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彭水水電站350﹢MW發(fā)電機(jī)組軸電流防護(hù)措施

文檔作者：何明進(jìn)1 雷雨2 鄭宇1 孫偉3 文檔來源： 1．重慶大唐國際彭水水電開發(fā)有限公司 2．重慶市電力公司 3．湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年12月28日
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2010年第4期
2010Number 4
水電與新能源
HYDROPOWER AND NEW ENERCY
總第90期
Total No．90
文章編號：1671—3354(2010)04—0027一03
彭水水電站350 MW發(fā)電機(jī)組軸電流防護(hù)措施
何明進(jìn)1，雷雨2，鄭宇1，孫偉3
(1．重慶大唐國際彭水水電開發(fā)有限公司，重慶409600；2．重慶市電力公司，重慶400014；
3．湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北宜昌443000)
摘要：彭水水電站的350 MW水輪發(fā)電機(jī)由于轉(zhuǎn)子和定子電磁不平衡、外部靜電感應(yīng)、自動化元件故障等原因產(chǎn)生了軸
電壓和軸電流，導(dǎo)致軸承、軸瓦受損，對軸電流采取了防護(hù)措施后機(jī)組運行正常。
關(guān)鍵詞：滑轉(zhuǎn)子；軸電流；防護(hù)
中圖分類號：TK730．8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Shaft current protection for 350 MW hydrogenerator
of Pengshui Hydropower Station
HE Mingjinl，LEI Yu2，ZHENG Yu‘，SUN Wei’
(1．Chongqing Datang International Pengshui Hydropower Development Co．，Ltd．，Chongqing 409600，China；
2．Chongqing Electric Power Corp．，Chongqing 400014，China；
3．Hubei Qingjiang Hydroelectric Development Co．，Ltd．，Yichang 443002，China)
Abstract：The induced current in the main shaft of the 350 MW hydrogenerator of Pengshui Hydropower Station is
caused by：electro—magnetic unbalance in rotor and stator。external static induction，defects of automatic
components．The protective measures against shaft current are described．
Key words：slip rotor；shaft current；protection
烏江彭水水電站設(shè)計單機(jī)容量350 MW，總裝機(jī)
容量1 750 MW。水輪發(fā)電機(jī)組采用天津ALSTOM公司
生產(chǎn)的三相立軸雙導(dǎo)半傘式、密閉單路徑向白循環(huán)空
冷同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸分為上端軸、轉(zhuǎn)子中心
體、下端軸，上端軸由軸身、滑轉(zhuǎn)子組成，下端軸由三段
焊接而成。由于發(fā)電機(jī)上端軸采用ALSTOM公司新型
滑轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，有別于常見的軸領(lǐng)結(jié)構(gòu)，從而對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)
子主軸軸電流的防護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)。
1 軸電壓和軸電流產(chǎn)生的原因
