隨著單機容量的逐漸增大, 軸電壓成為大型發電機採用靜止自並勵磁系統後的一個嚴重問題。
軸電壓的波形具有複雜的諧波脈衝分量, 對油膜絕緣特別有害。
當軸電壓未超過油膜的破壞值時, 軸電流非常小。
若軸電壓超過軸承油層擊穿電壓, 則在軸承上形成很大的軸電流, 即所謂電火花加工電流, 將燒蝕軸承部件, 造成很大危害。
磁路不對稱、單極效應、電容電流、靜電效應、靜態勵磁系統、外殼、軸等的永久性磁化均有可能引起軸電壓。
軸電壓是指在電機運行時,電機兩軸承端或電機轉軸與軸承間所產生的電壓。 在正常情況下,軸電壓較低時,發電機轉軸與軸承間存在的潤滑油膜能起到較好的絕緣作用。 但是,如果由於某些原因使得軸電壓升高到一定數值時,就會擊穿油膜放電,構成軸電流產生的回路。 軸電流不但會破壞油膜的穩定性,使潤滑冷卻的油質逐漸劣化,同時,由於軸電流從軸承和轉軸的金屬接觸點通過,金屬接觸點很小,電流密度很大,在瞬間會產生高溫,使軸承局部燒熔。
發電機軸電壓一直是存在的，
但一般不高，
通常為幾伏至十幾伏。
但當絕緣墊因油污、損壞或老化等原因失去作用時，
則軸電壓足以擊穿軸與軸承間的油膜而發生放電，
久而久之，
就會使潤滑和冷卻的油質逐漸劣化，
嚴重者會使轉軸和軸瓦燒壞，
造成停機事故。
一、發電機軸電壓產生的原因
1、磁不對稱引起的軸電壓
它是存在於汽輪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、轉子偏心率、扇形片的導磁率不同,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磁不對稱,結果產生包括軸、軸承和基礎台板在內的交變磁鏈回路。
2、靜電電荷引起的軸電壓
這種出現在軸和接地台板之間的直流型電壓,是在一定條件下高速流動的濕蒸汽與汽輪機低壓缸葉片摩擦出的靜電電荷產生的。
3、靜態勵磁系統引起的軸電壓
目前,大型汽輪發電機組普遍採用靜態勵磁系統。 靜態勵磁系統因可控矽換弧的影響,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可控矽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個週期內有6個脈衝。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狀,其頻率為300Hz(當勵磁系統交流側電壓頻率為50Hz時),它疊加到磁不對稱引起的軸電壓上,從而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。
4、剩磁引起的軸電壓
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。磁力線在軸瓦處產生縱向支路,當機組大軸轉動時,就會產生電勢,稱為單極電勢。正常情況下,微弱的剩磁所產生的單極電勢僅為毫伏級。但在轉子繞組匝間短路或兩點接地時,單極電勢將達到幾伏至十幾伏,會產生很大的軸電流,沿軸向經軸、軸承和基礎台板回路流通,不僅燒損大軸、軸瓦等部件,而且會使這些部件嚴重磁化,給機組檢修工作帶來困難。
二、發電機軸電壓造成的危害
軸電壓大小隨各機組情況的不同而不同，一般說來機組容量越大，其氣隙磁通和結構的不對稱性也越大。而磁場中諧波分量和鐵芯飽和程度以及定子的不平整度也越大，軸電壓峰值就越高，軸電壓的波形具有複雜的諧波分量，採用靜止可控整流勵磁的機組，其軸電壓波形中有很高的脈衝分量，對油膜絕緣特別有害，當軸電壓達到一定值後，如不採取適當措施，油膜會被擊穿而產生軸電流。
若汽輪發電機組的軸電流很大，則軸電流通過的軸頸、軸瓦等有關部件將燒壞，汽輪機主油泵的傳動蝸杆和蝸輪將損壞，軸電流引起的電弧會燒蝕軸承部件並使軸承的潤滑油老化，從而加速軸承的機械磨損，軸電流會使汽輪機部件、發電機端蓋、軸承和環繞軸的其他部件強烈磁化，並在軸頸和葉輪處產生單極電勢。
過高的軸電壓足以擊穿軸與軸承間的油膜時，發生放電，其放電回路為發電機大軸—軸頸—軸瓦—軸承支架—機組底座。雖然，軸電壓不高，300MW等級發電機為6V左右，但回路電阻很小，因此，產生的軸電流可能很大，有時達數百安。軸電流會使潤滑冷卻的油質逐漸劣化，嚴重者會使軸瓦燒壞，被迫停機造成事故。所以在安裝和運行中，測量檢查發電機組的軸及軸承間的電壓。
三、發電機軸電壓的防範及消除措施
通常採用下列幾種防範措施：
