轴电流引起油碳化的原因分析与处理培训

轴电流引起油碳化的原因分析与处理培训CONTENTS目录01轴电流与油碳化概述02轴电流的产生机理03轴电流的导通路径与油碳化机理04轴电流的检测与接地点查找CONTENTS目录05轴电流的消除与处理措施06预防与维护策略01轴电流与油碳化概述轴电流的定义与产生背景轴电流的定义轴电流（shaftcurrent）是指当发电机或电动机的大轴两端存在轴电压，且通过轴承、机座等形成闭合回路时产生的电流。正常情况下要求机组转动部分对地绝缘电阻大于0.5MΩ，若大轴两端同时接地则可能产生轴电流。轴电压的产生机理由于定子铁芯组合缝、硅钢片接缝、定转子空气间隙不均匀、轴中心与磁场中心不一致等因素，机组主轴在不完全对称的磁场中旋转，从而在轴两端感应出交流电压，即轴电压。典型案例背景水东水电厂2号机组（20MW轴流桨式水轮机、悬吊式发电机）自1994年投产后，1998年起出现调速系统油质严重碳化现象，截至2022年11月已换油11次，经分析确定为轴电流导致。油碳化现象及其危害油碳化的典型特征调速系统油质呈现黑色或深褐色，伴随焦糊气味，严重时形成碳颗粒沉淀，影响油的流动性和润滑性能。油碳化对设备的直接危害导致操作油管铜瓦与导向块间隙油膜因电弧放电侵蚀而碳化，破坏润滑介质，加剧部件磨损，影响机组调节精度。油碳化引发的运营问题以水东水电厂2号机组为例，自1998年出现油碳化后至2022年11月已换油11次，严重增加维护成本，干扰机组正常运转。案例引入：水东水电厂2号机组油碳化问题

01机组概况与运行背景水东水电厂共装有4台20MW机组，水轮机为轴流桨式，发电机为悬吊式。2号机组自1994年7月投产后，于1995年9月完成第一次大修。

02油碳化现象与影响该机组从1998年开始出现整个调速系统油质严重碳化现象，截至2022年11月已换油11次，严重影响机组的正常运转。调速系统共装30号透平油约6t，由3台螺杆油泵将压力油罐建压至4MPa，供调速器对导叶和桨叶活塞进行操作调整。

03初步原因判断油出现碳化后，调速系统其余各部分经检查均正常，且整个系统在碳化过程当中运转基本正常，初步判断油碳化是由轴电流引起的。02轴电流的产生机理轴电压的形成原因磁路不均衡与气隙不对称

由于制造及安装工艺等原因，如定子铁芯组合缝、定子硅钢片接缝、定子与转子空气间隙不均匀、轴中心与磁场中心不一致等，导致机组主轴在不完全对称的磁场中旋转，从而在轴两端产生交流电压。电机内部或外部不对称短路

发电机内部或外部发生不对称短路时，定子绕组短路部分的感应电流阻止合成磁通通过，与定子磁路不对称等价，产生轴向以基频为主的交变磁通，进而产生轴电压。若定子绕组引出线位于发电机长度方向两侧，不对称外部短路也可能产生轴电压。励磁回路接地或转子绕组匝间短路

励磁回路接地或转子绕组匝间短路会产生很强的轴向不平衡磁通，这也是造成发电机磁场不平衡，进而产生轴电压的重要原因之一。逆变供电的高次谐波影响

当电动机采用变频器进行逆变供电时，电源电压中含有的高次谐波分量，在电压脉冲作用下，会在定子绕组线圈端部、接线部分及转轴之间产生电磁感应，导致转轴电位变动，引发轴电压。静电感应与静电荷积累