大型水輪發(fā)電機(jī)組在運行過程中，由于機(jī)組結(jié)構(gòu)、
運行環(huán)境的影響，不可避免地將在發(fā)電機(jī)主軸上產(chǎn)生
軸電壓，如不采取相應(yīng)措施，就會在發(fā)電機(jī)主軸與軸瓦
(推力瓦)間產(chǎn)生軸電流，而軸電流的長期存在，將侵
蝕軸領(lǐng)與軸瓦，嚴(yán)重縮短軸承使用壽命，輕微的可運行
上千小時，嚴(yán)重的甚至只能運行幾小時，嚴(yán)重威脅水輪
收稿13期：2010—03—02
作者簡介：何明進(jìn)，男，工程師，從事水電工程設(shè)備和運行管理工作。
發(fā)電機(jī)組的安全運行，由此造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損
失慘重。
產(chǎn)生軸電流的前提是要產(chǎn)生軸電壓，而產(chǎn)生軸電
壓的原因主要有以下幾種。
(1)電磁不平衡產(chǎn)生軸電壓。發(fā)電機(jī)定子鐵芯在
結(jié)構(gòu)上有對縫，加上存在鐵芯槽、通風(fēng)孔等，不可能是
真正理想的完美的圓。又因安裝造成發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之
間的空氣間隙不均勻，造成磁阻不一致，從而使得電磁
場不均勻。且機(jī)組在運行中，主軸又有一定范圍的擺動
和振動，使發(fā)電機(jī)定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場不均勻，不平衡
的磁力線磁束與回轉(zhuǎn)大軸相切產(chǎn)生軸電壓。
(2)靜電感應(yīng)產(chǎn)生軸電壓。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子主軸在強(qiáng)
電場下運轉(zhuǎn)，在強(qiáng)電場作用下，在轉(zhuǎn)子主軸的兩端便感
應(yīng)出軸電壓。
(3)自動化元件故障產(chǎn)生軸電壓。大型水輪發(fā)電
機(jī)組自動化元件較多，運行現(xiàn)場接線繁雜，元件故障造
萬方數(shù)據(jù)
水電與新能源2010年第4期
成帶電線頭搭接在轉(zhuǎn)軸上，也會產(chǎn)生軸電壓?。
以上各種因素共同作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了軸電壓。
2 軸電流對軸承的破壞
機(jī)組在正常運行中，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子主軸軸領(lǐng)與軸
瓦之間有油膜存在，油膜一方面起到潤滑作用，另一方
面對一定的軸電壓也能起絕緣的作用。對于較低的軸
電壓，這層潤滑油膜能滿足主軸軸領(lǐng)與軸瓦絕緣要求，
因此不會產(chǎn)生軸電流。但當(dāng)軸電壓增加到一定數(shù)值后，
尤其在發(fā)電機(jī)啟動階段，軸瓦與軸領(lǐng)的潤滑油膜還未
穩(wěn)定形成，軸電壓將可擊穿油膜而放電，此時軸電壓將
通過主軸_軸承一機(jī)座一主軸而形成環(huán)形短路電
流，從而形成軸電流。此電流將從軸瓦和軸領(lǐng)的金屬接
觸點通過，由于該金屬接觸面很小，幾乎是點接觸，又
由于軸電流回路阻抗很小，因此這些點的電流密度大，
在瞬間產(chǎn)生高溫，使軸承局部燒熔，在金屬表面形成極
微小的電蝕凹坑。另外被燒熔的軸承合金在碾壓力的
作用下飛濺，在軸瓦上將會產(chǎn)生純機(jī)械磨損。軸領(lǐng)(或
鏡板)和軸瓦間在小電弧侵蝕作用下，軸瓦表面合金
逐漸被吸到軸領(lǐng)(或鏡板)上去，破壞了軸瓦上作面，
從而引起軸瓦過熱甚至燒損，見圖1。
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圖1 彭水水電站發(fā)電機(jī)上端軸承結(jié)構(gòu)
另外軸電流將使?jié)櫥妥冑|(zhì)、發(fā)黑，降低潤滑油
潤滑性能，使軸承溫度升高。而軸瓦表面巴氏合金的磨
耗會使一部分軸瓦失去對轉(zhuǎn)子軸領(lǐng)的預(yù)負(fù)荷作用，轉(zhuǎn)
子在旋轉(zhuǎn)時容易誘發(fā)油膜渦動，造成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不穩(wěn)
定。而不穩(wěn)定的油膜反過來又會引起軸承油膜電阻的