（1）設計安裝時，通常在位於發電機勵端的軸承支架與底座之間加裝絕緣墊，同時將所有油管、螺杆、螺釘等採取絕緣措施。
（2）設計有發電機汽機側大軸的接地電刷，用於釋放汽輪機低壓段的靜電電荷，保證軸與地的電勢相同。
除消除大軸電壓外，大軸接地碳刷同時有以下作用，用以保護電機：a. 測量轉子正負對地電壓。b. 作為轉子一點接地的保護。
（3）為了降低汽輪發電機組由於磁路不對稱引起的軸電壓，設計發電機時考慮了消除或減少軸電壓中的三次或五次諧波分量的措施，採用全新的發電機結構，安裝時嚴格按照廠家工藝、設計要求，防止轉子偏心。
（4）為防止轉子繞組一點接地短路而產生軸電壓，運行時投入勵磁回路兩點接地保護裝置。
（5）為切斷軸電流，在勵端包括發電機軸承、氫冷發電機的油密封、水內冷發電機轉子的進出水支座和進出水管法蘭、尾部軸承與機座的底板之間加裝絕緣墊。軸承座的緊固件和連接到軸承座的油管也要與軸承絕緣可採用雙層絕緣措施。
（6）在電機設計時,避免產生磁路不對稱。
（7）電機設計、製造和運行時,避免產生軸向磁通。
（8）將軸承座對地絕緣。
（9）在軸上裝設接地電刷。
（10）採用非磁性軸承座或附加線圈。
（11）在直流電機的電樞出線端加設一個對地的旁路電容。
四、軸電壓的測量
轉子接地碳刷和軸承的絕緣對防護軸電壓對發電機安全運行的作用是非常重要的。在實際的運行中, 由於安裝、運行環境的惡化、磨損等, 會使得轉子接地不好或軸承絕緣下降, 導致軸電壓上升, 軸電流增大, 最終可能損壞發電機。因此, 定期測量軸電壓, 對改善發電機運行情況, 是十分必要的。下面小編推薦一種較為簡單的測量方法：
如上圖所示，其中:
U1:發電機轉子兩端軸電壓差, 正常情況下主要由轉子磁不對稱導致的軸電壓, 一般廠家能提供經驗資料, 建議在每次小修後測量並與歷史資料進行比較。
U2:發電機後端軸對地電壓。
U3:發電機後端軸承對地絕緣板層間金屬板對地電壓。
A:發電機前端接地碳刷的接地引下線上測得的電流。
運行中應定期測量U2、U3和A。從資料的變化可以判斷發電機的狀況：
①U1應在廠家提供的範圍內, 且與歷史資料比較不應有較大變化, 否則應檢查發電機定轉子的情況, 查明原因。
②U2≈U3（正常值）。如U2大於U3（正常值）,則需檢查軸接地碳刷接地情況是否良好,在運行中可在前端軸上短時外接接地線接地,再測量U2進行比較。
③U3應接近U2。由於U2與U3的差值表示加在軸承油膜上的電壓, 若該電壓過大, 將可能導致油膜擊穿, 建議該差值不大於4V, 或U3不小於U2的70%。否則應檢查軸承對地的絕緣材料運行情況,如表面髒汙、絕緣老化等。
④一般情況下, 軸接地碳刷上流過的電流A為幾毫安培到幾百毫安培, 若該值明顯增加, 應結合軸電壓的測量情況, 檢查軸承絕緣情況。
五、總結
汽輪發電機組在向高效率、高可控性、高利用率、高可靠性和低維修率方向發展。汽輪發電機組軸承良好的工作狀態為提高其利用率和可靠性提供了有力保證。
發電機的軸電壓過高對發電機正常運行有著很大的影響，所以應定期進行測量。對於一些大型發電機組，必要安裝線上保護裝置，時常監測發電機是否處於正常運行狀態。我國電力工業正處於大電網和大機組發展時期,隨著發電機組單機容量的增大和靜態勵磁系統的廣泛採用,採取有效防護措施抑制軸電壓及有害軸電流的產生，是非常重要的。
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個週期內有6個脈衝。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狀,其頻率為300Hz(當勵磁系統交流側電壓頻率為50Hz時),它疊加到磁不對稱引起的軸電壓上,從而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。4、剩磁引起的軸電壓
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。磁力線在軸瓦處產生縱向支路,當機組大軸轉動時,就會產生電勢,稱為單極電勢。正常情況下,微弱的剩磁所產生的單極電勢僅為毫伏級。但在轉子繞組匝間短路或兩點接地時,單極電勢將達到幾伏至十幾伏,會產生很大的軸電流,沿軸向經軸、軸承和基礎台板回路流通,不僅燒損大軸、軸瓦等部件,而且會使這些部件嚴重磁化,給機組檢修工作帶來困難。
二、發電機軸電壓造成的危害
