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摘 要：本文阐述了大型汽轮发电机组轴电压产生的原因和防范措施，通过对一台660MW发电机试验数据的分析，结合以往轴电压试验方法，提出使用万用表检测轴电压的简便新方法，直观有效地监测到轴电压水平，避免了轴瓦电腐蚀的发生。
关键词：发电机轴电压；接地效果监测新方法；轴瓦电腐蚀
中图分类号： TK218 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）25-251-2
0 引言
汽轮发电机组发展到今天，单机容量已大幅度提高，随之而来的是轴电流的危害加剧。轴电流的防治是现在大型汽轮发电机组的重要课题。如何简单有效的监测接地碳刷接地状况，是防止汽轮机侧轴瓦上轴电压过大而产生轴电流的重要条件。
1 概况
本单位汽轮机为西门子生产的单轴四缸四排汽、凝汽式反动汽轮机。发电机为西门子生产的THDF 115/67型660MW氢冷发电机。该汽轮发电机组轴系从汽轮机至发电机励磁轴共有8块轴瓦。汽轮机和发电机联轴器在#5、#6瓦之间，接地碳刷也安装在此处。发电机的#6、#7瓦对地有双层绝缘，励磁轴的#8瓦对地有单层绝缘，这3块轴瓦的润滑油连接管路对地也有绝缘。汽轮机侧的#1～#5轴瓦对地没有绝缘。
运行时整个轴系通过油膜悬浮在这8块轴瓦上，形成悬浮电位。如果接地碳刷不能有效地将轴系上的电荷导入大地，当其累积到一定程度，就会击穿油膜，在对地没有绝缘的#1～#5轴瓦上产生轴电流，烧灼轴瓦并使润滑油脂劣化。2009年初在#1机组D级检修期间，发现#2、#4瓦存在电腐蚀现象，如图1所示。
2 轴电压产生原因及目前所采取的措施
轴电压产生的原因有以下几种：
①磁路不对称：定子叠片接缝不对称、转子偏心、转子或定子下垂产生变化的磁通。
②轴向磁通：剩磁、转子偏心、饱和、转子绕组不对称。
③静电荷：由于蒸汽冲刷汽轮机叶片。
④转子绕组上的外加电压：静态励磁设备、电压源或者转子绕组绝缘不对称、有源的转子绕组保护。
针对上述原因，发电机在生产设计及运行后采取了以下措施来限制轴电压。
⑤对于磁路不对称、轴向磁通所产生的轴电压，发电机在设计时对与转轴有接触的部件全部采取绝缘措施，其绝缘不低于20MΩ，且#6、#7瓦采用了双层绝缘，该措施有效阻断了形成轴电流的回路。
⑥为了消除汽轮机侧静电荷产生的轴电压，在#5、#6瓦之间，即汽轮机与发电机之间安装了接地碳刷。
3 常用轴电压测量方法
轴电压测量接线如图2和图3所示。
测量方法：保留发电机接地碳刷，测量发电机汽、励两侧的轴电压U1（即图2中的电压表）。测量励侧对地的轴电压U2（即图3中的电压表）。在测量U2的同时，如图3所示用电流表回路将励侧油膜短路。理论上如果轴瓦、瓦枕、密封瓦的绝缘垫良好，电流表读数应该为0。事实上在轴瓦、瓦枕、密封瓦上都会有很小的轴电流流过。在测量U2的过程中在毫安电流表上分别读出轴瓦、瓦枕、密封瓦上的轴电流读数，轴电流不能超过50mA。
为检查接地碳刷接地状况，在发电机汽测通过碳棒直接测量大轴的对地电流，如果电流较小，可以表明接地碳刷接地良好。
不足之处：用此方法可以很好地监测发电机侧#6、#7、#8瓦对地绝缘，但是仅仅依靠测量汽侧大轴对地电流，并不能证明接地碳刷接地状况良好，更不能证明之前所测的轴电压是否已经对汽轮机侧的轴瓦产生了不良影响。因为大轴对地电流的大小受到轴系接地状况和高次谐波的影响，如果发电机接地碳刷接地不良，并伴随有汽轮机侧轴瓦油膜击穿，那么测量所得的对地轴电流也不是很大。因此用此方法存在监测盲区。
4 改进后的轴电压测量方法和效果分析
当轴电压过大击穿油膜的放电过程如图4所示。
从图4中可以看到，放电前没有击穿电流，此时轴瓦间只有耦合电流。放电电压急剧升高，电流对应也急剧增大，放电持续时间极短。轴系上各轴瓦所承受的轴电压为第二节中各种因素产生的轴电压的向量和，用公式表示如下：
