600MW发电机转子极性对调的可行性及实现方法

毛 华

(大唐三门峡发电有限责任公司，河南 三门峡 472000)

现代大参数、大机组发电机已成为主流趋势，发电机的励磁电流越来越大，随之而来的是发电机的滑环不均匀磨损问题越来越突出，已发生滑环着火等事故在国内也多次发生，给企业造成巨大经济损失，为此本文以600MW发电机发电机滑环的不均匀磨损进行系统的理论分析，并提出了解决方法。

1 问题的提出

发电机发电就是利用电磁感应原理产生，即当闭合线圈与磁力线相对运动切割磁力线时，在线圈中会产生电流，如图1所示，一个闭合的线圈、一个磁场、输出电流的滑环，发电机组容量不断增大，使发电机需要输出非常大的电流，滑环无法承受，因此将发电机定子作为线圈，转子作为磁场，并由可调的直流电流通过滑环以调节磁场的大小。目前600MW机组励磁电流高为4128A，通过滑环和碳刷、刷握到转子线圈，将旋转的电流和静止的电流相连，存在静止部分和旋转部分，这两部分之间必然存在磨损问题，既有电气作用，也有机械作用，若维护不当，使得电刷快速磨损，滑环严重发热，电刷电流不均匀，恶性循环，直接导致机组非计划停运或事故发生。

(1)机械作用使碳刷与滑环间的机械磨损

发电机运行中，高速旋转滑环表面与静止碳刷相对运动，在碳刷表面与滑环表面将会由于摩擦而磨损，正常时碳刷颗粒较小并且较软，滑环逐渐形成亮滑的镜面，碳刷的表面磨损光滑，滑环表面氧化膜建立在良好状态，但如果碳刷由于生产质量不好或者工艺问题，造成颗粒粗大并且坚硬，或者电话电流分布不均，那么在滑环表面将会造成划伤，或者滑环表面会局部温差偏大，使滑环表面形成纹路，碳刷本身也会出现颗粒脱落，继而加深滑环表面的纹道，会使两者之间的磨损迅速增加，久而久之，滑环表面氧化膜遭到破坏，使得滑环越磨越粗糙。

(2)电气作用引起的磨损

滑环的作用是将外部直流电流引入到发电机转子线圈，发电机运行中转子连续旋转，固定在刷架上的碳刷将与滑环圆周方向不断变化，那么碳刷与滑环之间直接传导的部位也是在不断变化，在接触部位的碳刷表面和滑环表面电流密度将会很大，接触部位温度将会很高，在高温的作用下，又会使碳刷和滑环接触面局部出现熔化、脱落，金属表面也会形成金属蒸汽，因为两个滑环一个为正极为电流流进，另一个为电流流出，则两个极滑环表面的磨损情况也不一样。在高温、电弧作用下，正极滑环表面局部受高温作用而蒸产出“金属蒸汽”，使正极滑环表面表面损蚀，负极由于受到正离子撞击和高温作用大量发射电子，使负极滑环表面遭受破坏，产生“阴极粉化”。同理在正负极碳刷表面形成的磨损也是不同的。

从长期跟踪发电机电刷、滑环磨损程度来看，发现碳刷接到正极时，碳刷电气磨损严重，机械磨损轻微，滑环的电气磨损和机械磨损都轻微;当碳刷接到负极时，碳刷电气磨损轻微，机械磨损将会很大，滑环的电气磨损、机械磨损都严重;这样长期的结果将会造成正极碳刷频繁更换、负极上的滑环表面将会磨损很快，造成滑环使用寿面缩短;而发电机一年内只有一次停运检修机会，若不及时对到滑环正负极调换，势必引起滑环磨损不平衡，而要正负极滑环采取同时更换，这势必造成材料上的浪费，不可取，为此定期对发电机两个滑环来的正负极进行调换，以消除对滑环磨损伤害尤为重要。

2 解决办法

为了使碳刷和滑环正、负极在一段时间内磨损均匀一些，只用定期对正、负极极性定期对调即可保证，从而使得正、负极环磨损相对均匀，能够延长滑环使用寿命，同时使正、负极碳刷磨损速度一致，从而保证机组运行安全。

(1)对调的可行性

发电机转子正负极对调后，对发电机是否产生影响，从如下几方面阐述。

一是对调后对相序的影响。发电机输出的相序与发电机定子线圈空间布置和汽轮机转动方向有关，由于发电机定子线圈空间位置固定，并未因为改变转子极性而改变，汽轮机的转动方向也未改变，因此，改变转子极性后，不会影响发电机输出的相序变化。

二是对调后对输出电压的影响。如图1所示，其输出三相电压波形A相起始时刻为正过零时刻，极性对调后，输出三相电压波形A相起始时刻为负过零时刻，三相交流电其工作过程是交变的，因此过零时刻的作为位置不会影响输出电压，因此转子极性调换改后，对输出电压无影响。

图1 极性对调前调后工作原理图和输出波形(左为调前，右为调后)

三是对调后转子剩磁对发电机起励的影响。根据铁磁材料磁化曲线，当铁芯外加磁场消失后，铁芯仍然存在剩余磁感应强度Br，如图2，极性对调前，外加磁场为正方向，磁化曲线工作在第一象限，当极性对调后，外加磁场反向，磁化曲线工作在第三象限，因此改变极性后，第一次起励时，反向的励磁电流产生的磁场需要克服第一象限剩余磁场Br的强度，才能使磁化曲线进入到第三象限，其最小值为矫顽力Hc，大于此值后，B进入第三象限，正常励磁，停机后剩余磁场为-Br，以后再励磁，就是第三象限了，除非再次倒换极性。

图2 转子铁芯磁化曲线

四是对调后对起励电压的影响。自并励发电机都有一个与直流系统并联的单相、全桥不可控整流的起励变压器，这个起励变压器可以保证发电机出口电压达到额定电压的20%，保证发电机正常起励。励磁调节器在发电机出口电压大于10%时即自动退出起励变压器。因为剩磁可以使出口电压达到额定电压1%左右，因此极性对调前为两者相加大于20%，对调后为两者相减(只有第一次励磁时)小于20%，远大于10%，因此可以保证对调后第一次起励时，发电机励磁调节器正常工作，励磁变可靠投入。

(2)对调方法

调换极性应该在MK后调换，最好在分流器后，这样调换后，对测量表计不用做极性调换，在整流柜直流母线输出与直流共箱母线连接处一般为软连接，在此处改造比较合适，具体改造方法为:将原来的TMY-3(160×10)进行换向改造，详见图3，进行交叉连接，即可完成极性对调。

图3 极性对调原理图

3 结论

通过上述分析介绍，说明发电机转子极性对调是可行的和必需的，对提高发电机运行可靠性和延长滑环的使用寿命均有实际意义，但是对于改造来说还是带来一定的麻烦，最好的办法就是在订货时，就提出要求直流母线输出极性可以进行互换，直接将这个问题在设备订货时就解决。

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