电动机运行环境中存在的高压设备产生强电场，会在转轴两端感应出轴电压；同时，负载方面的流体与旋转体之间的摩擦会产生静电荷，电荷逐渐积累也会形成轴电压。磁路不平衡对轴电压的影响磁阻不平衡的产生原因交流异步电动机运行时，因定、转子扇形冲片、硅钢片叠装方式，以及铁芯槽、通风孔等结构存在，导致磁路中磁阻不均衡分布。磁阻不平衡引发轴电压的机理定子铁芯圆周方向磁阻不平衡时，会引发与轴相交链的交变磁通，进而产生交变电势。电动机转动时，磁极旋转导致通过各磁极的磁通量变化，在轴两端感应出1～2V左右的轴电压，若轴两侧轴承构成闭合回路则产生轴电流。环形磁通与轴电压的关系非对称磁路在轭部会产生圆形交流磁通（环形磁通），在电机轴、轴承、端盖和机座构成的导电闭合回路中感应出交流电压，若电压峰值超过500mV可能产生环形电流。城市轨道车辆电机的磁阻问题城轨车辆牵引电机因扇形冲片、硅钢片叠加安装及铁芯槽、通风孔等部件存在，易造成磁路磁阻不平衡，使转轴周围存在交变磁通量切割转轴，在轴两端产生感应电势形成轴电压。转子偏心与轴电压的关系

转子偏心的定义与类型转子偏心是指电动机或发电机运行时，转子几何中心与定子几何中心不重合的现象，主要分为静态偏心和动态偏心两种类型，会导致气隙磁场分布不均。

偏心引发脉动磁通的机理当转子发生偏心时，定转子之间的气隙呈现不均匀状态，在旋转过程中会产生周期性变化的脉动磁通。这种脉动磁通与转轴交链，根据电磁感应定律，会在转轴两端感应出轴电压。

轴电压的幅值与偏心程度的关联转子偏心量越大，气隙磁密的不均衡性越显著，脉动磁通的变化率越高，感应出的轴电压幅值也相应增大。通常情况下，此类轴电压可能达到数伏，当超过润滑油膜击穿电压时易形成轴电流。

工程实例与危害警示在实际机组运行中，转子长期偏心可能导致轴电压持续升高，若轴承绝缘失效形成闭合回路，轴电流将对轴瓦、轴承座等部件产生电蚀，影响设备安全稳定运行，需通过振动监测等手段及时发现并处理。逆变供电与高频共模电压的作用PWM变频器与共模电压的产生电压型变频器（PWM变频器）供电时，三相输出电压之和不为零，导致中性点电压不为零，产生高频共模电压（零序电压）。其电压变化率高，作用于电机内部寄生电容，使转子轴电压升高。高频共模电压与轴电压的关联共模电压的幅值与定子绕组-转子电容、转子-基座电容及轴承电容相关。当轴承电压峰值超过润滑油膜击穿电压时，会引发放电电流，其重复频率随电压及脉冲频率增大而增加。高频轴电流的形成路径高频共模电压通过电机寄生电容耦合至转轴，在转轴、轴承、机座构成的闭合回路中产生高频轴电流。此电流易导致润滑油膜放电侵蚀，加速油质碳化。其他外部因素导致的轴电压

高压设备强电场的静电感应电机运行环境中若存在高压设备产生的强电场，会在转轴两端感应出轴电压。

静电荷的产生与积累电动机运行时，负载方面的流体与旋转体之间的摩擦会产生静电荷，电荷逐渐积累形成轴电压。

外部电源意外搭接电机保护和测量元件接线复杂时，带电线头不慎搭接在转轴上，外部电源介入会产生轴电压。

测温线等元件绝缘问题轴瓦测温线外皮破损导致绝缘下降并触碰到转动部件，可能形成轴电流回路，引发轴电压问题。03轴电流的导通路径与油碳化机理轴电流形成的必要条件

存在轴电压由于发电机或电动机结构（如定子铁芯组合缝、硅钢片接缝、空气间隙不均匀等）及工作原理，机组主轴在不完全对称磁场中旋转时，轴两端会产生交流电压，即轴电压。

形成闭合回路正常情况下要求机组转动部分对地绝缘电阻大于0.5MΩ，若大轴两端同时接地（如轴颈、轴承、机座等形成导电通路），轴电压便会驱动电流在闭合回路中流通，从而产生轴电流。大轴两点接地的危害

