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[摘 要]确保水电站稳定、灵活、可靠和经济地生产电能，对加速我国水电事业的发展具有重大的意义。科学技术的进步，促进了水轮发电机组朝大型化方向发展的速度，使它在电网中发挥着举足轻重的作用。
[关键词]水电厂；发电机组；轴电流
中图分类号：TM31文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0118-01
一、轴电压、轴电流的产生
同步发电机的磁路往往不对称，这种不对称通常是由于定子铁心组合缝、定子硅钢片接缝、定子与转子空气间隙不均匀造成的。發电机主轴在这种不对称磁场中旋转，会在其两端产生交流电压即轴电压，如果电机主轴两端轴承没有绝缘垫，这个电压就会通过电机两端轴承支架形成电流回路，这个电流叫轴电流。在发电机运行过程中，如果在电机两轴承端或转轴与轴承间存在轴电流时，将会大大缩短电机轴承的使用寿命严重时只能运行几小时。
1.1 磁不平衡产生轴电压
交流异步发电机在正弦交变电压下运行时，其转子处在正弦交变的磁场中。由于发电机定转子扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁芯槽、通风孔等存在，在磁路中造成不平衡的磁阻。当发电机的定子铁芯圆周方向上的磁阻发生不平衡时，使产生与轴相交链的交变磁通，从而产生交变电势。当发电机转动即磁极旋转，通过各磁极的磁通发生了变化，在轴的两端感应出轴电压，产生了与轴相交链的磁通。随着磁极的旋转，与轴两侧的轴承形成闭合回路，就产生了轴电流。一般情况下这种轴电压大约为1～2V。
1.2 逆变供电产生轴电压
发电机采用逆变供电运行时，供电电压含有高次谐波分量，使定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应从而产生轴电压。
发电机定子绕组是嵌入定子铁芯槽内，定子绕组的匝间以及定子绕组和发电机机座之间均存在分布电容，当通用变频器在高载频下运行时，逆变器的共模电压产生急剧变化，会通过发电机绕组的分布电容由发电机的外壳到接地端之间形成漏电流。该漏电流有可能形成放射性和传导性两类电磁干扰。而由于发电机磁路的不平衡，静电感应和共模电压产生又是产生轴电压和轴电流的起因。当绕组输入端突加陡峭变化电压时，由于分布电容的影响，绕组各点电压分布不均，使输入端绕组接近端口部分电压高度集中而引起绝缘破坏或老化。这种现象一般破坏的部分是定子绕组，电压常集中侵入的端点部位。此外，由于绕组的电抗较大，输入电压的高频分量将集中于输入端点附近的分布电容上，通过配电线、绕组、机壳间的分布电容到接地线流通电流，形成一个LC 串联谐振电路，当其中产生高频谐振电流时，就会产生各式各样的故障。一般通用变频器驱动容量较小的发电机时，轴电压的问题可以不考虑，但使用超过200kW的发电机时，特别是已有变频器调速改造的场合，最好事先确认轴电压的大小，以便及早采取预防措施。
1.3 不平衡磁通产生轴电压
发电机转轴在旋转切割不平衡磁通而在轴两端产生的电压，造成发电机磁场磁容不均衡进而产生轴电压，原因有制造工艺及安装造成，有发电机内部或外部产生不对称短路电流产生，励磁回路接地或转子绕组匝间短路等。
1.4 发电机旋转体上产生静电荷
当发电机电荷逐渐积累后便产生轴电压。由这种情况产生的轴电压和由磁交变产生的轴电压在原理上是不同的。静电荷产生的轴电压是间歇的，并且是非同期性的，其大小与运转状态、流体的状态等因素关系很大。如静电荷的积累、测温元件绝缘破损等因素都有可能导致轴电压的产生。轴电压建立起来后，一旦在转轴及机座、壳体间形成通路，就产生轴电流。
1.5 发电机产生轴电压的外部原因，外部电源的介入产生轴电压
