)電機本身運行環(huán)境、操作等因素的影響，軸電流問題依然時有發(fā)生，影響了發(fā)電機的穩(wěn)定可靠運行，需要受到技術人員的重視并予以解決。

1 ?水輪發(fā)電機軸電流的危害

正常情況下，水輪發(fā)電機在運行過程中，轉軸和軸承之前都會存在相應的潤滑油膜，這層潤滑油膜不僅能夠起到潤滑作用，還可以發(fā)揮出一定的絕緣作用，因此當軸電壓較低時并不會導致軸電流的產生。但是，如果軸承絕緣因為油污、老化、損壞等，出現絕緣性能下降，軸電流境外部回路從轉軸—油膜—軸承座—基礎等依次通過，引發(fā)軸電流問題，軸電流所產生的電解作用，會導致潤滑油炭化，降低潤滑油所具備的潤滑性能和絕緣性能，導致軸承在運行中溫度異常升高，軸電流的最大數值可以達到上千安，會對軸瓦造成嚴重灼傷。

2 ?水輪發(fā)電機軸電流的治理措施

以某水電站為例，其設置有兩臺120MW沖擊式水輪發(fā)電機組，其額定轉速在300r/min，借助設置在大軸上的電流互感器，對軸電流進行監(jiān)測。軸電流繼電器的型號為BZL-10B，其定值可以依照實際產生的電流值進行設置，在正常運行工況下，實際測量得到的軸電流為0.5A，電機設置的軸電流報警值為1.5A，停機值為2.0A。自機組投運至今，軸電流檢測裝置曾多次檢測出數值異常偏大（1.5A～ 2.0A）的軸電流，嚴重影響了機組的安全穩(wěn)定運行[1]。

2.1 ?原因排查

（1）設備檢查。對于軸電流互感器以及繼電器，在進行安裝前，需要做好校驗工作，軸電流表采用的是毫安級電流表，顯示出的電流屬于互感器一次側電流，輸入和輸出值存在比較明顯的線性關系。在二次接線中，使用了屏蔽電纜來防范電磁干擾，并將電纜穿過軸電流互感器和大軸之間的縫隙，接通交流電流，對軸電流表的讀數進行測量，結果顯示，輸入輸出值正常。

（2）單級效應檢查。水輪發(fā)電機的勵磁電纜需要從勵磁柜引到相應的機組集電環(huán)，然后借助勵磁銅排，經過相應的主軸表面開槽后，自上而下穿越大軸中空位置，并引到轉子磁極。軸電流互感器應該被安裝到位于轉子磁極和滑環(huán)之間的主軸上，由發(fā)電機主軸和勵磁電流共同構成簡易交流發(fā)電機，軸電流互感器產生交變電勢，引發(fā)虛假軸電流，不過因為在BZL-10B繼電器中設置了相應的濾波措施，因此這個虛假的軸電流實際上并不會顯示出來。若因為轉軸磁化產生軸電流，則軸電流會隨機組負荷的波動而發(fā)生變化。機組負荷與軸電流的變化情況如表1所示。結果顯示，機組運行中產生的異常軸電流并非由單級效應引發(fā)[2]。

（3）絕緣檢查。水輪機運行環(huán)節(jié)，如果軸電流達到甚至超過1.5A，發(fā)出一級報警，則需要做好停機檢查。首先檢查大軸接地碳刷，確保其可靠接地，然后對主軸上可能存在的接地點進行逐一排查，借助500V搖表測量，結果發(fā)現在機組上導油擋蓋板位置，絕緣電阻的數值為0.3MΩ，轉子回路對地絕緣在拉開滅磁開關的情況下為0.5MΩ。對其進行深入檢查，發(fā)現油擋蓋板的邊緣位置和接縫位置存在比較嚴重的臟污和碳粉沉積問題，集電環(huán)與刷架碳粉沉積和油污嚴重。對其進行分析，判斷臟污的存在影響了絕緣性能，導致了機組運行過程中軸電流的增大。結合上述分析，對相應位置的臟污進行清理，并對集電環(huán)、刷架等進行擦拭，然后開機試運行，發(fā)現軸電流從原本的1.5A下降到了0.4A～0.5A的正常數值。連續(xù)運行300h后，發(fā)現軸電流再次出現異常升高的情況，從保證機組運行安全的角度，只能定期對其進行檢查和處理，嚴重影響了機組運行的效率。

2.2 ?治理措施

結合上述分析可知，導致水輪發(fā)電機絕緣性能下降，軸電流上升的主要原因是碳粉和油污，單純的擦拭和清潔“治標不治本”，無法從根本上解決問題。對此，電站技術人員對現有機組中的集電環(huán)和碳刷進行了改造，增加了碳粉收集裝置，用來避免碳粉沉積的問題。