轴电流导通路径形成大轴两点接地为轴电流提供了闭合回路，电流可通过大轴、轴承、机座等部件流通，如受油器油管与水导轴承橡胶瓦同时接地时，轴电流会流经操作油管铜瓦与导向块间隙。

油膜电弧侵蚀与碳化轴电流流过轴承间隙时，油膜被电弧放电侵蚀，导致油质碳化。如水东水电厂2号机组因轴电流问题，调速系统油质严重碳化，截至2022年11月已换油11次。

轴承部件损伤电流流过轴承接触点时，因电流密度大产生高温，可能烧熔轴承低熔点合金，形成凹坑或电弧伤痕，严重时导致轴承抱死、散架，威胁机组安全运行。

绝缘性能破坏接地部位如绝缘垫、橡胶瓦等因导电或破损失去绝缘作用，使转动部分对地绝缘电阻降至0.5MΩ以下，无法满足正常运行要求，加剧轴电流危害。轴电流的趋表效应与流通路径01轴电流的趋表效应特性当电流流过较大导体时，趋表效应表现明显，即电流主要集中在导体表面流动。轴电流作为流过主轴等大导体的电流，其分布也呈现这一特征，这对理解其流通路径和对部件的影响具有重要意义。02典型轴电流导通路径示例以水东水电厂机组为例，轴电流的流通路径涉及大轴、操作油管、铜瓦、导向块等部件。操作油管除随大轴旋转外，还会沿轴线上下运动，其与铜瓦导向块间的间隙是电流流经的关键部位。03油膜在流通路径中的作用与影响操作油管上瓦座中的铜瓦与操作油管导向块之间存在一定间隙，间隙中的油膜在轴电流流过时，会不断遭到电弧的放电侵蚀，导致油不断碳化，这不仅影响润滑，也可能改变电流流通特性。油膜击穿与电弧放电对油质的影响

油膜绝缘强度破坏机理轴电流流经轴与轴瓦间隙时，当轴电压超过油膜绝缘阈值（通常约500mV），润滑油膜被击穿形成导电通道，导致绝缘性能丧失。

电弧放电的热效应与油碳化放电过程中电流密度极大，瞬间高温（可达数千摄氏度）使润滑油分子链断裂，碳氢化合物分解为碳渣和积碳，导致油质变黑、黏度上升。

油膜劣化的连锁反应碳化颗粒悬浮于油中，破坏油膜连续性，加剧轴瓦磨损；同时油膜稳定性下降，进一步降低绝缘强度，形成"击穿-碳化-更易击穿"的恶性循环。

实际案例：水东水电厂油质恶化2号机组因轴电流导致调速系统30号透平油严重碳化，1998年至2022年间累计换油11次，每次换油量约6吨，严重影响机组安全运行。油碳化的过程与特征

轴电流作用下油碳化的形成过程轴电流流过操作油管上瓦座铜瓦与操作油管导向块间隙时，因存在间隙，电流会使间隙中的油膜发生电弧放电侵蚀，导致油不断碳化。

油碳化的外观特征碳化后的油通常颜色变深，可能呈黑色或深褐色，严重时会出现油泥状沉淀物，影响油的流动性和润滑性能。

油碳化的危害表现油碳化会导致调速系统油质严重恶化，如某水电厂2号机组因轴电流引起油碳化，截至2022年11月已换油11次，严重影响机组正常运转。04轴电流的检测与接地点查找绝缘电阻的测量标准与方法

