楊文廣，詹偉芹，王 欣，張 輝，徐 智

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1000MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子測(cè)量碳刷打火問題治理

楊文廣，詹偉芹，王 欣，張 輝，徐 智

（神華廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 臺(tái)山 529228）

針對(duì)國(guó)華臺(tái)山電廠1000MW無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子測(cè)量碳刷打火的問題，本文從電氣和機(jī)械兩方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并闡述了轉(zhuǎn)子滑環(huán)表面電腐蝕的機(jī)理，最后提出相應(yīng)的解決方案。該問題的成功治理不僅避免了發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的安全隱患，而且大大減少了轉(zhuǎn)子測(cè)量碳刷的維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)為同類型發(fā)電機(jī)組的類似問題提供了借鑒。

發(fā)電機(jī)；無(wú)刷勵(lì)磁；測(cè)量碳刷；打火；滑環(huán)

0 前言

國(guó)華臺(tái)山電廠二期工程為2×1000MW超超臨界機(jī)組，發(fā)電機(jī)均為上海發(fā)電機(jī)廠生產(chǎn)，型號(hào)為THDF125/67。勵(lì)磁系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)無(wú)刷勵(lì)磁的他勵(lì)方式，主要由副勵(lì)磁機(jī)、主勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流裝置三大部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-三相副勵(lì)磁機(jī)；2-風(fēng)扇；3-三相主勵(lì)磁機(jī)；4-整流盤

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓通過測(cè)量碳刷和滑環(huán)引出，供給轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置，在PI系統(tǒng)上顯示為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正、負(fù)對(duì)地電壓[1]。正常運(yùn)行情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正負(fù)對(duì)地電壓偏差在3V以內(nèi)，測(cè)量碳刷按照正常磨損速度下的更換周期為60天左右。兩臺(tái)1000MW發(fā)電機(jī)分別在2012年和2013年完成首次檢查性大修，修后投運(yùn)一年相繼出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子測(cè)量碳刷打火的現(xiàn)象。碳刷打火不僅會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正負(fù)對(duì)地電壓偏差增大，而且加快碳刷的磨損速度，同時(shí)會(huì)使滑環(huán)受到嚴(yán)重的電腐蝕灼傷，給機(jī)組的正常運(yùn)行帶來(lái)很大的安全隱患。因此針對(duì)1000MW無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子測(cè)量碳刷打火現(xiàn)象的機(jī)理研究對(duì)于發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大，同時(shí)總結(jié)出的相應(yīng)解決措施對(duì)國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組的類似問題也提供了很好的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 設(shè)備原理概述

1000MW發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)是由三相副勵(lì)磁機(jī)（即永磁機(jī)）、三相主勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流裝置組成的，它們與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子共同旋轉(zhuǎn)。永磁機(jī)定子繞組產(chǎn)生的高頻電源（400Hz三相交流電）由全控整流橋整流成直流，通過自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）自動(dòng)調(diào)節(jié)，向主勵(lì)磁機(jī)定子繞組提供可變直流激磁電流。主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子輸出的中頻交流電（150Hz三相交流電）供給旋轉(zhuǎn)整流裝置，旋轉(zhuǎn)整流器輸出的直流電源送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組直接連至三相橋式全波旋轉(zhuǎn)整流裝置。旋轉(zhuǎn)整流裝置的正負(fù)極通過多接觸連接器直接與主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁[2]。該旋轉(zhuǎn)二極管無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

1-三相副勵(lì)磁機(jī)；2-磁場(chǎng)接地故障檢測(cè)用的滑環(huán)和碳刷；3-交軸測(cè)量線圈；4-三相主勵(lì)磁機(jī)；5-熔絲響應(yīng)監(jiān)視；6-二極管整流裝置；7-三相引線；8-多接觸連接器；9-轉(zhuǎn)子繞組（發(fā)電機(jī)）；10-定子繞組（發(fā)電機(jī)）；11-靜止的熔絲響應(yīng)監(jiān)視圖；12-自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器