由于运行现场接线比较繁杂，尤其发电机保护、测量元件接线较多，哪一根带电线头搭接在转轴上，便会产生轴电压。由上分析，发电机的轴电压、轴电流是由于发电机轴磁路不对称、转子运转不同心、感受生脉动磁通等原因产生的。它会使轴-轴承-机座的回路有轴电流流通，在发电机转子轴两端、轴与轴承之间、轴与轴承对地形成轴电压。根据轴承的种类不同，其耐压程度有所不同，若超过轴承所允许的值，会通过油膜放电或者导电，在轴瓦和轴承处产生点状微孔，并在底部产生发黑现象。严重时会使轴和轴承受到损坏，运行中伴随着强烈的噪声及设备外壳带电等。
2 发电机轴电流的危害
水力发电厂发电机采用稀油润滑的滑动轴承，电机轴是沉在油膜上的。正常情况下，转轴与轴承间的润滑油膜起到绝缘的作用。对于较低的轴电压，还会产生轴电流。当轴电压增加到一定数值时，尤其在发电机启动时，润滑油膜还未稳定形成，轴电压将击穿油膜构成回路，产生相当大的轴电流，可达到几百安甚至上千安。由于该金属接触面很小，电流密度大，使轴承局部烧熔，被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅，于是在轴承内表面上烧出小凹坑。通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕，严重时足以把轴颈和轴瓦烧坏。
2.1 由轴电流的电解作用，运行磨擦在油轴上产生的静电荷，使轴的电位因被充电而升高。当运转的轴接触到旋转体以外的任何部件时，便通过该部件进行放电。否则就要继续积累电荷，最后产生过高的电压，如果超过轴承油膜的绝缘强度时，电荷在极短的时间内放电。这种现象重复发生的结果，就能使轴受到损伤。
2.2 润滑油炭化、溶化后我金属微粒掺入润滑油系统，使润滑油剂受到污染，造成润滑油性能变差，使轴承温度升高，使发电机转子轴与轴瓦相接触部位有不同程度的损伤情况。这种现象不同于轴与轴瓦之间的异常磨损，而是属于某种物质对轴面进行局部的腐蚀。从腐蚀的情况来看属于点腐蚀，斑点面积最大的达到10mm2，深度达到 0.9mm。虽然对发电机转子轴进行过车洗和金属喷涂等，但并没有从根本上解决问题。经过分析，排除了机械损伤和化学腐蚀的因素，最后确定为轴电流所致。
3 防止轴电流产生的措施
3.1 在轴端安装接地碳刷，使接地碳刷可靠接地，并且与转轴可靠接触，保证转轴电位为零电位，随时将电机轴上的静电荷引向大地，以此消除轴电流。
3.2 为防止磁不平衡等原因产生轴电流，在非轴伸端的轴承座和轴承支架处加绝缘隔板，切断轴电流的回路。
3.3 要求检修运行人员细致检查并加强导线或垫片绝缘。
3.4 在机座中除一个轴承座外，其余轴承座及包括所有装在其上的仪表外壳等金属部件都对地绝缘，不绝缘的轴承应装接地电刷以防静电充电。
3.5 对于由轴交链交变磁通所产生的轴电压，可在发电机一侧的轴承座下加绝缘垫以割断轴与轴瓦之间形成的回路，使轴电流无法产生。3.6 保持轴与轴瓦之间润滑绝缘介质油的纯度，发现油中带水必须进行过滤处理，否则油膜的绝缘强度不能满足要求，容易被低电压击穿。
结束语
综上所述，采用轴电流变送器对轴承的绝缘情况加以监视，它成为大型发电机组轴电流保护的发展方向，与通常采用的大轴侧装有交流互感器的轴电流保护方式比较，其最大优点就是可以避免因电流互感器二次侧电流受电磁及负载电流变化而带来的外界影响，一般通过以上处理，发电机内的轴电流微乎其微，对发电机构不成实质危害。现场实践证明，经上述方式处理后实际使用寿命可由原几十个小时提高到上万小时，效果比较明显，尤其对高压发电机轴电流防范效果更好。
参考文献
[1] 肖黎.水轮发电机组横向振动研究[J].长江科学院院报.2005（05）
[2] 王泉龙.浅谈水轮机振动的研究[J].大电机技术.2001（S1）
