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彭水水电站350﹢MW发电机组轴电流防护措施

文档作者：何明进1 雷雨2 郑宇1 孙伟3 文档来源： 1．重庆大唐国际彭水水电开发有限公司 2．重庆市电力公司 3．湖北清江水电开发有限责任公司		点击数：	更新时间： 2025年12月28日
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2010年第4期
2010Number 4
水电与新能源
HYDROPOWER AND NEW ENERCY
总第90期
Total No．90
文章编号：1671—3354(2010)04—0027一03
彭水水电站350 MW发电机组轴电流防护措施
何明进1，雷雨2，郑宇1，孙伟3
(1．重庆大唐国际彭水水电开发有限公司，重庆409600；2．重庆市电力公司，重庆400014；
3．湖北清江水电开发有限责任公司，湖北宜昌443000)
摘要：彭水水电站的350 MW水轮发电机由于转子和定子电磁不平衡、外部静电感应、自动化元件故障等原因产生了轴
电压和轴电流，导致轴承、轴瓦受损，对轴电流采取了防护措施后机组运行正常。
关键词：滑转子；轴电流；防护
中图分类号：TK730．8 文献标志码：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
乌江彭水水电站设计单机容量350 MW，总装机
容量1 750 MW。水轮发电机组采用天津ALSTOM公司
生产的三相立轴双导半伞式、密闭单路径向白循环空
冷同步发电机，发电机转子轴分为上端轴、转子中心
体、下端轴，上端轴由轴身、滑转子组成，下端轴由三段
焊接而成。由于发电机上端轴采用ALSTOM公司新型
滑转子结构，有别于常见的轴领结构，从而对发电机转
子主轴轴电流的防护提出了新的挑战。
1 轴电压和轴电流产生的原因
大型水轮发电机组在运行过程中，由于机组结构、
运行环境的影响，不可避免地将在发电机主轴上产生
轴电压，如不采取相应措施，就会在发电机主轴与轴瓦
(推力瓦)间产生轴电流，而轴电流的长期存在，将侵
蚀轴领与轴瓦，严重缩短轴承使用寿命，轻微的可运行
上千小时，严重的甚至只能运行几小时，严重威胁水轮
收稿13期：2010—03—02
作者简介：何明进，男，工程师，从事水电工程设备和运行管理工作。
发电机组的安全运行，由此造成的直接和间接经济损
失惨重。
产生轴电流的前提是要产生轴电压，而产生轴电
压的原因主要有以下几种。
(1)电磁不平衡产生轴电压。发电机定子铁芯在
结构上有对缝，加上存在铁芯槽、通风孔等，不可能是
真正理想的完美的圆。又因安装造成发电机定、转子之
间的空气间隙不均匀，造成磁阻不一致，从而使得电磁
场不均匀。且机组在运行中，主轴又有一定范围的摆动
和振动，使发电机定子产生的旋转磁场不均匀，不平衡
的磁力线磁束与回转大轴相切产生轴电压。
(2)静电感应产生轴电压。发电机转子主轴在强
电场下运转，在强电场作用下，在转子主轴的两端便感
应出轴电压。
(3)自动化元件故障产生轴电压。大型水轮发电
机组自动化元件较多，运行现场接线繁杂，元件故障造
万方数据
水电与新能源2010年第4期
成带电线头搭接在转轴上，也会产生轴电压⋯。
以上各种因素共同作用，进一步增强了轴电压。
2 轴电流对轴承的破坏
机组在正常运行中，在发电机转子主轴轴领与轴
瓦之间有油膜存在，油膜一方面起到润滑作用，另一方
面对一定的轴电压也能起绝缘的作用。对于较低的轴
电压，这层润滑油膜能满足主轴轴领与轴瓦绝缘要求，
