濕電流在無刷勵磁發電機轉子電壓回路中的應用

摘要：介紹了現今無刷勵磁發電機轉子電壓測量的常用方法和原理，分析多臺無刷勵磁發電機轉子電壓測量和接地故障檢測不準的原因，判斷測量滑環與碳刷之間產生的氣墊現象和氧化膜增大了接觸電阻，從而導致轉子電壓回路不通。提出在滑環與碳刷接觸面通過連續濕電流，消除氣膜和氧化膜的影響，保證滑環與碳刷之間可靠導通。

關鍵詞：無刷勵磁 滑環 碳刷 氣墊現象 氧化膜 濕電流

引言

無刷勵磁系統取消了勵磁用的碳刷、滑環、整流子，消除了電弧、碳粉、銅沫對發電機的危害，可長期運行無需維護，運行可靠性大大提高，所以已經成為發電機常用的勵磁方式，也是發電機勵磁技術的重要發展方向。但它同時也存在一些技術難題，其中之一就是發電機轉子電壓的測量和轉子接地保護問題[1]。某一發電機廠生產的多臺無刷勵磁發電機出現了轉子電壓測量不準并引起轉子接地保護異常甚至誤動，本文對該問題進行分析，提出施加濕電流的解決辦法和對策。

1.轉子電壓測量的方法和原理

發電機轉子的絕緣電阻檢測、接地保護和溫度測算都需要測量轉子的電壓，對于無刷勵磁系統，因為轉子勵磁回路隨著發電機旋轉，所以轉子電壓的測量比較困難，不能直接從靜態的位置獲取，現在最常見的方法是在發電機勵磁端配置一套與發電機同軸旋轉的測量滑環裝置，通過碳刷與正、負極滑環接觸將轉子的電壓引出，再接到轉子測量和保護裝置。由于該回路只供測量轉子電壓和檢測轉子接地故障使用，所以電流很小，滑環和碳刷不存在打火問題，并且碳刷數量不多，尺寸也可以做得較小，產生的碳粉也很少。因此，該方法具有簡單安全、維護量少的優點。

另外一種方法是在發電機轉軸上安裝一套隨著發電機旋轉的紅外線轉子電壓測量裝置，將轉子電壓信號進行編碼，經紅外線發送到靜止的紅外線接收裝置，再由接收裝置解碼并轉換為其它裝置可用的信號。雖然這種裝置實現了不接觸式的測量，但發電機轉子接地故障檢測和保護裝置通常采用乒乓式原理，必須采用接觸式的接線對轉子回路進行檢測，所以紅外線這類非接觸式的轉子電壓測量裝置無法滿足轉子接地故障檢測和保護的要求。[2]

2.測量碳刷裝置實際運行中出現的問題

實踐表明，無刷勵磁發電機轉子電壓測量碳刷接觸弧面經研磨處理后，起初測出的轉子電壓正常，但經過一段時間（幾天或幾周）后，從碳刷引出的轉子電壓出現波動，并逐漸變小，繼而導致轉子保護裝置測量的絕緣電阻變小，甚至發出接地故障信號或轉子電壓回路斷線報警。檢查碳刷和刷握裝置，均為正常。停機后用萬用表進行測量碳刷和滑環的接觸電阻，出現不穩定的結果，有時接觸電阻不到1歐，有時卻上千歐。經過多次處理和觀察發現，碳刷接觸弧面在運行中變得越光滑，測量的轉子電壓就越小，停機后測出的接觸電阻也越大。

經過反復試驗和檢查，排除了滑環和碳刷之間接觸不良的常見原因：電刷卡澀、電刷牌號或質量不適宜、刷握彈簧壓力太小等，最后認為是由于氣墊現象和接觸面形成了氧化膜兩個原因造成。

3.氣墊現象分析

碳刷接觸弧面和滑環之間作高速相對滑動時，由于碳刷在刷盒內會有輕微晃動，因而碳刷弧面半徑略大于滑環弧面，在接觸面的滑入和滑出兩端形成楔形空間。如圖1所示，發電機在高速旋轉時，粘附于滑環表面上且隨之高速旋轉的空氣層進入滑入端楔形空間，對碳刷產生一個向上的揚力；而在接觸面滑出端的楔形空間，空氣同樣會粘附于滑環上被帶走，對碳刷的弧面造成氣吸現象，使碳刷受到一個向下的吸力。[3]

由于碳刷兩端受到了方向相反的兩個力的作用，且兩個力不在一條直線上，因而對碳刷產生轉動的力矩，使碳刷在刷握里出現歪斜，導致接觸面滑入端的楔形空間變大，滑出端的楔形空間則變小。這種情況下，向上的揚力大于向下的吸力，當差值大到克服彈簧壓力和電刷重力時，碳刷便會被被滑環帶入的空氣托起，在碳刷弧面與滑環之間形成一層很薄的氣膜，阻止滑環與碳刷之間的導電。