軸電壓大小隨各機組情況的不同而不同，一般說來機組容量越大，其氣隙磁通和結構的不對稱性也越大。而磁場中諧波分量和鐵芯飽和程度以及定子的不平整度也越大，軸電壓峰值就越高，軸電壓的波形具有複雜的諧波分量，採用靜止可控整流勵磁的機組，其軸電壓波形中有很高的脈衝分量，對油膜絕緣特別有害，當軸電壓達到一定值後，如不採取適當措施，油膜會被擊穿而產生軸電流。
若汽輪發電機組的軸電流很大，則軸電流通過的軸頸、軸瓦等有關部件將燒壞，汽輪機主油泵的傳動蝸杆和蝸輪將損壞，軸電流引起的電弧會燒蝕軸承部件並使軸承的潤滑油老化，從而加速軸承的機械磨損，軸電流會使汽輪機部件、發電機端蓋、軸承和環繞軸的其他部件強烈磁化，並在軸頸和葉輪處產生單極電勢。
過高的軸電壓足以擊穿軸與軸承間的油膜時，發生放電，其放電回路為發電機大軸—軸頸—軸瓦—軸承支架—機組底座。雖然，軸電壓不高，300MW等級發電機為6V左右，但回路電阻很小，因此，產生的軸電流可能很大，有時達數百安。軸電流會使潤滑冷卻的油質逐漸劣化，嚴重者會使軸瓦燒壞，被迫停機造成事故。所以在安裝和運行中，測量檢查發電機組的軸及軸承間的電壓。
三、發電機軸電壓的防範及消除措施
通常採用下列幾種防範措施：
（1）設計安裝時，通常在位於發電機勵端的軸承支架與底座之間加裝絕緣墊，同時將所有油管、螺杆、螺釘等採取絕緣措施。
（2）設計有發電機汽機側大軸的接地電刷，用於釋放汽輪機低壓段的靜電電荷，保證軸與地的電勢相同。
除消除大軸電壓外，大軸接地碳刷同時有以下作用，用以保護電機：a. 測量轉子正負對地電壓。b. 作為轉子一點接地的保護。
（3）為了降低汽輪發電機組由於磁路不對稱引起的軸電壓，設計發電機時考慮了消除或減少軸電壓中的三次或五次諧波分量的措施，採用全新的發電機結構，安裝時嚴格按照廠家工藝、設計要求，防止轉子偏心。
（4）為防止轉子繞組一點接地短路而產生軸電壓，運行時投入勵磁回路兩點接地保護裝置。
（5）為切斷軸電流，在勵端包括發電機軸承、氫冷發電機的油密封、水內冷發電機轉子的進出水支座和進出水管法蘭、尾部軸承與機座的底板之間加裝絕緣墊。軸承座的緊固件和連接到軸承座的油管也要與軸承絕緣可採用雙層絕緣措施。
（6）在電機設計時,避免產生磁路不對稱。
（7）電機設計、製造和運行時,避免產生軸向磁通。
（8）將軸承座對地絕緣。
（9）在軸上裝設接地電刷。
（10）採用非磁性軸承座或附加線圈。
（11）在直流電機的電樞出線端加設一個對地的旁路電容。
四、軸電壓的測量
轉子接地碳刷和軸承的絕緣對防護軸電壓對發電機安全運行的作用是非常重要的。在實際的運行中, 由於安裝、運行環境的惡化、磨損等, 會使得轉子接地不好或軸承絕緣下降, 導致軸電壓上升, 軸電流增大, 最終可能損壞發電機。因此, 定期測量軸電壓, 對改善發電機運行情況, 是十分必要的。下面小編推薦一種較為簡單的測量方法：
如上圖所示，其中:
U1:發電機轉子兩端軸電壓差, 正常情況下主要由轉子磁不對稱導致的軸電壓, 一般廠家能提供經驗資料, 建議在每次小修後測量並與歷史資料進行比較。
U2:發電機後端軸對地電壓。
U3:發電機後端軸承對地絕緣板層間金屬板對地電壓。
A:發電機前端接地碳刷的接地引下線上測得的電流。
運行中應定期測量U2、U3和A。從資料的變化可以判斷發電機的狀況：
①U1應在廠家提供的範圍內, 且與歷史資料比較不應有較大變化, 否則應檢查發電機定轉子的情況, 查明原因。
②U2≈U3（正常值）。如U2大於U3（正常值）,則需檢查軸接地碳刷接地情況是否良好,在運行中可在前端軸上短時外接接地線接地,再測量U2進行比較。
③U3應接近U2。由於U2與U3的差值表示加在軸承油膜上的電壓, 若該電壓過大, 將可能導致油膜擊穿, 建議該差值不大於4V, 或U3不小於U2的70%。否則應檢查軸承對地的絕緣材料運行情況,如表面髒汙、絕緣老化等。
④一般情況下, 軸接地碳刷上流過的電流A為幾毫安培到幾百毫安培, 若該值明顯增加, 應結合軸電壓的測量情況, 檢查軸承絕緣情況。
五、總結
汽輪發電機組在向高效率、高可控性、高利用率、高可靠性和低維修率方向發展。汽輪發電機組軸承良好的工作狀態為提高其利用率和可靠性提供了有力保證。
發電機的軸電壓過高對發電機正常運行有著很大的影響，所以應定期進行測量。對於一些大型發電機組，必要安裝線上保護裝置，時常監測發電機是否處於正常運行狀態。我國電力工業正處於大電網和大機組發展時期,隨著發電機組單機容量的增大和靜態勵磁系統的廣泛採用,採取有效防護措施抑制軸電壓及有害軸電流的產生，是非常重要的。