毛 華

(大唐三門峽發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472000)

現(xiàn)代大參數(shù)、大機組發(fā)電機已成為主流趨勢，發(fā)電機的勵磁電流越來越大，隨之而來的是發(fā)電機的滑環(huán)不均勻磨損問題越來越突出，已發(fā)生滑環(huán)著火等事故在國內(nèi)也多次發(fā)生，給企業(yè)造成巨大經(jīng)濟損失，為此本文以600MW發(fā)電機發(fā)電機滑環(huán)的不均勻磨損進行系統(tǒng)的理論分析，并提出了解決方法。

1 問題的提出

發(fā)電機發(fā)電就是利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生，即當(dāng)閉合線圈與磁力線相對運動切割磁力線時，在線圈中會產(chǎn)生電流，如圖1所示，一個閉合的線圈、一個磁場、輸出電流的滑環(huán)，發(fā)電機組容量不斷增大，使發(fā)電機需要輸出非常大的電流，滑環(huán)無法承受，因此將發(fā)電機定子作為線圈，轉(zhuǎn)子作為磁場，并由可調(diào)的直流電流通過滑環(huán)以調(diào)節(jié)磁場的大小。目前600MW機組勵磁電流高為4128A，通過滑環(huán)和碳刷、刷握到轉(zhuǎn)子線圈，將旋轉(zhuǎn)的電流和靜止的電流相連，存在靜止部分和旋轉(zhuǎn)部分，這兩部分之間必然存在磨損問題，既有電氣作用，也有機械作用，若維護不當(dāng)，使得電刷快速磨損，滑環(huán)嚴(yán)重發(fā)熱，電刷電流不均勻，惡性循環(huán)，直接導(dǎo)致機組非計劃停運或事故發(fā)生。

(1)機械作用使碳刷與滑環(huán)間的機械磨損

發(fā)電機運行中，高速旋轉(zhuǎn)滑環(huán)表面與靜止碳刷相對運動，在碳刷表面與滑環(huán)表面將會由于摩擦而磨損，正常時碳刷顆粒較小并且較軟，滑環(huán)逐漸形成亮滑的鏡面，碳刷的表面磨損光滑，滑環(huán)表面氧化膜建立在良好狀態(tài)，但如果碳刷由于生產(chǎn)質(zhì)量不好或者工藝問題，造成顆粒粗大并且堅硬，或者電話電流分布不均，那么在滑環(huán)表面將會造成劃傷，或者滑環(huán)表面會局部溫差偏大，使滑環(huán)表面形成紋路，碳刷本身也會出現(xiàn)顆粒脫落，繼而加深滑環(huán)表面的紋道，會使兩者之間的磨損迅速增加，久而久之，滑環(huán)表面氧化膜遭到破壞，使得滑環(huán)越磨越粗糙。

(2)電氣作用引起的磨損

滑環(huán)的作用是將外部直流電流引入到發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈，發(fā)電機運行中轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)，固定在刷架上的碳刷將與滑環(huán)圓周方向不斷變化，那么碳刷與滑環(huán)之間直接傳導(dǎo)的部位也是在不斷變化，在接觸部位的碳刷表面和滑環(huán)表面電流密度將會很大，接觸部位溫度將會很高，在高溫的作用下，又會使碳刷和滑環(huán)接觸面局部出現(xiàn)熔化、脫落，金屬表面也會形成金屬蒸汽，因為兩個滑環(huán)一個為正極為電流流進，另一個為電流流出，則兩個極滑環(huán)表面的磨損情況也不一樣。在高溫、電弧作用下，正極滑環(huán)表面局部受高溫作用而蒸產(chǎn)出“金屬蒸汽”，使正極滑環(huán)表面表面損蝕，負(fù)極由于受到正離子撞擊和高溫作用大量發(fā)射電子，使負(fù)極滑環(huán)表面遭受破壞，產(chǎn)生“陰極粉化”。同理在正負(fù)極碳刷表面形成的磨損也是不同的。

從長期跟蹤發(fā)電機電刷、滑環(huán)磨損程度來看，發(fā)現(xiàn)碳刷接到正極時，碳刷電氣磨損嚴(yán)重，機械磨損輕微，滑環(huán)的電氣磨損和機械磨損都輕微;當(dāng)碳刷接到負(fù)極時，碳刷電氣磨損輕微，機械磨損將會很大，滑環(huán)的電氣磨損、機械磨損都嚴(yán)重;這樣長期的結(jié)果將會造成正極碳刷頻繁更換、負(fù)極上的滑環(huán)表面將會磨損很快，造成滑環(huán)使用壽面縮短;而發(fā)電機一年內(nèi)只有一次停運檢修機會，若不及時對到滑環(huán)正負(fù)極調(diào)換，勢必引起滑環(huán)磨損不平衡，而要正負(fù)極滑環(huán)采取同時更換，這勢必造成材料上的浪費，不可取，為此定期對發(fā)電機兩個滑環(huán)來的正負(fù)極進行調(diào)換，以消除對滑環(huán)磨損傷害尤為重要。