急劇下降，使更多的軸電流通過該區(qū)域，加劇電火花作
用。在各種因素彼此相互激勵下，最終導(dǎo)致軸領(lǐng)或軸瓦
的損壞。
3 機(jī)組運行與軸電流的防護(hù)
由于軸電流造成的損傷危害大、后果嚴(yán)重，因此大
型發(fā)電機(jī)組對防止軸電流的產(chǎn)生要求更高。完全避免
產(chǎn)生軸電壓難度比較大，減小或消除軸電流引起的損
28
傷，主要是限制軸電壓的升高和提高軸承絕緣。一般認(rèn)
為，足以引起軸電流損傷的電壓在20 V以上，典型的
軸承損傷電壓在30～100 V之間。如果把軸電壓降到
1 V以下，基本上就可以消除軸電流帶來的故障。通過
提高軸承絕緣，可阻斷軸電流回路，從而消弱或者消除
軸電流的損傷。在水電廠生產(chǎn)現(xiàn)場，常采用防護(hù)軸電流
的措施主要有：①在發(fā)電機(jī)下端軸下部安裝接地碳
刷，以降低軸電位，使接地碳刷可靠接地，并且與轉(zhuǎn)軸
可靠接觸，保證轉(zhuǎn)軸電位為零，以此限制轉(zhuǎn)子下部軸電
壓，從而消除軸電流的傷害。②對于傘式機(jī)組，則采取
提高上導(dǎo)軸承絕緣水平的方法阻斷軸電流回路。對于
懸式機(jī)組，除了提高上導(dǎo)軸承絕緣水平外，還在推力頭
與鏡板間加一層絕緣，以切斷軸電流的回路。
圖2為上端軸與軸領(lǐng)一體的上導(dǎo)軸承絕緣防護(hù)示
意圖。由圖2可見，常規(guī)軸領(lǐng)與軸身一體的軸承結(jié)構(gòu)，
防護(hù)軸電流的措施是在上導(dǎo)瓦與軸承支座間加裝絕緣
材料(一般為0．5～2 mm厚酚醛玻璃板)的方法實
現(xiàn)的。
圖2 常規(guī)上導(dǎo)瓦絕緣防護(hù)措施
3．1 軸電流防護(hù)措施
(1)上端軸采用ALSTOM新型結(jié)構(gòu)，即上端軸由
軸身、滑轉(zhuǎn)子、絕緣材料等組成，如圖1所示。軸身和滑
轉(zhuǎn)子在工廠分別精加工后，滑轉(zhuǎn)子熱套在軸身上，熱套
前在軸身與滑轉(zhuǎn)子接觸立面，貼上一層ALSTOM專用
絕緣紙，在接觸上平面墊上絕緣環(huán)。熱套完成后用1
000 V絕緣電阻測試儀測量軸身與滑轉(zhuǎn)子之間的絕
緣，設(shè)計要求絕緣值大于1 Mn。彭水水電站水輪發(fā)電
機(jī)的軸電流防護(hù)，正是采用這種特殊的結(jié)構(gòu)，結(jié)合常規(guī)
防護(hù)手段，共同實現(xiàn)發(fā)電機(jī)的軸電流防護(hù)目的。軸電壓
主要產(chǎn)生在轉(zhuǎn)子中心體下平面以上，因此，彭水水電站
對機(jī)組軸電流的防護(hù)采用上端軸絕緣阻斷、下端軸接
地限制和裝設(shè)軸電流保護(hù)裝置3種手段，形成完整的
軸電流防護(hù)系統(tǒng)。
(2)下端軸防護(hù)措施。對下端軸采用常規(guī)的接地
碳刷接地的防護(hù)方式。接地碳刷安裝在下機(jī)架下導(dǎo)軸
承下部并可靠接地，因此限制了發(fā)電機(jī)下端軸軸電壓
萬方數(shù)據(jù)
何明進(jìn)，等：彭水水電站350 MW發(fā)電機(jī)組軸電流防護(hù)措施2010年7月
幅值，從而對推力軸承和下導(dǎo)軸承起到了保護(hù)作用，并
給轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)和轉(zhuǎn)子電壓測量回路提供了
通路。
(3)上端軸防護(hù)措施。對上端軸，根據(jù)圖1可知，
ALSTOM公司已在發(fā)電機(jī)上端軸軸身與軸領(lǐng)之間加裝
特殊絕緣紙。因此，上端軸軸電流的防護(hù)就依靠它來實
現(xiàn)。即上端軸通過軸身與滑轉(zhuǎn)子之間的絕緣，實現(xiàn)發(fā)電
機(jī)轉(zhuǎn)子主軸與滑轉(zhuǎn)子及上導(dǎo)瓦的絕緣，從而實現(xiàn)了阻
斷電流的目的，具體結(jié)構(gòu)見圖3所示。
絕緣材料特殊絕緣材料
圖3 彭水水電站上導(dǎo)瓦絕緣防護(hù)措施
(4)軸電流防護(hù)措施的特點。發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承絕
緣防護(hù)與常規(guī)絕緣防護(hù)相比，其特點是：①與常規(guī)絕
緣防護(hù)相比，由于不在上導(dǎo)瓦與軸承支座間加裝絕緣