這種氣墊現象會受到接觸面光潔度的影響，表面越光滑，氣膜越容易形成，所以，無刷勵磁發電機轉子電壓測量碳刷經過一段時間的運行后，接觸弧面變得非常光滑，為氣墊現象創造了有利的條件。此外，電擊穿會破壞氣膜的形成，氣膜存在一個最低導通的電流值，即濕電流，當通過的電流大于濕電流值時，氣膜被擊穿，成導電狀態；而如果導通后電流小于濕電流，氣膜便不能被擊穿，處于絕緣狀態。對于靜態勵磁系統，通過碳刷的勵磁電流較大，碳刷與滑環之間很難形成穩定的氣膜，然而在無刷勵磁發電機上，情況則不一樣，因為碳刷的作用只是測量轉子電壓，通過的電流很小，不足以擊穿氣膜，所以氣墊現象便會發生。[4]

4.氧化膜的形成和導電性能

碳刷在運行一段時間后，滑環和碳刷接觸面上會形成一層氧化膜，氧化膜會讓接觸面更光滑，碳刷的磨耗變慢。但接觸面上氧化膜同空氣薄膜一樣存在一個濕電流，對于靜態勵磁系統，碳刷表面形成適當的氧化膜，勵磁電流大于其濕電流，氧化膜成導電狀態，并對碳刷運行有正面的作用。但對于無刷勵磁發電機，測量滑環及碳刷接觸面通過的電流很小，達不到氧化膜的濕電流數值，氧化膜阻止導電，導致接觸不良。

5.解決方案

從上面的分析可以看出，對于無刷勵磁系統，測量滑環與碳刷之間接觸不良的原因是轉子電壓測量回路通過的電流太小，達不到接觸面運行一段時間后形成的氣膜和氧化膜的最低導通電流，也稱為接觸面濕電流。要克服這個問題，可以在正、負極測量滑環上分別安裝兩只測量碳刷，每極的兩只碳刷之間串接一個碳刷濕電流電源裝置[5]，如圖2所示。發電機啟動過程中，當轉速達到一定數值時，濕電流電源裝置開始在每極兩只碳刷之間連續施加一定數值的恒定電流，該電流大于滑環與碳刷接觸面的最小導通值，消除氣膜和氧化膜的絕緣作用，使碳刷與滑環之間可靠接觸。

圖2 無刷勵磁發電機轉子電壓回路示意圖

Fig. 2 Rotor Voltage Circuit of Brushless Generator

為了防止施加的濕電流進入其它裝置，每極有一只碳刷空置，除了與濕電流源裝置外，不與外部其它裝置連接。此外，由于碳刷與滑環接觸面的最低導通值一般并不大，施加的濕電流通常在10-20A，所以并不會在滑環處產生危害性的火花。

結語：

無刷勵磁發電機滑環與碳刷接觸面形成氣膜（氣墊現象）和氧化膜，導致接觸電阻過大，影響轉子電壓測量和接地故障檢測。為此，可在每極滑環上設置兩只碳刷，并在兩只碳刷之間施加一個持續的濕電流，使滑環和碳刷一直處于良好的接觸狀態，消除氣墊現象和氧化膜的影響。該方法簡單可靠，可以很好地解決無刷勵磁系統轉子電壓回路運行中經常出現的接觸不良問題，值得推廣。

參考文獻：

[1]普朝文，無刷化是發電機勵磁技術發展的方向，云南水力發電，2006，22（5）： 83-86

PU Chao-wen. Brushless Excitation System Is The Developing Orientation of Generator Excitation Technology. Yunnan Hydropower. 2006， 22（5）： 83-86

[2]郭光榮，發電機轉子勵磁繞組接地保護，電力系統自動化，2003，27（20）： 73-76.

GUO Guang-rong. The Earth Fault Protection for Generator Rotor Field Coil. Automation of Electric Power Systems. 2003，27（20）： 73-76.

[3]趙常華，氣墊現象引起勵磁機滑環冒火的分析與處理，天津電力技術，2002（4）： 42-43

ZHAO Chang-hua. Analysis and Solution of Arc on Exciter Slip Ring， Tianjin Electric Power Technology. 2002（4）： 42-43.

[4]唐興祚，高電壓技術（第二版），重慶：重慶大學出版社，2003

TANG Xing-zuo. High Voltage Technology （Version 2）. Chongqing： Chongqing University Press， 2003

[5]楊菊元，伍政團，無刷勵磁系統及勵磁控制系統原理分析與應用，電力系統自動化，1998，22（11）： 74-78.

YANG Ju-yuan， WU Zheng-tuan. Analysis and Application of Brushless Excitation System and Excitation Control System. Automation of Electric Power Systems.1998， 22（11）： 74-78.

作者簡介：

馬野兵（1978-，男，工程師，主要研究方向：發電廠和變配電保護及控制的工程應用。