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[摘 要]通过对大型燃机机组轴电压、轴电流产生的原因分析，结合实际工程案例，提出了防止大型燃机轴电压、轴电流偏高报警的几种措施，通过实际案例分析，消除事故隐患，值得推广。
[关键词]轴电压;轴电流;异常;措施
[中图分类号]TM357 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）08–00–02
[Abstract]Through the analysis of the causes of shaft voltage and shaft current of large gas turbine unit， combined with the actual engineering case， several measures to prevent the alarm of high shaft voltage and shaft current of large gas turbine are proposed. Through the actual case analysis， the hidden danger of accident is eliminated， which is worthy of promotion.
[Keywords]shaft voltage; shaft current; abnormality; measure
大型燃机机组在启动过程中会在大轴上产生严重的轴电压和大的轴负荷电流，如果不对其进行监视和测量并采取一定的预防措施，当其轴负荷电流增大到能够完全击穿轴和滚动器之間的油膜后，就可能会在启动过程中发生大规模的放电。轻则可能造成机械性的磨损，严重者可能导致主轴瓦烧毁。
1 故障现象
某大型发电厂930 MW级的燃气—蒸汽联合循环机组启动投入使用后，#1、#2号燃机在DCS盘上报“轴电压、轴电流高报警”报警信号。
2 产生轴电压的原因分析
2.1 磁路不对称
制造及设备安装时磁路不对称可以不影响燃机的正常运行，一般燃机的轴承都经过绝缘处理，因此这种轴电压产生的轴电流很小，不会对燃机正常运行造成影响。但当燃机发生其他故障（例如偏心、转子匝间短路）使磁路不对称，从而产生的轴电流很大，对大型燃机正常运行影响很大。
2.2 转子大轴磁化
磁通可以通过轴、轴承以及机座闭合。当它通过轴承时，由于垂直于轴，会在两轴承间产生轴电压，从而产生有害的涡流。由于燃机处于非稳定正常运转情况时，在大轴、本体外壳处产生永久磁化现象。在特定条件下，轴向的剩磁会产生自励，从而生成较大的轴电流，对大轴造成不可预计的损伤。
2.3 励磁系统中高次谐波的影响
现在大多数大型燃机机组励磁方式为静止励磁，静止励磁工作系统是导致轴电压变化产生的重要原因。静止励磁系统主要是将脉动式交流电压经静态可控硅整流后输出的直流电压进行工作，其中包含相应的高次谐波分量，所以脉动电压不可避免地出现在励磁系统的输出中。这种脉动电压是产生轴电流的主要原因，轴电流会对润滑油膜造成损伤，并对轴的各个接触面产生电极性的腐蚀。
2.4 静电效应
当燃气轮机转子高速旋转时，其表面的毛刺、轴上的螺栓和冷却风扇会与周围的气体摩擦而产生电能，产生静电。高速喷射的燃气在燃机转子叶片产生静电。静电荷会积累在轴承油膜上，在一定程度会产生放电现象，导致轴承损坏。
2.5 传输回路的电磁干扰
从发电机本体测量装置到控制系统的电缆屏蔽效果不好，控制系统卡件之间连接的线路受到其他电磁干扰，造成系统误报，发出轴电压、轴电流报警。
3 轴电压、轴电流异常的危害
轴电压异常后，如果大轴轴承的绝缘被损坏，就会产生很大的轴电流。轴电流是对燃机产成危害的主要原因。
轴流对燃气轮机的危害主要体现在以下3个方面：
（1）轴电流通过轴承时，轴承温度急剧上升，不利于正常工作。
（2）轴向电流引起传动机械轴承与润滑油之间的电离，破坏传动油膜的高速稳定性，加速传动机械润滑油老化，降低其润滑性能及传动机械介电力学强度。
（3）当产生的轴电流较大时，轴瓦表面产生电弧放电，造成轴承局部烧损。轴承表面产生不平整小坑，破坏了表面光洁度。从长远来看，轴承会因机械磨损加速而损坏，使轴承无法工作，严重时还会烧坏轴瓦。
4 大型燃机轴电压、轴电流的在线监测装置
大型燃机一般均配备在线的轴电压、轴电流装置。下面以某厂930 MW燃机电厂为例（图1）介绍说明。
