什么是船舶尾轴接地测量？
船舶尾轴接地测量，也常被称为轴电流测量或轴电压测量，是一种专门用于监测和诊断船舶推进系统（特别是螺旋桨轴）是否存在异常电位的测试方法。
它的核心目的是： 测量尾轴（或中间轴、推力轴）与船体（大地）之间的电压或电流，判断是否存在有害的“轴电流”，并找出其来源，从而防止对设备造成损害。
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为什么需要进行尾轴接地测量？（目的与重要性）
在现代化的船舶上，由于大量使用电力电子设备（如变频器VFD、整流器等），船舶的电力系统不再是纯净的直流或工频交流，会产生大量的高次谐波，这些谐波通过多种路径耦合到轴系上，形成所谓的“轴电压”，当轴电压累积到一定程度（通常超过0.5V-1V），就足以在轴承的油膜被击穿的瞬间，形成从轴到轴承座（船体）的强大电流，即“轴电流”。
轴电流的危害是巨大的,主要表现在：
- 电腐蚀（电火花腐蚀）： 轴电流在轴承油膜击穿时形成，会产生数千甚至上万摄氏度的高温电火花，瞬间烧熔轴承合金（如白合金、巴氏合金）的表面，形成麻点、凹坑和犁沟，这会破坏油膜的形成，加剧轴承磨损，严重时会导致轴承“抱死”，导致主机停车、船舶失控。
- 轴承损坏： 电腐蚀不仅破坏轴承表面，产生的金属碎屑还会作为磨料，进一步加剧轴承的机械磨损，缩短轴承寿命,增加维护成本。
- 干扰测量仪表： 轴电流可能会干扰安装在轴系上的各种传感器（如转速传感器、振动传感器）的正常工作，导致数据失真,影响对主机的监控和诊断。
定期进行尾轴接地测量，是预防性维护的关键环节，对于保障船舶动力系统的安全、可靠运行至关重要。
尾轴电流是如何产生的？（成因）
理解成因有助于更好地进行测量和诊断,轴电流的形成主要有以下几个路径：
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电容耦合（最常见）：
- 来源： 变频器产生的高频PWM（脉宽调制）电压,通过电动机的定子和转子之间的寄生电容耦合到转子上。
- 路径： 电压 → 电动机转子 → 联轴器 → 中间轴 → 尾轴 → 螺旋桨 → 海水（船体） → 船体结构 → 主机/发电机机身 → 电动机定子,这个回路形成一个巨大的电容耦合电路。
- 特点： 这是最常见的轴电流来源，尤其是在使用变频器驱动的船舶上，它产生的通常是高频、脉冲状的电流。
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磁通耦合：
- 来源： 当船舶电网不平衡，或发电机/电动机存在气隙偏心时,会产生不对称的旋转磁场。
- 路径： 这个不对称磁场会切割轴系，在轴的两端感应出电位差，如果轴的两端通过轴承（油膜）与船体形成回路,就会产生电流。
- 特点： 产生的电流频率通常与电网频率或其谐波有关。
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电阻耦合（接地不良）：
- 来源： 船体存在多点接地或接地不良，导致某些设备（如变压器）的接地电流流经船体结构,并在轴系上产生电位差。
- 路径： 设备接地不良 → 接地电流流经船体 → 在轴系某点产生电压 → 通过轴承形成回路。
- 特点： 相对少见，但一旦发生,危害同样巨大。
如何进行尾轴接地测量？（测量方法）
测量分为静态测量和动态测量两种,通常结合使用。
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准备工作
- 安全第一： 确认主机处于停车或盘车状态，轴系静止，如果进行动态测量，必须获得驾驶台和轮机长的许可，并在低速下进行,全程密切监控。
- 清洁测量点： 将尾轴（或测量位置的轴颈）的表面用砂纸打磨干净，露出光亮的金属,确保测量探头与轴有良好的电接触。
- 选择参考点： 选择一个可靠的、与船体（大地）相连的金属点作为电压参考点，例如主机机座、船体钢板、海底阀箱等，该点必须清洁、无油漆。
- 仪表准备： 使用高内阻的万用表（测量电压）或钳形电流表（测量电流），对于精确诊断，特别是变频器驱动的系统，建议使用示波器来观察轴电压的波形、频率和幅值。