2 故障原因分析

國(guó)華臺(tái)山電廠1000MW機(jī)組首次檢查性大修完投運(yùn)1年后，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子測(cè)量碳刷均出現(xiàn)打火現(xiàn)象，如圖3所示。同時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正負(fù)對(duì)地電壓偏差達(dá)到20~30V之間，超過報(bào)警值25V。測(cè)量碳刷更換周期由正常情況下的60天縮短至20天，嚴(yán)重時(shí)7天更換一次碳刷，大大增加了碳刷的維護(hù)費(fèi)用。碳刷打火還會(huì)使滑環(huán)表面電灼傷，進(jìn)而加劇滑環(huán)的磨損，滑環(huán)的磨損又會(huì)引起碳刷的振動(dòng)增大，碳刷振動(dòng)越嚴(yán)重，與滑環(huán)的接觸越不良，從而又加劇了打火現(xiàn)象，因此形成了惡性循環(huán)，最終將導(dǎo)致滑環(huán)表面的嚴(yán)重?fù)p壞，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子測(cè)量滑環(huán)表面嚴(yán)重磨損情況如圖4所示。由圖可見，正極測(cè)量滑環(huán)表面磨損嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)很深的磨痕，停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)沿圓周方向均勻分布18個(gè)，深160um，寬11mm溝狀的磨損痕跡磨損區(qū)域，呈不連續(xù)間斷性、均勻分布的現(xiàn)象。

圖3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子測(cè)量碳刷打火現(xiàn)象

圖4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子測(cè)量滑環(huán)表面嚴(yán)重磨損情況

針對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子測(cè)量碳刷打火現(xiàn)象，可以從機(jī)械和電氣兩個(gè)方面分析其機(jī)理。測(cè)量滑環(huán)和碳刷的磨損有兩種：一種是純機(jī)械磨損；一種是在電流作用下的電氣磨損和機(jī)械磨損。

純機(jī)械磨損是由于碳刷和滑環(huán)表面相接觸，碳刷在彈簧壓力作用和材料的彈性變形下，使直接接觸部分相互嵌入。發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，會(huì)由于摩擦作用形成磨損。如果碳刷顆粒細(xì)軟，碳粉易被沾在滑環(huán)表面，使滑環(huán)成為石墨鏡面，碳刷的磨面也很光滑，兩者的機(jī)械磨損都較小。但如果碳刷的質(zhì)量不好，顆粒粗硬，甚至含有少數(shù)金剛砂之類的硬度顆粒，則會(huì)對(duì)滑環(huán)表面進(jìn)行刮割，使滑環(huán)出現(xiàn)金屬光澤或紋路。碳刷本身磨面也會(huì)出現(xiàn)顆粒脫落后劃出的紋道，就會(huì)使機(jī)械磨損大大增加。

在電流作用下，就會(huì)存在機(jī)械磨損和電氣磨損。電氣磨損是因電弧高溫和放電等因素的作用使材料受到損壞的情況。而由于電氣磨損影響極大，所以也會(huì)加劇機(jī)械磨損的程度。但是碳刷和滑環(huán)由于電流方向不同會(huì)出現(xiàn)極性差別，極性不同，磨損情況也不一樣。當(dāng)碳刷為正極時(shí)，碳刷電氣磨損大，機(jī)械磨損輕微，滑環(huán)的電氣磨損和機(jī)械磨損都很小；當(dāng)碳刷為負(fù)極時(shí)，碳刷電氣磨損小，機(jī)械磨損大，滑環(huán)的電氣磨損和機(jī)械磨損都很大[3-5]。

