軸電壓是指由於發電機磁場不對稱，發電機大軸被磁化，靜電充電等原因在發電機軸上感應出的電壓。為了監視軸絕緣的完好與否，需定期測量軸兩端的電壓和軸與機身之間的電壓。
基本介紹
- 中文名：軸電壓
- 外文名：shaft voltage
- 產生原因：發電機磁場不對稱等
- 危害：燒損軸頸等
- 預防措施：發電機勵磁側軸承加裝絕緣等
- 學科：電力學
- 頻率：300Hz
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危害
軸電壓是發電機運行過程中在轉軸兩端、轉軸局部以及轉軸對地的電位差。軸電壓是發電機運行過程中普遍存在的一種電氣現象，大型、高速發電機尤為嚴重。軸電壓較低時，由於油膜的絕緣作用，放電是不容易發生的。然而，當軸電壓較高，軸瓦表面有缺陷，潤滑油油質或流量不達標以及發電機異常振動等都可能造成油膜擊穿，導致軸與軸瓦形成金屬性接觸，形成相當大的軸電流，可達到幾百安甚至上千安，它足以燒損軸頸和軸瓦。軸電壓造成軸承腐蝕是一個加速過程，一次放電就可能使軸瓦表面金屬局部融化，在油膜內形成金屬顆粒並破壞油膜絕緣，使得放電更易發生，形成連鎖反應，引發機組振動加，直至被迫退出運行，給現場安全生產帶來隱患。軸承損壞帶來的直接和間接經濟損失十分嚴重。20世紀70年代，我國一台QFSS-200-2型200MW汽輪發電機發生一起勵磁迴路兩點接地故障，造成軸承絕緣擊穿產生強大的軸電流、引起軸系和汽輪機磁化事故，使發電機、轉子、隔板、缸體、曲瓦等部件發生了嚴重磁化，並導致部分軸瓦燒壞，30級隔板與隔板套摩擦和燒傷。揭缸檢察發現許多部位剩磁達幾十至幾百高斯，需要停機檢修一個月左右，對整個機組進行退磁和修理。根據統計，由於軸承破壞而造成的發電機故障約為故障總數的20%，而其中由軸電流引起的軸承故障又占30%，是發電機損壞的重要原因。
產生機理
人們已經確認的軸電壓的產生原因可以分為以下四種：
(1)磁路不對稱。磁路不對稱引起的軸電壓是存在於發電機軸兩端的交流型電壓。由於定子鐵芯採用扇形衝壓片、轉子偏心、扇形片的磁導率不同以及冷卻和夾緊用的軸嚮導槽等發電機製造和運行原因引起的不對稱，產生交鏈轉軸的交變磁通，在發電機大軸兩端產生電位差。這種交流軸電壓一般為1～10V，但具有較大的能量。如果不採取有效措施，軸電壓經過軸軸承機座等處形成一個迴路，由於迴路阻抗低，產生很大的軸電流。
(2)電動機整流和逆變系統的電容耦合作用。大型汽輪發電機組普遍採用靜態勵磁系統。靜態勵磁系統因晶閘管整流引入了一個新的軸電壓源。靜態勵磁系統將交流電壓通過靜態晶閘管整流輸出直流電壓供給發電機勵磁繞組，此直流電壓為脈動型電壓。對於採用三相全控橋的靜態勵磁系統，其勵磁輸出電壓的波形在1個周期內有6個脈動。這個快速變化的脈動電壓通過發電機的勵磁繞組和轉子本體之間的電容耦合在軸對地之間產生交流電壓。此種軸電壓呈脈動尖峰，其頻率為300Hz（勵磁系統交流側電壓頻率為50Hz），它疊加到磁路不對稱引起的軸電壓上，使油膜承受更高的尖峰電壓，在增大到一定程度時擊穿油膜，形成電流而造成機械部件的灼傷和損壞。