该设备是由燃机MARKⅥ控制系统来实现的，具有监视功能。在燃机MARKⅥ控制系统中实现在线实时监测轴电压并发出报警及跳闸信号。9FB型燃机发电机（励磁釆用静态励磁系统，双通道互为备用）所选择的GE轴电压电流监视器装置。
该装置在发电机驱动端转轴上安装了四组接地碳刷，其中第2、第4组接地碳刷并联连接后经低阻抗分流器进行接地，监测装置通过直接测量该接地回路中的电阻两端的电压从而间接获得了该接地回路电流的信号，若轴承电流大于超过了监测回路的整定值4 A（有效值），说明了发电机轴承油膜存在被击穿的可能，导致主轴电流变大，监控装置会自动向DCS控制盘上发出一个报警或者是跳闸的信号，以便及时检查发电机轴电压电流异常情况。另外第1、第3组碳刷并联连接测量发电机转轴的对地电压，当该电压的峰值大于整定值5 V时，计数器自动加1，到达计数器整定数值后，通过记录电压峰值出现的时间间隔计算得到轴频率并发出报警信号。轴电压的报警信号是一个轴频率大于15 Hz的直流脉冲信号或者是一个可能小于15 Hz，大约在8 Hz以上的交流信号。 5 故障判断情况
（1）由于燃機正常稳定运行，制造工艺合格，并没有发生偏心或转子匝间短路故障，首先排除了磁路不对称导致的轴电压升高因素。这不是产生报警的原因。
（2）一般在静止整流装置的作用下，发电机启动运行时相当于电动机，启动过程中，由于整流装置产出高频信号，轴电压、轴电流装置能够检测到高频信号进行报警。定速3000r/min以后，高频装置退出运行，轴电压、轴电流装置能够检测到高频信号自动消失。并网以后此时产生的磁通量在发电机正常运行工况下已被消除，不会造成轴电压过高报警。这不是产生报警的原因。
报警信号发出后在就地发电机实测轴电压，现场实测结果表明，燃机轴电压、轴电流正常，发电设备无故障，判断就地发电机轴电压监测装置发生故障。
（3）燃气发电机装设的接地碳刷是消除静止励磁系统产生的轴电压以及静电效应产生的轴电压的重要组成部分，同时接地碳刷也是轴电压现场检测装置的关键设备。根据现场接线原理图，对发电机轴电压测量回路进行了测量，并对接地碳刷进行了检查，发现部分接地碳刷端部过短，更换新的接地碳刷，清理接地碳刷周围的污垢及转子大轴接触面，使其与接地碳刷有良好的接触。轴电压报警未消除。排除此项产生报警的原因。
（4）根据接线原理图，应检查控制回路的电压及在线监测设备控制的电缆，该控制回路的电缆必须带有屏蔽层并进行接地，需要可靠性的接地。就地检查该设备的电缆屏蔽层是否能够可靠的进行接地，接地电阻值为0.06Ω，符合不大于1Ω的规定。接地系统良好，这不是造成轴电压升高报警的原因。
具体如图2所示。
（5）通常在静态励磁系统中采用RC滤波元件的方式来过滤换相产生的高次谐波，整流桥由6个可控硅管桥臂元件构成，可控硅的阻容保护并联在RC两端，主要作用是吸收可控硅换相时的过电压，限制可控硅两端的电压上升率，有效防止误导通。但由于功率大，过电压的影响大，电阻功率过载，温度很高，电容击穿的可能还是存在的，这将导致交流电串入直流，产生较高的轴电压频率。在励磁系统中存在两个整流桥M1、M2，就地切换M1、M2整流桥分别工况运行时，轴电压报警依旧存在，这也不是造成报警的原因。
（6）检查就地在线监测装置控制回路，通过信号监测装置发现有其他信号传入装置，将此类信号屏蔽后，轴电压报警消失。
6 防护措施
通过本案例，总结大型燃机机组预防及处置轴电压、轴电流报警问题，需要进行以下防范措施。
（1）发电机机组转子所有被磁化的部件都需要进行退磁，以避免剩磁而引起转子的单极轴上高电压。
（2）定期检查接地碳刷长度，对过短的碳刷及时更换。
（3）检查监测轴电流轴电压信号的电缆屏蔽层是否可靠接地。电缆屏蔽层必须与主接地系统具有良好的连接，接地电阻值应不大于1Ω。连接线截面面积应高于4m2。
（4）增加轴对地电容，减少电容与电压之间的比值，减少励磁系统在高频电压时峰值的频率，这样就解决了励磁系统中产生的高次谐波引起轴对地电压过高的问题。
（5）注意屏蔽在线检测装置中控制回路的信号干扰。
7 结束语
轴电压异常在通常情况下不会出现，但如果不对轴电压进行监测，当出现异常情况时，会产生很大的危害，对电力安全生产造成隐患。所以监测轴电压的监测装置是十分重要的，轴电压在线监测装置可以及时发现异常现象，从而快速准确的处理故障点。所以保证设备的稳定和运行是至关重要的。定期检查接地碳刷，及时做好预防措施，使燃机机组能更高效、更安全地运行，从而产生更大的经济效益。
参考文献
[1] 陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2005.