电压V是时刻变化的，不易监测。但从生产实际出发，又需要掌控轴电压V变化情况，确保其被限定在较低的水平；因此在保留上文所述测量方法之上，提出增加使用高精度数字万用表测量接地碳刷处大轴对地电压。万用表测量所得数据为电压的有效值，虽不能直接反应电腐蚀放电特性，但其读数的大小和公式（1）中电压V必然存在某种联系。为此采用以下试验来证明。
试验方法：使用FLUKE 87Ⅲ型高精度数字万用表测量#2机组接地碳刷处大轴对地电压，调整碳刷压力取若干个电压值，同时使用一台日本日置公司8846型录波仪对#3瓦处的大轴电压进行录波，录波时间20秒。接线如图5所示：
从以上四组录波图可明确得到如下结论：
①随着接地碳刷处大轴对地电压有效值的增大，#3轴瓦处的大轴电压也明显的随之增大，当接地碳刷处轴电压增大到1V时，#3瓦轴电压个别尖波峰值超过20V，当增大到2.5V时，超过20V峰值的尖波明显增多。②接地碳刷处大轴对地电压值低于300mV时，#3瓦处轴电压最大峰值约为10V。相关研究表明，油膜的击穿电压一般为20V以上，因此应保证接地碳刷处大轴对地电压不要大于300mV。
5 结束语
轴瓦和油膜的放电主要受轴电压峰值影响，通过此试验可以证明，在日常生产维护时，使用高精度数字万用表测量接地碳刷处大轴对地电压数值的大小，可间接的反应轴电压的变化情况。当高精度数字万用表所测电压值较小时，对应的轴系上的轴电压峰值较低。即证明了接地碳刷接地状况良好，将大轴上由各种因素所产生的电荷有效导入大地。因此为保证将汽轮机侧的轴电压峰值限制在较低的水平，应确保接地碳刷处大轴对地电压有效值在0.3V以下。通过调整碳刷压力或者更换高导电率材料的碳刷，即可有效改善接地状况。
参 考 文 献
[1] 西门子公司.THDF 115/67型发电机安装手册.2000.
[2] Ammann C.静止励磁的发电机中产生的轴电压——问题和解决方案[J].国外大电机，2005（3）.
[3] 倪勤.汽轮发电机组的大轴接地与轴电压[J].安徽电力，2006（6）.
[4] 张文涛，张建忠，岳啸鸣，王轶斌.660MW发电机电腐蚀实例分析[J].电网技术，2010（6）.
关键词：发电机轴电压；接地效果监测新方法；轴瓦电腐蚀
中图分类号： TK218 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）25-251-2
0 引言
汽轮发电机组发展到今天，单机容量已大幅度提高，随之而来的是轴电流的危害加剧。轴电流的防治是现在大型汽轮发电机组的重要课题。如何简单有效的监测接地碳刷接地状况，是防止汽轮机侧轴瓦上轴电压过大而产生轴电流的重要条件。
1 概况
本单位汽轮机为西门子生产的单轴四缸四排汽、凝汽式反动汽轮机。发电机为西门子生产的THDF 115/67型660MW氢冷发电机。该汽轮发电机组轴系从汽轮机至发电机励磁轴共有8块轴瓦。汽轮机和发电机联轴器在#5、#6瓦之间，接地碳刷也安装在此处。发电机的#6、#7瓦对地有双层绝缘，励磁轴的#8瓦对地有单层绝缘，这3块轴瓦的润滑油连接管路对地也有绝缘。汽轮机侧的#1～#5轴瓦对地没有绝缘。
运行时整个轴系通过油膜悬浮在这8块轴瓦上，形成悬浮电位。如果接地碳刷不能有效地将轴系上的电荷导入大地，当其累积到一定程度，就会击穿油膜，在对地没有绝缘的#1～#5轴瓦上产生轴电流，烧灼轴瓦并使润滑油脂劣化。2009年初在#1机组D级检修期间，发现#2、#4瓦存在电腐蚀现象，如图1所示。
2 轴电压产生原因及目前所采取的措施
轴电压产生的原因有以下几种：
①磁路不对称：定子叠片接缝不对称、转子偏心、转子或定子下垂产生变化的磁通。
②轴向磁通：剩磁、转子偏心、饱和、转子绕组不对称。
③静电荷：由于蒸汽冲刷汽轮机叶片。
④转子绕组上的外加电压：静态励磁设备、电压源或者转子绕组绝缘不对称、有源的转子绕组保护。
针对上述原因，发电机在生产设计及运行后采取了以下措施来限制轴电压。