2 解決辦法

為了使碳刷和滑環(huán)正、負(fù)極在一段時間內(nèi)磨損均勻一些，只用定期對正、負(fù)極極性定期對調(diào)即可保證，從而使得正、負(fù)極環(huán)磨損相對均勻，能夠延長滑環(huán)使用壽命，同時使正、負(fù)極碳刷磨損速度一致，從而保證機組運行安全。

(1)對調(diào)的可行性

發(fā)電機轉(zhuǎn)子正負(fù)極對調(diào)后，對發(fā)電機是否產(chǎn)生影響，從如下幾方面闡述。

一是對調(diào)后對相序的影響。發(fā)電機輸出的相序與發(fā)電機定子線圈空間布置和汽輪機轉(zhuǎn)動方向有關(guān)，由于發(fā)電機定子線圈空間位置固定，并未因為改變轉(zhuǎn)子極性而改變，汽輪機的轉(zhuǎn)動方向也未改變，因此，改變轉(zhuǎn)子極性后，不會影響發(fā)電機輸出的相序變化。

二是對調(diào)后對輸出電壓的影響。如圖1所示，其輸出三相電壓波形A相起始時刻為正過零時刻，極性對調(diào)后，輸出三相電壓波形A相起始時刻為負(fù)過零時刻，三相交流電其工作過程是交變的，因此過零時刻的作為位置不會影響輸出電壓，因此轉(zhuǎn)子極性調(diào)換改后，對輸出電壓無影響。

圖1 極性對調(diào)前調(diào)后工作原理圖和輸出波形(左為調(diào)前，右為調(diào)后)

三是對調(diào)后轉(zhuǎn)子剩磁對發(fā)電機起勵的影響。根據(jù)鐵磁材料磁化曲線，當(dāng)鐵芯外加磁場消失后，鐵芯仍然存在剩余磁感應(yīng)強度Br，如圖2，極性對調(diào)前，外加磁場為正方向，磁化曲線工作在第一象限，當(dāng)極性對調(diào)后，外加磁場反向，磁化曲線工作在第三象限，因此改變極性后，第一次起勵時，反向的勵磁電流產(chǎn)生的磁場需要克服第一象限剩余磁場Br的強度，才能使磁化曲線進入到第三象限，其最小值為矯頑力Hc，大于此值后，B進入第三象限，正常勵磁，停機后剩余磁場為-Br，以后再勵磁，就是第三象限了，除非再次倒換極性。

圖2 轉(zhuǎn)子鐵芯磁化曲線

四是對調(diào)后對起勵電壓的影響。自并勵發(fā)電機都有一個與直流系統(tǒng)并聯(lián)的單相、全橋不可控整流的起勵變壓器，這個起勵變壓器可以保證發(fā)電機出口電壓達(dá)到額定電壓的20%，保證發(fā)電機正常起勵。勵磁調(diào)節(jié)器在發(fā)電機出口電壓大于10%時即自動退出起勵變壓器。因為剩磁可以使出口電壓達(dá)到額定電壓1%左右，因此極性對調(diào)前為兩者相加大于20%，對調(diào)后為兩者相減(只有第一次勵磁時)小于20%，遠(yuǎn)大于10%，因此可以保證對調(diào)后第一次起勵時，發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器正常工作，勵磁變可靠投入。

(2)對調(diào)方法

調(diào)換極性應(yīng)該在MK后調(diào)換，最好在分流器后，這樣調(diào)換后，對測量表計不用做極性調(diào)換，在整流柜直流母線輸出與直流共箱母線連接處一般為軟連接，在此處改造比較合適，具體改造方法為:將原來的TMY-3(160×10)進行換向改造，詳見圖3，進行交叉連接，即可完成極性對調(diào)。

圖3 極性對調(diào)原理圖

3 結(jié)論

通過上述分析介紹，說明發(fā)電機轉(zhuǎn)子極性對調(diào)是可行的和必需的，對提高發(fā)電機運行可靠性和延長滑環(huán)的使用壽命均有實際意義，但是對于改造來說還是帶來一定的麻煩，最好的辦法就是在訂貨時，就提出要求直流母線輸出極性可以進行互換，直接將這個問題在設(shè)備訂貨時就解決。

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