600MW發電機轉子極性對調的可行性及實現方法

毛 華

(大唐三門峽發電有限責任公司，河南 三門峽 472000)

現代大參數、大機組發電機已成為主流趨勢，發電機的勵磁電流越來越大，隨之而來的是發電機的滑環不均勻磨損問題越來越突出，已發生滑環著火等事故在國內也多次發生，給企業造成巨大經濟損失，為此本文以600MW發電機發電機滑環的不均勻磨損進行系統的理論分析，并提出了解決方法。

1 問題的提出

發電機發電就是利用電磁感應原理產生，即當閉合線圈與磁力線相對運動切割磁力線時，在線圈中會產生電流，如圖1所示，一個閉合的線圈、一個磁場、輸出電流的滑環，發電機組容量不斷增大，使發電機需要輸出非常大的電流，滑環無法承受，因此將發電機定子作為線圈，轉子作為磁場，并由可調的直流電流通過滑環以調節磁場的大小。目前600MW機組勵磁電流高為4128A，通過滑環和碳刷、刷握到轉子線圈，將旋轉的電流和靜止的電流相連，存在靜止部分和旋轉部分，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，使得電刷快速磨損，滑環嚴重發熱，電刷電流不均勻，惡性循環，直接導致機組非計劃停運或事故發生。

(1)機械作用使碳刷與滑環間的機械磨損

發電機運行中，高速旋轉滑環表面與靜止碳刷相對運動，在碳刷表面與滑環表面將會由于摩擦而磨損，正常時碳刷顆粒較小并且較軟，滑環逐漸形成亮滑的鏡面，碳刷的表面磨損光滑，滑環表面氧化膜建立在良好狀態，但如果碳刷由于生產質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，那么在滑環表面將會造成劃傷，或者滑環表面會局部溫差偏大，使滑環表面形成紋路，碳刷本身也會出現顆粒脫落，繼而加深滑環表面的紋道，會使兩者之間的磨損迅速增加，久而久之，滑環表面氧化膜遭到破壞，使得滑環越磨越粗糙。

(2)電氣作用引起的磨損

滑環的作用是將外部直流電流引入到發電機轉子線圈，發電機運行中轉子連續旋轉，固定在刷架上的碳刷將與滑環圓周方向不斷變化，那么碳刷與滑環之間直接傳導的部位也是在不斷變化，在接觸部位的碳刷表面和滑環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，又會使碳刷和滑環接觸面局部出現熔化、脫落，金屬表面也會形成金屬蒸汽，因為兩個滑環一個為正極為電流流進，另一個為電流流出，則兩個極滑環表面的磨損情況也不一樣。在高溫、電弧作用下，正極滑環表面局部受高溫作用而蒸產出“金屬蒸汽”，使正極滑環表面表面損蝕，負極由于受到正離子撞擊和高溫作用大量發射電子，使負極滑環表面遭受破壞，產生“陰極粉化”。同理在正負極碳刷表面形成的磨損也是不同的。

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

2 解決辦法

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

(1)對調的可行性

發電機轉子正負極對調后，對發電機是否產生影響，從如下幾方面闡述。

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

二是對調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，極性對調后，輸出三相電壓波形A相起始時刻為負過零時刻，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，因此轉子極性調換改后，對輸出電壓無影響。

圖1 極性對調前調后工作原理圖和輸出波形(左為調前，右為調后)

三是對調后轉子剩磁對發電機起勵的影響。根據鐵磁材料磁化曲線，當鐵芯外加磁場消失后，鐵芯仍然存在剩余磁感應強度Br，如圖2，極性對調前，外加磁場為正方向，磁化曲線工作在第一象限，當極性對調后，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 轉子鐵芯磁化曲線

四是對調后對起勵電壓的影響。自并勵發電機都有一個與直流系統并聯的單相、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電機出口電壓達到額定電壓的20%，保證發電機正常起勵。勵磁調節器在發電機出口電壓大于10%時即自動退出起勵變壓器。因為剩磁可以使出口電壓達到額定電壓1%左右，因此極性對調前為兩者相加大于20%，對調后為兩者相減(只有第一次勵磁時)小于20%，遠大于10%，因此可以保證對調后第一次起勵時，發電機勵磁調節器正常工作，勵磁變可靠投入。

(2)對調方法

調換極性應該在MK后調換，最好在分流器后，這樣調換后，對測量表計不用做極性調換，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。

圖3 極性對調原理圖

3 結論

通過上述分析介紹，說明發電機轉子極性對調是可行的和必需的，對提高發電機運行可靠性和延長滑環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備訂貨時就解決。

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