（1）裝置改造。現有的水輪發(fā)電機組中，集電環(huán)截面尺寸為75mm× 40mm，將其改造為85mm×40mm，適當增大了集電環(huán)的導電面積，降低了電密，而且在集電環(huán)外圓周采用了螺旋狀溝槽結構，為其通風散熱提供了便利，同時也能夠在一定程度上避免碳粉沉積。對集電環(huán)和刷架吊桿的絕緣墊圈進行了加厚處理，將墊圈改造成了四周高中間低的弧形結構，同樣可以預防碳粉堆積。導電環(huán)從原本的半環(huán)更換成了整個圓環(huán)，截面尺寸也從原本的16mm×80mm提高到了20mm×100mm，導電環(huán)電密和溫升顯著降低，也為碳粉收集裝置的安裝留出了足夠的空間。考慮水電機組運行中轉速較高，將碳刷更換為NCC634型號，尺寸為25mm×32mm×100mm，碳刷額定電流密度0.1A/mm2，相比較原本的碳刷，NCC634碳刷的質地更加柔軟均勻，在運行過程中對集電環(huán)的磨損較小，能夠有效減緩機械磨損造成的損蝕，抑制碳刷打火現象。同時，碳刷刷握采用的是帶電可拆卸類型，即便是在帶電運行的情況下，依然能夠安全方便地對碳刷進行更換，而且其本身還具有鎖定碳刷、指示碳刷磨損程度的相關功能[3]。

（2）碳粉收集。為了能夠對碳粉進行收集，減少和避免碳粉在集電環(huán)和碳刷上的沉積，設置了相應的碳粉收集裝置，包含為了密封碳粉收集系統、碳粉回收處理系統、控制系統以及管路連接系統幾個組成部分。每一臺發(fā)電機組都設置了兩個碳粉收集裝置來保證收集效果。導電環(huán)上應該設置相應的集塵罩，確保其能夠與集電環(huán)共同形成一個相對密閉的空間，將碳粉限制在這個空間內。碳粉收集裝置能夠將多余碳粉吸出并且收集在一起，能夠有效避免碳粉堆積引發(fā)的絕緣性能下降的問題，而且也可以防止碳粉對機組其他零部件的污染。密閉空間內的空氣在被吸出后，外部空氣會持續(xù)補充進來，通過不斷循環(huán)來收集碳粉，降低集電環(huán)溫度。在設置集塵罩時，應該選擇非金屬絕緣材料，借助相應模具整體成型，保證其具備足夠的強度，以此來避免老化變形問題。對于風路系統，內部管道應該選擇軟管，確保其具備良好的耐熱性和抗老化性能，并且利用支架對管路進行固定。吸塵裝置和集電環(huán)的通風散熱應該采用一體結構，將電機額定電壓控制在380V，單臺電機運行功率1.5kW，搭配相應的三相電源相序自適應功能模塊，能夠有效預防電機反轉問題，產生的風量完全可以同時滿足碳粉收集和集電環(huán)降溫的需求，風機運行中的噪音實測值為75dB。為了保證碳粉收集裝置的正常運行，控制系統設置了手動和自動兩種不同的控制模式，可以在現場進行手動控制，也可以借助網絡實現遠程控制，系統運行、系統停止等狀態(tài)的電氣接點獨立，每一個狀態(tài)節(jié)點都設置為兩對，以此來保證系統的可靠運行。

2.3 ?治理效果

水電站兩臺水輪發(fā)電機組的集電環(huán)和刷架改造完成時間為2018年3月，截止2019年3月，運行時間達到一年，兩臺機組在進相和滯相運行的狀態(tài)下，軸電流分別穩(wěn)定在0.4A和0.5A，不需要定期進行停機清理，機組運行的連續(xù)性和可靠性大大增強。而在設置了碳粉收集裝置后，機組即便是長期在額定120MW、勵磁電流1100A的工況下運行，碳刷溫度依然可以保持在65℃左右，集電環(huán)溫度一般不超過72℃，運行溫度的降低能夠有效改善運行工況[4]。

3 ?結 ?論

總而言之，當水輪發(fā)電機絕緣性能下降時，較低的軸電壓也會帶來較大的軸電流，影響發(fā)電機的穩(wěn)定可靠運行。對此，技術人員應該做好軸電流異常問題的排查工作，分析異常產生的原因，關注機組結構問題引發(fā)的軸電流，采取切實有效的措施和方法，對軸電流異常升高的問題進行解決，將集電環(huán)和碳刷運行溫度控制在一個恰當的范圍內，保證機組的穩(wěn)定可靠運行，以此來推動水電產業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻：

[1] 補祥高.水電站水輪發(fā)電機組的常見故障與維護研究 [J].南方農機，2019，50（8）：30+75.

[2] 李政，李巍，卿啟維.水輪發(fā)電機軸電流的設備治理及效果分析 [J].四川水力發(fā)電，2019，38（2）：107-109.

[3] 伍威.水輪發(fā)電機組調試期間振動故障處理分析 [J].科技展望，2015，25（26）：102.

[4] 張雷，袁波，汪衛(wèi)平.立式水輪發(fā)電機組軸承油霧的治理 [J].水電與抽水蓄能，2015，1（3）：43-48.

作者簡介：楊偉文（1967.12-），男，漢族，廣東潮州人，電力技術員，從事水電廠發(fā)電機組運行檢修三十多年，研究方向：發(fā)電機組及其附屬設備。