因此不会产生轴电流。但当轴电压增加到一定数值后，
尤其在发电机启动阶段，轴瓦与轴领的润滑油膜还未
稳定形成，轴电压将可击穿油膜而放电，此时轴电压将
通过主轴_轴承一机座一主轴而形成环形短路电
流，从而形成轴电流。此电流将从轴瓦和轴领的金属接
触点通过，由于该金属接触面很小，几乎是点接触，又
由于轴电流回路阻抗很小，因此这些点的电流密度大，
在瞬间产生高温，使轴承局部烧熔，在金属表面形成极
微小的电蚀凹坑。另外被烧熔的轴承合金在碾压力的
作用下飞溅，在轴瓦上将会产生纯机械磨损。轴领(或
镜板)和轴瓦间在小电弧侵蚀作用下，轴瓦表面合金
逐渐被吸到轴领(或镜板)上去，破坏了轴瓦上作面，
从而引起轴瓦过热甚至烧损，见图1。
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图1 彭水水电站发电机上端轴承结构
另外轴电流将使润滑油变质、发黑，降低润滑油
润滑性能，使轴承温度升高。而轴瓦表面巴氏合金的磨
耗会使一部分轴瓦失去对转子轴领的预负荷作用，转
子在旋转时容易诱发油膜涡动，造成转子系统的不稳
定。而不稳定的油膜反过来又会引起轴承油膜电阻的
急剧下降，使更多的轴电流通过该区域，加剧电火花作
用。在各种因素彼此相互激励下，最终导致轴领或轴瓦
的损坏。
3 机组运行与轴电流的防护
由于轴电流造成的损伤危害大、后果严重，因此大
型发电机组对防止轴电流的产生要求更高。完全避免
产生轴电压难度比较大，减小或消除轴电流引起的损
28
伤，主要是限制轴电压的升高和提高轴承绝缘。一般认
为，足以引起轴电流损伤的电压在20 V以上，典型的
轴承损伤电压在30～100 V之间。如果把轴电压降到
1 V以下，基本上就可以消除轴电流带来的故障。通过
提高轴承绝缘，可阻断轴电流回路，从而消弱或者消除
轴电流的损伤。在水电厂生产现场，常采用防护轴电流
的措施主要有：①在发电机下端轴下部安装接地碳
刷，以降低轴电位，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，以此限制转子下部轴电
压，从而消除轴电流的伤害。②对于伞式机组，则采取
提高上导轴承绝缘水平的方法阻断轴电流回路。对于
悬式机组，除了提高上导轴承绝缘水平外，还在推力头
与镜板间加一层绝缘，以切断轴电流的回路。
图2为上端轴与轴领一体的上导轴承绝缘防护示
意图。由图2可见，常规轴领与轴身一体的轴承结构，
防护轴电流的措施是在上导瓦与轴承支座间加装绝缘
材料(一般为0．5～2 mm厚酚醛玻璃板)的方法实
现的。
图2 常规上导瓦绝缘防护措施
3．1 轴电流防护措施
(1)上端轴采用ALSTOM新型结构，即上端轴由
轴身、滑转子、绝缘材料等组成，如图1所示。轴身和滑
转子在工厂分别精加工后，滑转子热套在轴身上，热套
前在轴身与滑转子接触立面，贴上一层ALSTOM专用
绝缘纸，在接触上平面垫上绝缘环。热套完成后用1
000 V绝缘电阻测试仪测量轴身与滑转子之间的绝
缘，设计要求绝缘值大于1 Mn。彭水水电站水轮发电
机的轴电流防护，正是采用这种特殊的结构，结合常规
防护手段，共同实现发电机的轴电流防护目的。轴电压
主要产生在转子中心体下平面以上，因此，彭水水电站
对机组轴电流的防护采用上端轴绝缘阻断、下端轴接
地限制和装设轴电流保护装置3种手段，形成完整的
轴电流防护系统。
(2)下端轴防护措施。对下端轴采用常规的接地
碳刷接地的防护方式。接地碳刷安装在下机架下导轴
承下部并可靠接地，因此限制了发电机下端轴轴电压
万方数据
何明进，等：彭水水电站350 MW发电机组轴电流防护措施2010年7月