⑤对于磁路不对称、轴向磁通所产生的轴电压，发电机在设计时对与转轴有接触的部件全部采取绝缘措施，其绝缘不低于20MΩ，且#6、#7瓦采用了双层绝缘，该措施有效阻断了形成轴电流的回路。
⑥为了消除汽轮机侧静电荷产生的轴电压，在#5、#6瓦之间，即汽轮机与发电机之间安装了接地碳刷。
3 常用轴电压测量方法
轴电压测量接线如图2和图3所示。
测量方法：保留发电机接地碳刷，测量发电机汽、励两侧的轴电压U1（即图2中的电压表）。测量励侧对地的轴电压U2（即图3中的电压表）。在测量U2的同时，如图3所示用电流表回路将励侧油膜短路。理论上如果轴瓦、瓦枕、密封瓦的绝缘垫良好，电流表读数应该为0。事实上在轴瓦、瓦枕、密封瓦上都会有很小的轴电流流过。在测量U2的过程中在毫安电流表上分别读出轴瓦、瓦枕、密封瓦上的轴电流读数，轴电流不能超过50mA。
为检查接地碳刷接地状况，在发电机汽测通过碳棒直接测量大轴的对地电流，如果电流较小，可以表明接地碳刷接地良好。
不足之处：用此方法可以很好地监测发电机侧#6、#7、#8瓦对地绝缘，但是仅仅依靠测量汽侧大轴对地电流，并不能证明接地碳刷接地状况良好，更不能证明之前所测的轴电压是否已经对汽轮机侧的轴瓦产生了不良影响。因为大轴对地电流的大小受到轴系接地状况和高次谐波的影响，如果发电机接地碳刷接地不良，并伴随有汽轮机侧轴瓦油膜击穿，那么测量所得的对地轴电流也不是很大。因此用此方法存在监测盲区。
4 改进后的轴电压测量方法和效果分析
当轴电压过大击穿油膜的放电过程如图4所示。
从图4中可以看到，放电前没有击穿电流，此时轴瓦间只有耦合电流。放电电压急剧升高，电流对应也急剧增大，放电持续时间极短。轴系上各轴瓦所承受的轴电压为第二节中各种因素产生的轴电压的向量和，用公式表示如下：
电压V是时刻变化的，不易监测。但从生产实际出发，又需要掌控轴电压V变化情况，确保其被限定在较低的水平；因此在保留上文所述测量方法之上，提出增加使用高精度数字万用表测量接地碳刷处大轴对地电压。万用表测量所得数据为电压的有效值，虽不能直接反应电腐蚀放电特性，但其读数的大小和公式（1）中电压V必然存在某种联系。为此采用以下试验来证明。
试验方法：使用FLUKE 87Ⅲ型高精度数字万用表测量#2机组接地碳刷处大轴对地电压，调整碳刷压力取若干个电压值，同时使用一台日本日置公司8846型录波仪对#3瓦处的大轴电压进行录波，录波时间20秒。接线如图5所示：
从以上四组录波图可明确得到如下结论：
①随着接地碳刷处大轴对地电压有效值的增大，#3轴瓦处的大轴电压也明显的随之增大，当接地碳刷处轴电压增大到1V时，#3瓦轴电压个别尖波峰值超过20V，当增大到2.5V时，超过20V峰值的尖波明显增多。②接地碳刷处大轴对地电压值低于300mV时，#3瓦处轴电压最大峰值约为10V。相关研究表明，油膜的击穿电压一般为20V以上，因此应保证接地碳刷处大轴对地电压不要大于300mV。
5 结束语
轴瓦和油膜的放电主要受轴电压峰值影响，通过此试验可以证明，在日常生产维护时，使用高精度数字万用表测量接地碳刷处大轴对地电压数值的大小，可间接的反应轴电压的变化情况。当高精度数字万用表所测电压值较小时，对应的轴系上的轴电压峰值较低。即证明了接地碳刷接地状况良好，将大轴上由各种因素所产生的电荷有效导入大地。因此为保证将汽轮机侧的轴电压峰值限制在较低的水平，应确保接地碳刷处大轴对地电压有效值在0.3V以下。通过调整碳刷压力或者更换高导电率材料的碳刷，即可有效改善接地状况。
参 考 文 献
[1] 西门子公司.THDF 115/67型发电机安装手册.2000.
[2] Ammann C.静止励磁的发电机中产生的轴电压——问题和解决方案[J].国外大电机，2005（3）.
[3] 倪勤.汽轮发电机组的大轴接地与轴电压[J].安徽电力，2006（6）.
[4] 张文涛，张建忠，岳啸鸣，王轶斌.660MW发电机电腐蚀实例分析[J].电网技术，2010（6）.