[3] 王正伟，喻疆，方源，温晓军，曹剑绵，石清华.大型水轮发电机组转子动力学特性分析[J].水力发电学报.2005（04）
[关键词]水电厂；发电机组；轴电流
中图分类号：TM31文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0118-01
一、轴电压、轴电流的产生
同步发电机的磁路往往不对称，这种不对称通常是由于定子铁心组合缝、定子硅钢片接缝、定子与转子空气间隙不均匀造成的。發电机主轴在这种不对称磁场中旋转，会在其两端产生交流电压即轴电压，如果电机主轴两端轴承没有绝缘垫，这个电压就会通过电机两端轴承支架形成电流回路，这个电流叫轴电流。在发电机运行过程中，如果在电机两轴承端或转轴与轴承间存在轴电流时，将会大大缩短电机轴承的使用寿命严重时只能运行几小时。
1.1 磁不平衡产生轴电压
交流异步发电机在正弦交变电压下运行时，其转子处在正弦交变的磁场中。由于发电机定转子扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁芯槽、通风孔等存在，在磁路中造成不平衡的磁阻。当发电机的定子铁芯圆周方向上的磁阻发生不平衡时，使产生与轴相交链的交变磁通，从而产生交变电势。当发电机转动即磁极旋转，通过各磁极的磁通发生了变化，在轴的两端感应出轴电压，产生了与轴相交链的磁通。随着磁极的旋转，与轴两侧的轴承形成闭合回路，就产生了轴电流。一般情况下这种轴电压大约为1～2V。
1.2 逆变供电产生轴电压
发电机采用逆变供电运行时，供电电压含有高次谐波分量，使定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应从而产生轴电压。
发电机定子绕组是嵌入定子铁芯槽内，定子绕组的匝间以及定子绕组和发电机机座之间均存在分布电容，当通用变频器在高载频下运行时，逆变器的共模电压产生急剧变化，会通过发电机绕组的分布电容由发电机的外壳到接地端之间形成漏电流。该漏电流有可能形成放射性和传导性两类电磁干扰。而由于发电机磁路的不平衡，静电感应和共模电压产生又是产生轴电压和轴电流的起因。当绕组输入端突加陡峭变化电压时，由于分布电容的影响，绕组各点电压分布不均，使输入端绕组接近端口部分电压高度集中而引起绝缘破坏或老化。这种现象一般破坏的部分是定子绕组，电压常集中侵入的端点部位。此外，由于绕组的电抗较大，输入电压的高频分量将集中于输入端点附近的分布电容上，通过配电线、绕组、机壳间的分布电容到接地线流通电流，形成一个LC 串联谐振电路，当其中产生高频谐振电流时，就会产生各式各样的故障。一般通用变频器驱动容量较小的发电机时，轴电压的问题可以不考虑，但使用超过200kW的发电机时，特别是已有变频器调速改造的场合，最好事先确认轴电压的大小，以便及早采取预防措施。
1.3 不平衡磁通产生轴电压
发电机转轴在旋转切割不平衡磁通而在轴两端产生的电压，造成发电机磁场磁容不均衡进而产生轴电压，原因有制造工艺及安装造成，有发电机内部或外部产生不对称短路电流产生，励磁回路接地或转子绕组匝间短路等。
1.4 发电机旋转体上产生静电荷
当发电机电荷逐渐积累后便产生轴电压。由这种情况产生的轴电压和由磁交变产生的轴电压在原理上是不同的。静电荷产生的轴电压是间歇的，并且是非同期性的，其大小与运转状态、流体的状态等因素关系很大。如静电荷的积累、测温元件绝缘破损等因素都有可能导致轴电压的产生。轴电压建立起来后，一旦在转轴及机座、壳体间形成通路，就产生轴电流。
1.5 发电机产生轴电压的外部原因，外部电源的介入产生轴电压