机组转动部分绝缘电阻标准值正常情况下要求机组转动部分对地绝缘电阻大于0.5MΩ，这是防止轴电流产生的基本绝缘要求。

绝缘电阻测量工具与规范采用500V摇表进行绝缘电阻测量，需确保测量前设备已断电且充分放电，测量时应将被测部件与其他导电部分可靠隔离。

关键部件绝缘测量要点重点测量水导轴承橡胶瓦、受油器油管绝缘垫等关键部位，新出厂备品橡胶瓦绝缘电阻若为零，可判定其本身具有导电性，需特别关注。

测量结果的判断与处理若测量值低于0.5MΩ，需立即排查接地点；安装过程中应逐部件测量绝缘，发现绝缘为零的部件（如受油器油管法兰绝缘垫）需及时更换以恢复绝缘性能。水导轴承接地点的查找实例

水导轴承结构特性与初步判断水东水电厂2号机组水导轴承采用水润滑橡胶轴承，正常运行时水导轴承内及转轮室充满水或非常潮湿，转动部分绝缘电阻基本为零，初步判断大轴下部接地不可避免。

水导瓦绝缘检测结果使用500V摇表测量水导瓦橡胶端部绝缘，电阻为零；对同一批出厂的备品水导瓦表面测绝缘，结果也为零，证明橡胶瓦本身具有导电性，为接地点之一。

受油器油管绝缘问题排查拆除水导轴承后，对其他部件逐一安装并测量大轴绝缘。当装到受油器油管时，大轴绝缘再次为零。经查，法兰连接处绝缘垫与水导瓦为同一厂家生产，单独测量绝缘垫绝缘值基本为零，确认其为另一接地点。受油器油管绝缘垫问题的排查

绝缘垫绝缘性能检测对受油器油管法兰连接处的绝缘垫进行单独绝缘测试，使用500V摇表测量其绝缘电阻，发现其值基本为零，表明绝缘垫已丧失绝缘功能。

绝缘垫材质关联性分析经查，该绝缘垫与水导瓦为同一厂家生产，而此前对同批次备品水导瓦的绝缘测试结果也为零，说明橡胶材质本身可能具有导电性，无法满足绝缘要求。

接地点确认验证在拆除水导轴承后，对机组其他部件逐一安装并测量大轴绝缘，当安装到受油器油管时，大轴绝缘再次出现为零的情况，确认受油器油管绝缘垫为大轴上部的接地点。其他可能接地点的检查方法

推力轴承绝缘检测使用500V摇表测量推力轴承与机座间的绝缘电阻，正常应大于0.5MΩ，若低于此值需检查绝缘垫是否破损或油污污染。

上导轴承绝缘检查重点检测上导轴承座与支架的绝缘性能，采用加压法测试油膜击穿电压，确保润滑油膜绝缘强度满足要求，防止轴电压导通。

受油器及油管连接检查检查受油器油管法兰连接处绝缘垫的绝缘电阻，单独测试新备品绝缘垫阻值，若接近零则为导电材质，需更换为合格绝缘垫。

测温元件及导线绝缘排查检查轴瓦测温线外皮是否破损，避免线头脱落与转轴搭接形成接地回路，使用绝缘电阻表确认测温回路对地绝缘合格。05轴电流的消除与处理措施更换绝缘垫以阻断接地点

关键接地点绝缘失效问题水东水电厂2号机组受油器油管法兰连接处绝缘垫与水导瓦为同一厂家生产，经检测绝缘电阻基本为零，导致大轴形成两点接地，是轴电流产生的直接原因。

绝缘垫更换的实施要点拆除原失效绝缘垫，更换为符合绝缘要求的新绝缘垫，确保大轴与外部结构之间的绝缘电阻恢复至大于0.5MΩ，从根本上阻断轴电流的闭合回路。

更换后的绝缘性能验证更换完成后，需使用500V摇表测量大轴对地绝缘电阻，确认绝缘垫安装正确、绝缘性能达标，避免因安装不当或材质问题导致绝缘失效问题复发。绝缘轴承的选用与安装