碳刷打火導(dǎo)致滑環(huán)表面嚴(yán)重磨損的因素包括電氣因素和機(jī)械因素，是兩者共同作用的結(jié)果。

2.1 電氣因素

根據(jù)整流原理（見圖2旋轉(zhuǎn)二極管無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)示意圖），在三相橋式全波整流電路中，當(dāng)負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)（發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于電感元件），在整流元件自然切換過程中由于電感中的磁場(chǎng)能量瞬時(shí)轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能量，造成整流元件兩端的電壓瞬時(shí)上升，并與直流輸出電壓疊加，從而形成一個(gè)尖峰脈沖，脈沖的幅值可達(dá)到正常電壓的2.5~4.5倍[6-7]。圖5為錄波器錄取的勵(lì)磁電壓波形，對(duì)于3000r/min的2極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率為50Hz，而主勵(lì)磁機(jī)輸出電壓頻率為150Hz，經(jīng)三相橋式全波旋轉(zhuǎn)整流，每個(gè)周波存在6個(gè)脈沖波頭，所以在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周為20ms內(nèi)，勵(lì)磁機(jī)輸出3個(gè)周波，出現(xiàn)18個(gè)尖峰脈沖，如圖5所示。因此造成滑環(huán)表面18個(gè)均勻磨痕的直接原因是經(jīng)過三相橋式整流的電壓含有高頻尖峰脈沖所致。

圖5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓輸出波形

2.2 機(jī)械因素

從機(jī)械因素方面分析碳刷打火現(xiàn)象可以總結(jié)為以下三點(diǎn)：

（1）轉(zhuǎn)子測(cè)量碳刷與滑環(huán)表面接觸不良。其中導(dǎo)致測(cè)量碳刷與滑環(huán)表面接觸不好的可能原因有：碳刷與刷握卡澀；勵(lì)磁機(jī)端部的振動(dòng)；刷握內(nèi)的彈簧壓力不合適等。合適的彈簧壓力源于電氣和機(jī)械兩個(gè)方面綜合考慮的結(jié)果，由于兩者是自相矛盾的，因此合適的壓力通常是一種折中的結(jié)果。彈簧壓力過低會(huì)導(dǎo)致碳刷與滑環(huán)的電氣損耗增加，機(jī)械振動(dòng)增大，從而導(dǎo)致產(chǎn)生電火花，加速碳刷的磨損；而彈簧壓力過高會(huì)導(dǎo)致機(jī)械損耗增加，碳刷過熱，也同樣會(huì)使碳刷磨損增大[8-9]。另外，碳刷正常運(yùn)行中與滑環(huán)之間會(huì)形成一層氧化膜，這層氧化膜運(yùn)行中不斷磨損，不斷產(chǎn)生，該氧化膜的存在起到了減小摩擦的作用，能減小碳刷與滑環(huán)之間的滑動(dòng)摩擦。氧化膜在一定溫度、濕度、氧氣下才能形成；若溫度過高、空氣太濕或太干、滑環(huán)表面光潔度不良以及碳刷材質(zhì)不良等因素都破壞或影響氧化膜的形成。如果氧化膜被破壞或者沒有形成，則碳刷與滑環(huán)摩擦力較大，導(dǎo)致溫度升高，碳刷磨損加劇，也會(huì)導(dǎo)致碳刷打火[8-9]。另外，測(cè)量碳刷與滑環(huán)表面的間隙不均勻也是導(dǎo)致兩者接觸不良的一個(gè)重要原因。根據(jù)發(fā)電機(jī)廠家圖紙要求，碳刷刷握與滑環(huán)的間隙為2.5mm。

（2）碳刷型號(hào)選擇不當(dāng)。測(cè)量碳刷型號(hào)決定于碳刷的材質(zhì)。目前，國(guó)內(nèi)1000MW發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子測(cè)量碳刷均為銀碳雙層接觸碳刷，銀層主要是導(dǎo)電作用，碳層主要起到潤(rùn)滑作用。在碳刷型號(hào)的選擇方面要考慮銀層含銀量，一般在50%~80%之間比較合適，而碳層選用天然軟石墨較為合適，因?yàn)槠滟|(zhì)地軟，氣孔率高，污染物很容易吸附在碳刷上。同時(shí)還要考慮銀層和碳層的密度、允許線速度、接觸電壓降等因素[10-13]。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，碳刷型號(hào)選取AG20/LFC554、AG50/EG5U和S13/F19均比較適用。