由于运行现场接线比较繁杂，尤其发电机保护、测量元件接线较多，哪一根带电线头搭接在转轴上，便会产生轴电压。由上分析，发电机的轴电压、轴电流是由于发电机轴磁路不对称、转子运转不同心、感受生脉动磁通等原因产生的。它会使轴-轴承-机座的回路有轴电流流通，在发电机转子轴两端、轴与轴承之间、轴与轴承对地形成轴电压。根据轴承的种类不同，其耐压程度有所不同，若超过轴承所允许的值，会通过油膜放电或者导电，在轴瓦和轴承处产生点状微孔，并在底部产生发黑现象。严重时会使轴和轴承受到损坏，运行中伴随着强烈的噪声及设备外壳带电等。
2 发电机轴电流的危害
水力发电厂发电机采用稀油润滑的滑动轴承，电机轴是沉在油膜上的。正常情况下，转轴与轴承间的润滑油膜起到绝缘的作用。对于较低的轴电压，还会产生轴电流。当轴电压增加到一定数值时，尤其在发电机启动时，润滑油膜还未稳定形成，轴电压将击穿油膜构成回路，产生相当大的轴电流，可达到几百安甚至上千安。由于该金属接触面很小，电流密度大，使轴承局部烧熔，被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅，于是在轴承内表面上烧出小凹坑。通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕，严重时足以把轴颈和轴瓦烧坏。
2.1 由轴电流的电解作用，运行磨擦在油轴上产生的静电荷，使轴的电位因被充电而升高。当运转的轴接触到旋转体以外的任何部件时，便通过该部件进行放电。否则就要继续积累电荷，最后产生过高的电压，如果超过轴承油膜的绝缘强度时，电荷在极短的时间内放电。这种现象重复发生的结果，就能使轴受到损伤。
2.2 润滑油炭化、溶化后我金属微粒掺入润滑油系统，使润滑油剂受到污染，造成润滑油性能变差，使轴承温度升高，使发电机转子轴与轴瓦相接触部位有不同程度的损伤情况。这种现象不同于轴与轴瓦之间的异常磨损，而是属于某种物质对轴面进行局部的腐蚀。从腐蚀的情况来看属于点腐蚀，斑点面积最大的达到10mm2，深度达到 0.9mm。虽然对发电机转子轴进行过车洗和金属喷涂等，但并没有从根本上解决问题。经过分析，排除了机械损伤和化学腐蚀的因素，最后确定为轴电流所致。
3 防止轴电流产生的措施
3.1 在轴端安装接地碳刷，使接地碳刷可靠接地，并且与转轴可靠接触，保证转轴电位为零电位，随时将电机轴上的静电荷引向大地，以此消除轴电流。
3.2 为防止磁不平衡等原因产生轴电流，在非轴伸端的轴承座和轴承支架处加绝缘隔板，切断轴电流的回路。
3.3 要求检修运行人员细致检查并加强导线或垫片绝缘。
3.4 在机座中除一个轴承座外，其余轴承座及包括所有装在其上的仪表外壳等金属部件都对地绝缘，不绝缘的轴承应装接地电刷以防静电充电。
3.5 对于由轴交链交变磁通所产生的轴电压，可在发电机一侧的轴承座下加绝缘垫以割断轴与轴瓦之间形成的回路，使轴电流无法产生。3.6 保持轴与轴瓦之间润滑绝缘介质油的纯度，发现油中带水必须进行过滤处理，否则油膜的绝缘强度不能满足要求，容易被低电压击穿。
结束语
综上所述，采用轴电流变送器对轴承的绝缘情况加以监视，它成为大型发电机组轴电流保护的发展方向，与通常采用的大轴侧装有交流互感器的轴电流保护方式比较，其最大优点就是可以避免因电流互感器二次侧电流受电磁及负载电流变化而带来的外界影响，一般通过以上处理，发电机内的轴电流微乎其微，对发电机构不成实质危害。现场实践证明，经上述方式处理后实际使用寿命可由原几十个小时提高到上万小时，效果比较明显，尤其对高压发电机轴电流防范效果更好。
参考文献
[1] 肖黎.水轮发电机组横向振动研究[J].长江科学院院报.2005（05）
[2] 王泉龙.浅谈水轮机振动的研究[J].大电机技术.2001（S1）
[3] 王正伟，喻疆，方源，温晓军，曹剑绵，石清华.大型水轮发电机组转子动力学特性分析[J].水力发电学报.2005（04）