幅值，从而对推力轴承和下导轴承起到了保护作用，并
给转子一点接地保护和转子电压测量回路提供了
通路。
(3)上端轴防护措施。对上端轴，根据图1可知，
ALSTOM公司已在发电机上端轴轴身与轴领之间加装
特殊绝缘纸。因此，上端轴轴电流的防护就依靠它来实
现。即上端轴通过轴身与滑转子之间的绝缘，实现发电
机转子主轴与滑转子及上导瓦的绝缘，从而实现了阻
断电流的目的，具体结构见图3所示。
绝缘材料特殊绝缘材料
图3 彭水水电站上导瓦绝缘防护措施
(4)轴电流防护措施的特点。发电机上导轴承绝
缘防护与常规绝缘防护相比，其特点是：①与常规绝
缘防护相比，由于不在上导瓦与轴承支座间加装绝缘
垫板，从而简化了上导瓦安装与调整工作，且使上导轴
承运行稳定可靠。②由于滑转子与轴身间的绝缘纸是
热套进去后再加工的，使得轴身与滑转子结合紧密，且
运行中滑转子只承受径向力，从而降低了绝缘纸磨损
的可能性，运行可靠性得到提高。目前中国运用的
ALSTOM公司机组基本上是此类结构，未有此类绝缘
损坏事故发生。
(5)轴电流防护措施存在的问题。由于结构特殊，
对机组检修和维护也带来新问题，主要是：①一旦绝
缘纸故障，现场无法修复，必须返厂修复，使得修复时
间相对较长，且必需在机组大修时进行。因此，考虑正
常时电厂将ALSTOM特种绝缘纸作为备品考虑，绝缘
损坏时，临时用绝缘纸做轴瓦防护，待机组大修时再处
理。②检查滑转子与轴身绝缘工作困难。由于结构特
殊，进行绝缘检查工作，必需将上导瓦、集电环碳刷拆
除后，方可进行检查工作，带来工作量的成倍增加。由
于此种结构可靠性高，所以若轴电流监测正常，此工作
可以放在机组大修时进行，一般性检修可不检查。
(6)轴电流保护装置。为了防止一旦上端轴绝缘
损坏，形成轴电流损伤上导轴承，彭水水电站在上导轴
承油箱下部装设BZL一10B型轴电流保护装置，见
图4。
支架互感器机轴与机组主体焊接
图4 轴电流互感器
该装置能检测轴电流一次侧0．1～2．0 A的轴电
流。因此，一旦上端轴绝缘受损，产生轴电流，保护装置
将动作与机组跳闸停机，从而达到保护机组轴承安全
的目的。保护装置针对轴电流大小设置两级输出，一级
轴电流达到0．5 A报警，二级轴电流达到1．5 A跳闸。
3．2 发电机组运行情况
彭水水电站4台机组从2008年2月陆续投产以
来，4、2、1号机组轴电流值在正常范围内，但3号机组
轴电流最高达到1．2 A，严重影响机组安全运行。经对
3号机组进行现场检验，发现机组轴电流与发电机定
子磁场关系密切，定子电流越大轴电流越大；再从机组
状态监测数据发现，机组上=导摆度最大超过标准值l
倍，达到0．35 mm。以上两因素表明3号机组存在定转
子磁场旋转中心严重偏移缺陷，并且3号机组投产以
来转子绝缘一直偏低，500 V绝缘测试表测试绝缘值
为0，因此需进一步采取综合措施限制轴电流上升，保
证机组的安全运行。
4 结语
近年来国内投产ALSTOM公司生产的机组较多，
其上端轴结构基本类同，其采用的轴电流防护手段也
基本一样，运行反馈的情况表明此结构防护轴电流效
果良好。因此，对滑转子结构上端轴，采用滑转子与轴
身绝缘技术阻断轴电流是完全可行和有效的。从彭水
水电站实际情况来看，加装轴电压监测装置，便于及时
掌握上端轴绝缘发展情况，及时处理绝缘降低故障，保
证机组安全运行是今后此类机组需要考虑的重点
问题。
参考文献：
[1]曾需要，邢向前，王辉．水轮发电机组值班员[M]．北京：
中国电力出版社，2003：116—118．
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