01绝缘轴承的类型选择根据轴电流抑制需求，可选用陶瓷轴承或半陶瓷轴承等绝缘轴承，能有效阻断轴电流回路，适用于磁路不对称等原因产生轴电流的场景。

02绝缘轴承的性能要求选用的绝缘轴承需具备良好的绝缘强度，使用500V摇表测量其绝缘电阻应不低于0.5MΩ，以确保阻断轴电流的效果。

03绝缘轴承的安装要点安装时需在非轴伸端的轴承座与轴承之间加装绝缘垫，同时注意避免安装过程中损坏轴承的绝缘层，确保安装后绝缘性能符合要求。接地碳刷的设置与维护接地碳刷的设置目的在轴伸端安装接地碳刷，确保其与转轴可靠接触，将电机轴上的静电荷引入大地，维持转轴零电位，从而有效消除轴电流。接地碳刷的安装要求接地碳刷应可靠接地，并与转轴保持良好接触，以保证静电荷能够顺利导流，避免轴电压积累。接地碳刷的维护周期接地电刷通常每两至三年需要进行维护或更换，以确保其导电性能和接触可靠性，避免因碳刷磨损或接触不良导致轴电流防护失效。维护注意事项定期检查碳刷的磨损程度、与转轴的接触压力及清洁状况，及时清理碳刷粉末，确保接地回路通畅，保障轴电流抑制效果。油质监督与处理方法油质监督的关键指标油质监督需重点关注油膜绝缘强度，确保其能有效阻断轴电压击穿，防止轴电流产生。同时，需监测油中是否存在碳化物等杂质，避免因油质劣化导致绝缘性能下降。定期油质检查与维护大修后应加强对调速系统油质的监督，定期进行油样分析。发现油质变质、含水量超标或绝缘强度降低时，需及时进行过滤处理或更换新油，确保润滑油膜的绝缘性能满足要求。油质异常的处理措施当油质出现碳化等异常情况时，应立即查找原因，如检查轴电流是否存在。若确认由轴电流引起，需先消除轴电流（如更换绝缘垫、处理接地点等），再对已碳化的油进行更换，并彻底清洁油系统，防止残留碳化物影响新油性能。轴电流保护装置的应用

轴电流保护装置的功能轴电流保护装置能实时监视绝缘层阻值的下降情况，当检测到异常时及时发出报警信号，便于运行维护人员及时查找故障原因并予以排除，对发电机组的安全生产具有积极作用。

轴电流保护装置的安装位置轴电流保护装置通常安装在发电机轴承等关键部位，以便有效监测轴电流相关参数，及时发现潜在问题。

轴电流保护装置的应用案例在水东水电厂2号机组的案例中，若当时安装轴电流保护装置，可对轴电流引发的油碳化问题进行早期预警，减少换油次数，降低对机组正常运转的影响。06预防与维护策略定期绝缘检查与监测转动部分对地绝缘电阻标准正常情况下要求机组转动部分对地绝缘电阻大于0.5MΩ，此数值是避免轴电流产生的重要指标，需定期使用500V摇表进行测量。关键部件绝缘检查重点重点检查水导轴承橡胶瓦、受油器油管连接处绝缘垫等部件的绝缘性能，单独测量其绝缘电阻，确保其值符合要求，避免因部件自身导电导致接地。轴瓦测温线绝缘检查定期检查轴瓦测温线外皮是否破损，确保其绝缘合格，防止线头脱落与转轴搭接形成轴电流回路，避免由此引发轴电流事故。滑环与刷架清洁维护定期擦拭发电机滑环、刷架，避免碳粉沉积降低正负两极绝缘，确保接地碳刷与转轴可靠接触，维持转轴零电位，有效释放静电荷。调速系统油质管理措施

加强油质监督与检测大修后及正常运行中，应定期对调速系统油质进行监督，检测油的纯度、绝缘强度等关键指标，发现油质异常及时分析并查明原因。

定期更换合格润滑油确保轴与轴瓦之间使用纯度高的绝缘介质油，一旦发现油质变质（如碳化、进水等），应立即更换新油，以保证油膜的绝缘强度，防止被低电压击穿。

强化油系统清洁维护定期对油系统进行清洁，防止杂质、碳粉等污染物进入油