静态测量（轴电压测量）
静态测量用于检查是否存在由磁通耦合或静电感应产生的直流或工频交流电压。
- 方法：
- 将万用表（置于直流电压档或交流电压档）的一个表笔固定在清洁的轴表面。
- 另一个表笔固定在船体参考点上。
- 读取电压值。
- 解读：
- 理想情况： 读数应接近于零（通常小于 50mV AC 或 10mV DC），如果存在明显读数,说明可能存在磁通耦合问题。
- 注意： 静态测量不能完全排除由变频器产生的高频轴电流,因为高频分量在静态下可能不存在或很弱。
动态测量（轴电流测量）
动态测量是检验是否存在最危险的、由变频器引起的高频轴电流的关键步骤。
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方法A：使用高阻万用表/电压表（简易方法）
- 在主机启动并达到稳定工况（如港速、半速、全速）时,将电压表的一个表笔始终接触轴表面。
- 另一个表笔通过一个低阻值的分流电阻（如1Ω，功率足够大）连接到船体参考点。
- 测量分流电阻两端的电压，根据欧姆定律（I = V / R）,可以计算出流过轴的电流。
- 解读： 如果测得的电压较高,意味着存在较大的轴电流。
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方法B：使用钳形电流表（推荐方法）
- 将主机与轴承之间的接地碳刷（如果有的话）暂时断开。
- 将钳形电流表的钳口套在连接轴承座（船体）的接地电缆上。
- 启动主机,在不同工况下测量流过该电缆的电流。
- 解读： 这是测量轴电流最直接、最准确的方法，读数即为流经轴承的轴电流值,超过几安培的电流就表明存在严重问题。
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方法C：使用示波器（最佳诊断方法）
- 将示波器的正负探针分别连接到轴表面和船体参考点。
- 启动主机,观察示波器上的电压波形。
- 解读： 示波器可以清晰地显示轴电压的波形、峰值、频率和噪声水平，如果波形是规则的工频正弦波，可能是磁通耦合；如果波形是高频、脉冲状的，则几乎可以肯定是变频器电容耦合的结果,这是判断问题根源最有效的工具。
测量结果分析与处理
| 测量结果 | 可能原因 | 建议措施 |
|---|---|---|
| 静态测量有显著电压 (>0.5V) | 磁通耦合、轴系磁化、接地不良 | 检查主机/发电机对地绝缘；检查轴系是否被磁化并进行退磁；检查船体接地系统。 |
| 动态测量有显著轴电流 (>1-2A) | 变频器电容耦合（最常见） | 必须立即处理！ |
| 示波器显示高频脉冲波形 | 变频器电容耦合（确认） | 必须立即处理！ |
针对变频器电容耦合的解决方案：
- 安装接地碳刷（最常用）： 在尾轴（或靠近发电机的轴）的非驱动端安装一个或多个高质量的接地碳刷，确保碳刷与轴有良好、稳定的接触，并将轴的电位可靠地引导到船体，这是最基本、最有效的抑制措施。
- 安装轴接地环： 碳刷的升级版，通常是围绕轴的金属环，通过多个电刷接触，提供更稳定、更可靠的接地。
- 在轴承绝缘： 将一个轴承（通常是靠近发电机或电动机的那个）的轴承座与船体进行电气绝缘（加装绝缘垫片、绝缘套管等），切断轴电流回路，这种方法技术要求高，需要精确计算,不常用。
- 优化变频器参数： 检查并优化变频器的输出参数，如开关频率、死区时间等,可以在一定程度上降低轴电压的产生。
- 安装滤波器： 在变频器的输出端安装dv/dt滤波器或正弦波滤波器，可以有效滤除PWM电压的高频谐波,从源头上减少轴电压的产生。
船舶尾轴接地测量是一项简单但极其重要的预防性维护工作，它不仅仅是读一个电压值，更是对船舶整个电力推进系统健康状况的一次“体检”。
- 定期进行： 建议在坞修时进行静态测量,在常规航行中根据需要进行动态测量。
- 综合判断： 结合静态、动态测量和示波器波形分析,才能准确判断问题的根源。
- 重在预防： 对于使用变频器的船舶，安装并维护好接地碳刷是防止轴电流损坏轴承的第一道,也是最重要的一道防线。
通过科学、规范的尾轴接地测量，可以及时发现并消除潜在的设备隐患，保障船舶航行安全,避免昂贵的维修费用和意外停航事故。