[关键词]轴电压;轴电流;异常;措施
[中图分类号]TM357 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）08–00–02
[Abstract]Through the analysis of the causes of shaft voltage and shaft current of large gas turbine unit， combined with the actual engineering case， several measures to prevent the alarm of high shaft voltage and shaft current of large gas turbine are proposed. Through the actual case analysis， the hidden danger of accident is eliminated， which is worthy of promotion.
[Keywords]shaft voltage; shaft current; abnormality; measure
大型燃机机组在启动过程中会在大轴上产生严重的轴电压和大的轴负荷电流，如果不对其进行监视和测量并采取一定的预防措施，当其轴负荷电流增大到能够完全击穿轴和滚动器之間的油膜后，就可能会在启动过程中发生大规模的放电。轻则可能造成机械性的磨损，严重者可能导致主轴瓦烧毁。
1 故障现象
某大型发电厂930 MW级的燃气—蒸汽联合循环机组启动投入使用后，#1、#2号燃机在DCS盘上报“轴电压、轴电流高报警”报警信号。
2 产生轴电压的原因分析
2.1 磁路不对称
制造及设备安装时磁路不对称可以不影响燃机的正常运行，一般燃机的轴承都经过绝缘处理，因此这种轴电压产生的轴电流很小，不会对燃机正常运行造成影响。但当燃机发生其他故障（例如偏心、转子匝间短路）使磁路不对称，从而产生的轴电流很大，对大型燃机正常运行影响很大。
2.2 转子大轴磁化
磁通可以通过轴、轴承以及机座闭合。当它通过轴承时，由于垂直于轴，会在两轴承间产生轴电压，从而产生有害的涡流。由于燃机处于非稳定正常运转情况时，在大轴、本体外壳处产生永久磁化现象。在特定条件下，轴向的剩磁会产生自励，从而生成较大的轴电流，对大轴造成不可预计的损伤。
2.3 励磁系统中高次谐波的影响
现在大多数大型燃机机组励磁方式为静止励磁，静止励磁工作系统是导致轴电压变化产生的重要原因。静止励磁系统主要是将脉动式交流电压经静态可控硅整流后输出的直流电压进行工作，其中包含相应的高次谐波分量，所以脉动电压不可避免地出现在励磁系统的输出中。这种脉动电压是产生轴电流的主要原因，轴电流会对润滑油膜造成损伤，并对轴的各个接触面产生电极性的腐蚀。
2.4 静电效应
当燃气轮机转子高速旋转时，其表面的毛刺、轴上的螺栓和冷却风扇会与周围的气体摩擦而产生电能，产生静电。高速喷射的燃气在燃机转子叶片产生静电。静电荷会积累在轴承油膜上，在一定程度会产生放电现象，导致轴承损坏。
2.5 传输回路的电磁干扰
从发电机本体测量装置到控制系统的电缆屏蔽效果不好，控制系统卡件之间连接的线路受到其他电磁干扰，造成系统误报，发出轴电压、轴电流报警。
3 轴电压、轴电流异常的危害
轴电压异常后，如果大轴轴承的绝缘被损坏，就会产生很大的轴电流。轴电流是对燃机产成危害的主要原因。
轴流对燃气轮机的危害主要体现在以下3个方面：
（1）轴电流通过轴承时，轴承温度急剧上升，不利于正常工作。
（2）轴向电流引起传动机械轴承与润滑油之间的电离，破坏传动油膜的高速稳定性，加速传动机械润滑油老化，降低其润滑性能及传动机械介电力学强度。
（3）当产生的轴电流较大时，轴瓦表面产生电弧放电，造成轴承局部烧损。轴承表面产生不平整小坑，破坏了表面光洁度。从长远来看，轴承会因机械磨损加速而损坏，使轴承无法工作，严重时还会烧坏轴瓦。
4 大型燃机轴电压、轴电流的在线监测装置
大型燃机一般均配备在线的轴电压、轴电流装置。下面以某厂930 MW燃机电厂为例（图1）介绍说明。
该设备是由燃机MARKⅥ控制系统来实现的，具有监视功能。在燃机MARKⅥ控制系统中实现在线实时监测轴电压并发出报警及跳闸信号。9FB型燃机发电机（励磁釆用静态励磁系统，双通道互为备用）所选择的GE轴电压电流监视器装置。