墊板，從而簡化了上導(dǎo)瓦安裝與調(diào)整工作，且使上導(dǎo)軸
承運行穩(wěn)定可靠。②由于滑轉(zhuǎn)子與軸身間的絕緣紙是
熱套進(jìn)去后再加工的，使得軸身與滑轉(zhuǎn)子結(jié)合緊密，且
運行中滑轉(zhuǎn)子只承受徑向力，從而降低了絕緣紙磨損
的可能性，運行可靠性得到提高。目前中國運用的
ALSTOM公司機(jī)組基本上是此類結(jié)構(gòu)，未有此類絕緣
損壞事故發(fā)生。
(5)軸電流防護(hù)措施存在的問題。由于結(jié)構(gòu)特殊，
對機(jī)組檢修和維護(hù)也帶來新問題，主要是：①一旦絕
緣紙故障，現(xiàn)場無法修復(fù)，必須返廠修復(fù)，使得修復(fù)時
間相對較長，且必需在機(jī)組大修時進(jìn)行。因此，考慮正
常時電廠將ALSTOM特種絕緣紙作為備品考慮，絕緣
損壞時，臨時用絕緣紙做軸瓦防護(hù)，待機(jī)組大修時再處
理。②檢查滑轉(zhuǎn)子與軸身絕緣工作困難。由于結(jié)構(gòu)特
殊，進(jìn)行絕緣檢查工作，必需將上導(dǎo)瓦、集電環(huán)碳刷拆
除后，方可進(jìn)行檢查工作，帶來工作量的成倍增加。由
于此種結(jié)構(gòu)可靠性高，所以若軸電流監(jiān)測正常，此工作
可以放在機(jī)組大修時進(jìn)行，一般性檢修可不檢查。
(6)軸電流保護(hù)裝置。為了防止一旦上端軸絕緣
損壞，形成軸電流損傷上導(dǎo)軸承，彭水水電站在上導(dǎo)軸
承油箱下部裝設(shè)BZL一10B型軸電流保護(hù)裝置，見
圖4。
支架互感器機(jī)軸與機(jī)組主體焊接
圖4 軸電流互感器
該裝置能檢測軸電流一次側(cè)0．1～2．0 A的軸電
流。因此，一旦上端軸絕緣受損，產(chǎn)生軸電流，保護(hù)裝置
將動作與機(jī)組跳閘停機(jī)，從而達(dá)到保護(hù)機(jī)組軸承安全
的目的。保護(hù)裝置針對軸電流大小設(shè)置兩級輸出，一級
軸電流達(dá)到0．5 A報警，二級軸電流達(dá)到1．5 A跳閘。
3．2 發(fā)電機(jī)組運行情況
彭水水電站4臺機(jī)組從2008年2月陸續(xù)投產(chǎn)以
來，4、2、1號機(jī)組軸電流值在正常范圍內(nèi)，但3號機(jī)組
軸電流最高達(dá)到1．2 A，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運行。經(jīng)對
3號機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場檢驗，發(fā)現(xiàn)機(jī)組軸電流與發(fā)電機(jī)定
子磁場關(guān)系密切，定子電流越大軸電流越大；再從機(jī)組
狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，機(jī)組上=導(dǎo)擺度最大超過標(biāo)準(zhǔn)值l
倍，達(dá)到0．35 mm。以上兩因素表明3號機(jī)組存在定轉(zhuǎn)
子磁場旋轉(zhuǎn)中心嚴(yán)重偏移缺陷，并且3號機(jī)組投產(chǎn)以
來轉(zhuǎn)子絕緣一直偏低，500 V絕緣測試表測試絕緣值
為0，因此需進(jìn)一步采取綜合措施限制軸電流上升，保
證機(jī)組的安全運行。
4 結(jié)語
近年來國內(nèi)投產(chǎn)ALSTOM公司生產(chǎn)的機(jī)組較多，
其上端軸結(jié)構(gòu)基本類同，其采用的軸電流防護(hù)手段也
基本一樣，運行反饋的情況表明此結(jié)構(gòu)防護(hù)軸電流效
果良好。因此，對滑轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上端軸，采用滑轉(zhuǎn)子與軸
身絕緣技術(shù)阻斷軸電流是完全可行和有效的。從彭水
水電站實際情況來看，加裝軸電壓監(jiān)測裝置，便于及時
掌握上端軸絕緣發(fā)展情況，及時處理絕緣降低故障，保
證機(jī)組安全運行是今后此類機(jī)組需要考慮的重點
問題。
參考文獻(xiàn)：
[1]曾需要，邢向前，王輝．水輪發(fā)電機(jī)組值班員[M]．北京：
中國電力出版社，2003：116—118．
29

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