600MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子極性對(duì)調(diào)的可行性及實(shí)現(xiàn)方法

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(jī)組發(fā)電機(jī)已成為主流趨勢(shì)，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流越來越大，隨之而來的是發(fā)電機(jī)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(guó)內(nèi)也多次發(fā)生，給企業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，為此本文以600MW發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)滑環(huán)的不均勻磨損進(jìn)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(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，在線圈中會(huì)產(chǎn)生電流，如圖1所示，一個(gè)閉合的線圈、一個(gè)磁場(chǎng)、輸出電流的滑環(huán)，發(fā)電機(jī)組容量不斷增大，使發(fā)電機(jī)需要輸出非常大的電流，滑環(huán)無(wú)法承受，因此將發(fā)電機(jī)定子作為線圈，轉(zhuǎn)子作為磁場(chǎng)，并由可調(diào)的直流電流通過滑環(huán)以調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的大小。目前600MW機(jī)組勵(lì)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(jī)械作用，若維護(hù)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(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)或事故發(fā)生。

(1)機(jī)械作用使碳刷與滑環(huán)間的機(jī)械磨損

發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，高速旋轉(zhuǎn)滑環(huán)表面與靜止碳刷相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在碳刷表面與滑環(huán)表面將會(huì)由于摩擦而磨損，正常時(shí)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(jiān)硬，或者電話電流分布不均，那么在滑環(huán)表面將會(huì)造成劃傷，或者滑環(huán)表面會(huì)局部溫差偏大，使滑環(huán)表面形成紋路，碳刷本身也會(huì)出現(xiàn)顆粒脫落，繼而加深滑環(huán)表面的紋道，會(huì)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(jī)轉(zhuǎn)子線圈，發(fā)電機(jī)運(yùn)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(huì)很大，接觸部位溫度將會(huì)很高，在高溫的作用下，又會(huì)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(huì)形成金屬蒸汽，因?yàn)閮蓚€(gè)滑環(huán)一個(gè)為正極為電流流進(jìn)，另一個(gè)為電流流出，則兩個(gè)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(zhǎng)期跟蹤發(fā)電機(jī)電刷、滑環(huán)磨損程度來看，發(fā)現(xiàn)碳刷接到正極時(shí)，碳刷電氣磨損嚴(yán)重，機(jī)械磨損輕微，滑環(huán)的電氣磨損和機(jī)械磨損都輕微;當(dāng)碳刷接到負(fù)極時(shí)，碳刷電氣磨損輕微，機(jī)械磨損將會(huì)很大，滑環(huán)的電氣磨損、機(jī)械磨損都嚴(yán)重;這樣長(zhǎng)期的結(jié)果將會(huì)造成正極碳刷頻繁更換、負(fù)極上的滑環(huán)表面將會(huì)磨損很快，造成滑環(huán)使用壽面縮短;而發(fā)電機(jī)一年內(nèi)只有一次停運(yùn)檢修機(jī)會(huì)，若不及時(shí)對(duì)到滑環(huán)正負(fù)極調(diào)換，勢(shì)必引起滑環(huán)磨損不平衡，而要正負(fù)極滑環(huán)采取同時(shí)更換，這勢(shì)必造成材料上的浪費(fèi)，不可取，為此定期對(duì)發(fā)電機(jī)兩個(gè)滑環(huán)來的正負(fù)極進(jìn)行調(diào)換，以消除對(duì)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(shí)間內(nèi)磨損均勻一些，只用定期對(duì)正、負(fù)極極性定期對(duì)調(diào)即可保證，從而使得正、負(fù)極環(huán)磨損相對(duì)均勻，能夠延長(zhǎng)滑環(huán)使用壽命，同時(shí)使正、負(fù)極碳刷磨損速度一致，從而保證機(jī)組運(yùn)行安全。

(1)對(duì)調(diào)的可行性

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正負(fù)極對(duì)調(diào)后，對(duì)發(fā)電機(jī)是否產(chǎn)生影響，從如下幾方面闡述。

一是對(duì)調(diào)后對(duì)相序的影響。發(fā)電機(jī)輸出的相序與發(fā)電機(jī)定子線圈空間布置和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)，由于發(fā)電機(jī)定子線圈空間位置固定，并未因?yàn)楦淖冝D(zhuǎn)子極性而改變，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向也未改變，因此，改變轉(zhuǎn)子極性后，不會(huì)影響發(fā)電機(jī)輸出的相序變化。

二是對(duì)調(diào)后對(duì)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(shí)刻為正過零時(shí)刻，極性對(duì)調(diào)后，輸出三相電壓波形A相起始時(shí)刻為負(fù)過零時(shí)刻，三相交流電其工作過程是交變的，因此過零時(shí)刻的作為位置不會(huì)影響輸出電壓，因此轉(zhuǎn)子極性調(diào)換改后，對(duì)輸出電壓無(wú)影響。

圖1 極性對(duì)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(duì)調(diào)后轉(zhuǎn)子剩磁對(duì)發(fā)電機(jī)起勵(lì)的影響。根據(jù)鐵磁材料磁化曲線，當(dāng)鐵芯外加磁場(chǎng)消失后，鐵芯仍然存在剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br，如圖2，極性對(duì)調(diào)前，外加磁場(chǎng)為正方向，磁化曲線工作在第一象限，當(dāng)極性對(duì)調(diào)后，外加磁場(chǎng)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(lì)時(shí)，反向的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)需要克服第一象限剩余磁場(chǎng)Br的強(qiáng)度，才能使磁化曲線進(jìn)入到第三象限，其最小值為矯頑力Hc，大于此值后，B進(jìn)入第三象限，正常勵(lì)磁，停機(jī)后剩余磁場(chǎng)為-Br，以后再勵(lì)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(duì)調(diào)后對(duì)起勵(lì)電壓的影響。自并勵(lì)發(fā)電機(jī)都有一個(gè)與直流系統(tǒng)并聯(lián)的單相、全橋不可控整流的起勵(lì)變壓器，這個(gè)起勵(lì)變壓器可以保證發(fā)電機(jī)出口電壓達(dá)到額定電壓的20%，保證發(fā)電機(jī)正常起勵(lì)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在發(fā)電機(jī)出口電壓大于10%時(shí)即自動(dòng)退出起勵(lì)變壓器。因?yàn)槭４趴梢允钩隹陔妷哼_(dá)到額定電壓1%左右，因此極性對(duì)調(diào)前為兩者相加大于20%，對(duì)調(diào)后為兩者相減(只有第一次勵(lì)磁時(shí))小于20%，遠(yuǎn)大于10%，因此可以保證對(duì)調(diào)后第一次起勵(lì)時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器正常工作，勵(lì)磁變可靠投入。

(2)對(duì)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(duì)測(cè)量表計(jì)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(jìn)行換向改造，詳見圖3，進(jìn)行交叉連接，即可完成極性對(duì)調(diào)。

圖3 極性對(duì)調(diào)原理圖

3 結(jié)論

通過上述分析介紹，說明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子極性對(duì)調(diào)是可行的和必需的，對(duì)提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠性和延長(zhǎng)滑環(huán)的使用壽命均有實(shí)際意義，但是對(duì)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(shí)，就提出要求直流母線輸出極性可以進(jìn)行互換，直接將這個(gè)問題在設(shè)備訂貨時(shí)就解決。

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