该装置在发电机驱动端转轴上安装了四组接地碳刷，其中第2、第4组接地碳刷并联连接后经低阻抗分流器进行接地，监测装置通过直接测量该接地回路中的电阻两端的电压从而间接获得了该接地回路电流的信号，若轴承电流大于超过了监测回路的整定值4 A（有效值），说明了发电机轴承油膜存在被击穿的可能，导致主轴电流变大，监控装置会自动向DCS控制盘上发出一个报警或者是跳闸的信号，以便及时检查发电机轴电压电流异常情况。另外第1、第3组碳刷并联连接测量发电机转轴的对地电压，当该电压的峰值大于整定值5 V时，计数器自动加1，到达计数器整定数值后，通过记录电压峰值出现的时间间隔计算得到轴频率并发出报警信号。轴电压的报警信号是一个轴频率大于15 Hz的直流脉冲信号或者是一个可能小于15 Hz，大约在8 Hz以上的交流信号。 5 故障判断情况
（1）由于燃機正常稳定运行，制造工艺合格，并没有发生偏心或转子匝间短路故障，首先排除了磁路不对称导致的轴电压升高因素。这不是产生报警的原因。
（2）一般在静止整流装置的作用下，发电机启动运行时相当于电动机，启动过程中，由于整流装置产出高频信号，轴电压、轴电流装置能够检测到高频信号进行报警。定速3000r/min以后，高频装置退出运行，轴电压、轴电流装置能够检测到高频信号自动消失。并网以后此时产生的磁通量在发电机正常运行工况下已被消除，不会造成轴电压过高报警。这不是产生报警的原因。
报警信号发出后在就地发电机实测轴电压，现场实测结果表明，燃机轴电压、轴电流正常，发电设备无故障，判断就地发电机轴电压监测装置发生故障。
（3）燃气发电机装设的接地碳刷是消除静止励磁系统产生的轴电压以及静电效应产生的轴电压的重要组成部分，同时接地碳刷也是轴电压现场检测装置的关键设备。根据现场接线原理图，对发电机轴电压测量回路进行了测量，并对接地碳刷进行了检查，发现部分接地碳刷端部过短，更换新的接地碳刷，清理接地碳刷周围的污垢及转子大轴接触面，使其与接地碳刷有良好的接触。轴电压报警未消除。排除此项产生报警的原因。
（4）根据接线原理图，应检查控制回路的电压及在线监测设备控制的电缆，该控制回路的电缆必须带有屏蔽层并进行接地，需要可靠性的接地。就地检查该设备的电缆屏蔽层是否能够可靠的进行接地，接地电阻值为0.06Ω，符合不大于1Ω的规定。接地系统良好，这不是造成轴电压升高报警的原因。
具体如图2所示。
（5）通常在静态励磁系统中采用RC滤波元件的方式来过滤换相产生的高次谐波，整流桥由6个可控硅管桥臂元件构成，可控硅的阻容保护并联在RC两端，主要作用是吸收可控硅换相时的过电压，限制可控硅两端的电压上升率，有效防止误导通。但由于功率大，过电压的影响大，电阻功率过载，温度很高，电容击穿的可能还是存在的，这将导致交流电串入直流，产生较高的轴电压频率。在励磁系统中存在两个整流桥M1、M2，就地切换M1、M2整流桥分别工况运行时，轴电压报警依旧存在，这也不是造成报警的原因。
（6）检查就地在线监测装置控制回路，通过信号监测装置发现有其他信号传入装置，将此类信号屏蔽后，轴电压报警消失。
6 防护措施
通过本案例，总结大型燃机机组预防及处置轴电压、轴电流报警问题，需要进行以下防范措施。
（1）发电机机组转子所有被磁化的部件都需要进行退磁，以避免剩磁而引起转子的单极轴上高电压。
（2）定期检查接地碳刷长度，对过短的碳刷及时更换。
（3）检查监测轴电流轴电压信号的电缆屏蔽层是否可靠接地。电缆屏蔽层必须与主接地系统具有良好的连接，接地电阻值应不大于1Ω。连接线截面面积应高于4m2。
（4）增加轴对地电容，减少电容与电压之间的比值，减少励磁系统在高频电压时峰值的频率，这样就解决了励磁系统中产生的高次谐波引起轴对地电压过高的问题。
（5）注意屏蔽在线检测装置中控制回路的信号干扰。
7 结束语
轴电压异常在通常情况下不会出现，但如果不对轴电压进行监测，当出现异常情况时，会产生很大的危害，对电力安全生产造成隐患。所以监测轴电压的监测装置是十分重要的，轴电压在线监测装置可以及时发现异常现象，从而快速准确的处理故障点。所以保证设备的稳定和运行是至关重要的。定期检查接地碳刷，及时做好预防措施，使燃机机组能更高效、更安全地运行，从而产生更大的经济效益。
参考文献
[1] 陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2005.