（3）滑環(huán)表面有積粉或油污等污染物。如各種有機(jī)或無(wú)機(jī)的液體或糊狀物、油脂、油性或水性溶液等。這些污染物可能改變碳刷的機(jī)械和電氣特性，從而增加碳刷與滑環(huán)的摩擦及機(jī)械磨損。此外，污染物還可能導(dǎo)致碳刷運(yùn)行時(shí)過熱、電流分布不均勻，甚至可能造成碳刷卡在刷握內(nèi)[14-15]。

綜上所述，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子測(cè)量碳刷的打火現(xiàn)象直接源于機(jī)械方面的影響因素，然后加之電氣方面的因素而導(dǎo)致了滑環(huán)的嚴(yán)重磨損現(xiàn)象。在正常情況下，即碳刷與滑環(huán)表面接觸良好并且不具備打火條件時(shí)，三相橋式整流的電壓中含有的高頻尖峰脈沖對(duì)于滑環(huán)表面是不會(huì)產(chǎn)生電腐蝕的，因此只需解決機(jī)械方面的影響因素，消除火花產(chǎn)生的條件，即可避免因碳刷打火導(dǎo)致的滑環(huán)磨損現(xiàn)象。

3 解決方案

經(jīng)過反復(fù)嘗試與探索，國(guó)華臺(tái)電1000MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子測(cè)量碳刷的打火現(xiàn)象已基本上消除，同時(shí)總結(jié)出以下四點(diǎn)處理方法：

（1）調(diào)整電刷彈簧壓力。碳刷的最大容忍壓力取決于材質(zhì)的硬度，所有軟質(zhì)或易碎碳刷均不可在高彈簧壓力下使用（即高于225kPa）。因此合適的彈簧壓力可使火花減小到最微弱狀態(tài)，建議彈簧壓力調(diào)整為150kPa~180kPa。

（2）對(duì)測(cè)量滑環(huán)表面進(jìn)行清理，改善其周圍的環(huán)境，減少粉塵、油污等污染物。

（3）碳刷安裝前進(jìn)行預(yù)磨，預(yù)磨碳刷的目的是使碳刷和滑環(huán)表面之間準(zhǔn)確配合，保證各個(gè)碳刷之間的電流負(fù)載分配均勻，有助于更快地建立氧化膜。

（4）如果測(cè)量碳刷與滑環(huán)摩擦的工作面磨損嚴(yán)重，可將轉(zhuǎn)子測(cè)量碳刷刷架沿軸向移動(dòng)一定距離，即更換工作面；如果磨損痕跡不嚴(yán)重則無(wú)需更換。

4 結(jié)論

據(jù)了解，國(guó)內(nèi)1000MW無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子測(cè)量碳刷打火現(xiàn)象非常普遍，該問題嚴(yán)重影響了發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此國(guó)華臺(tái)山電廠對(duì)該問題的深入研究和探索不僅詳細(xì)闡明了測(cè)量碳刷打火現(xiàn)象的機(jī)理，而且提出的解決方案行之有效，能夠完全解決碳刷打火問題，徹底消除了發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全隱患，同時(shí)對(duì)于同類型機(jī)組的類似問題有非常重大的借鑒意義。

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Governance of the Sparking Problem of Rotor Measuring Brush of 1000MW Generator

YANG Wenguang, ZHAN Weiqin, WANG Xin, ZHANG Hui, XU Zhi

(Shenhua Guangdong Guohua Yuedian Taishan Power Generation Co., Ltd., Taishan 529228, China)

The sparking problem of rotor measuring brush of the 1000MW brushless excitation generator in Guohua Taishan Power is analyzed in details from electrical and mechanical aspects. And the corrosion mechanism of the rotor slip-ring surface is expounded. Finally the corresponding solutions is put forward. The successful management of the problem not only avoid the potential safetythreat in the generator operation, but also provided referance to solve the similar problems of the same kind of generating set.

generator; brushless excitation; measuring brush; sparking; slip-ring

TM303.3

A

1000-3983(2017)06-0074-04

2016-12-10

楊文廣（1986-），2012年畢業(yè)于東北電力大學(xué)，現(xiàn)從事電氣一次專業(yè)，碩士，工程師。