(3)靜電效應。在汽輪機內部，高速流動的濕蒸汽與汽輪機低壓缸葉片摩擦在汽輪機低壓缸內產生的直流型電壓。這種靜電效應並非經常存在，在某種蒸汽條件下才能出現。隨著運行工況的不同，這種性質的軸電壓有時會很高。轉子繞組一點接地以及潤滑油與油管之間的摩擦帶電也產生類似的直流型電壓。
(4)軸向磁通及剩磁。發電機中存在各種環繞軸的閉合迴路，如集電環裝置和轉子端部繞組，在設計考慮不周或轉子繞組發生匝間短路時，它們的磁動勢不能相互抵消，就會產生一個軸向的剩餘磁通，該磁通經軸、軸承和旋轉電機的底板而閉合。此外當發電機嚴重短路或其他異常工況下，經常會使大軸、軸瓦、機殼等部件磁化並保留一定的剩磁。磁力線流經軸瓦，當機組大軸轉動時，就會產生電動勢，稱為單極電動勢。單極效應產生的軸電壓表現為直流分量，並隨負載電流而變化。
預防措施
軸電壓的危害在於腐蝕發電機的軸瓦和軸頸。為防止這種危害的發生，主要應從軸電壓和軸電流兩個方向來考慮。從軸電壓角度考慮，汽輪發電機組的設計和運行過程中應儘量消除和減小產生軸電壓的因素，如防止發電機偏心、降低磁路不對稱程度、保證定子鐵芯疊片的對稱性、加強勵磁繞組匝間短路故障監測等。從軸電流角度考慮主要採取引導和阻礙兩種措施：①引導軸電流從非軸瓦路徑流通，避免其經過軸承對軸瓦的損害；②阻礙軸電流在軸瓦流通。在路徑上設定障礙，阻礙軸電流流通。最常用的預防軸電壓危害的方法主要有四種：
(1)在發電機汽輪機側大軸上安裝接地碳刷。汽輪機側高速蒸汽與葉片摩擦產生的靜電荷通過轉軸傳到發電機側。在汽輪機與發電機之間大軸上安裝接地碳刷，可將軸電流通過碳刷引導至大地，從而避免了對發電機軸頸和軸瓦的電腐蝕威脅。接地碳刷選型應保證其允許圓周速度大於轉軸表面的線速度，碳刷的材質軟硬要適中，壓緊力適當，確保碳刷與大軸的可靠接觸，碳刷應能承受最大放電電流。增加碳刷組數可以提高接觸的可靠性。
(2)發電機勵磁側軸承加裝絕緣。發電機的汽輪機側大軸通過碳刷接地後，一旦勵磁側軸瓦的絕緣油膜被破壞，發電機轉子感應的交流電壓將形成閉合迴路，軸電流將腐蝕發電機勵磁側的軸瓦和軸頸。將勵磁側軸瓦與大地之間設定絕緣層可阻斷該迴路的形成，從而保護勵磁側的軸瓦和軸頸。絕緣材料一般用酚醛層壓布或環氧酚醛層壓玻璃布板。墊絕緣處一定要做到完全墊開，包括固定軸承座的地腳螺栓和定位銷釘，與軸承連線的油管路、水管路的法蘭盤等處均需加裝絕緣墊圈和套管。這種方法對防止軸電流是非常有效的。
(3)勵磁側大軸安裝RC軸接地模件。常規汽輪機側大軸接地碳刷不能消除軸電壓中由靜態勵磁系統產生的高頻尖峰分量，近些年提出的在勵磁側安裝新型無源RC軸接地模件的方法，能有效抑制軸電壓的這一分量。
測量
使用軸電壓作為發電機狀態監測信號的一個關鍵問題是軸電壓的測量。對於大型發電機，尤其是大型汽輪發電機，其轉軸線速度很高，接近碳刷的臨界接觸速度。因此，碳刷時常會出現接觸不良的情況。加強對發電機大軸表面狀態和碳刷的維護，使接觸表面保持清潔，軸電壓信號還是較容易測得的。
為了提高軸電壓信號質量，可以採用多刷的辦法，將測量碳刷均勻分布在轉軸圓周，保證接觸的可靠性。
大型汽輪發電機的汽側轉軸通常通過碳刷接地，因此，只需要在勵磁側安裝接地碳刷即可將轉軸兩端軸電壓信號引出，碳刷安裝方便而且不影響機組的正常運行。一些汽輪發電機勵端大軸通過一組無源RC電路接地，這為軸電壓的測量提供了有利條件
