1000MW發電機轉子測量碳刷打火問題治理

楊文廣，詹偉芹，王 欣，張 輝，徐 智

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1000MW發電機轉子測量碳刷打火問題治理

楊文廣，詹偉芹，王 欣，張 輝，徐 智

（神華廣東國華粵電臺山發電有限公司，廣東 臺山 529228）

針對國華臺山電廠1000MW無刷勵磁發電機轉子測量碳刷打火的問題，本文從電氣和機械兩方面進行了詳細的分析，并闡述了轉子滑環表面電腐蝕的機理，最后提出相應的解決方案。該問題的成功治理不僅避免了發電機運行中的安全隱患，而且大大減少了轉子測量碳刷的維護費用，同時為同類型發電機組的類似問題提供了借鑒。

發電機；無刷勵磁；測量碳刷；打火；滑環

0 前言

國華臺山電廠二期工程為2×1000MW超超臨界機組，發電機均為上海發電機廠生產，型號為THDF125/67。勵磁系統采用旋轉無刷勵磁的他勵方式，主要由副勵磁機、主勵磁機和旋轉整流裝置三大部件組成，其結構如圖1所示。

1-三相副勵磁機；2-風扇；3-三相主勵磁機；4-整流盤

發電機轉子電壓通過測量碳刷和滑環引出，供給轉子接地保護裝置，在PI系統上顯示為發電機轉子正、負對地電壓[1]。正常運行情況下，發電機轉子正負對地電壓偏差在3V以內，測量碳刷按照正常磨損速度下的更換周期為60天左右。兩臺1000MW發電機分別在2012年和2013年完成首次檢查性大修，修后投運一年相繼出現了轉子測量碳刷打火的現象。碳刷打火不僅會導致發電機轉子正負對地電壓偏差增大，而且加快碳刷的磨損速度，同時會使滑環受到嚴重的電腐蝕灼傷，給機組的正常運行帶來很大的安全隱患。因此針對1000MW無刷勵磁發電機轉子測量碳刷打火現象的機理研究對于發電機的安全穩定運行意義重大，同時總結出的相應解決措施對國內同類型機組的類似問題也提供了很好的借鑒經驗。

1 設備原理概述

1000MW發電機旋轉無刷勵磁系統是由三相副勵磁機（即永磁機）、三相主勵磁機和旋轉整流裝置組成的，它們與發電機轉子共同旋轉。永磁機定子繞組產生的高頻電源（400Hz三相交流電）由全控整流橋整流成直流，通過自動電壓調節器（AVR）自動調節，向主勵磁機定子繞組提供可變直流激磁電流。主勵磁機轉子輸出的中頻交流電（150Hz三相交流電）供給旋轉整流裝置，旋轉整流器輸出的直流電源送至發電機轉子的勵磁繞組。勵磁機轉子繞組直接連至三相橋式全波旋轉整流裝置。旋轉整流裝置的正負極通過多接觸連接器直接與主發電機轉子連接，供給發電機勵磁[2]。該旋轉二極管無刷勵磁系統示意圖如圖2所示。

1-三相副勵磁機；2-磁場接地故障檢測用的滑環和碳刷；3-交軸測量線圈；4-三相主勵磁機；5-熔絲響應監視；6-二極管整流裝置；7-三相引線；8-多接觸連接器；9-轉子繞組（發電機）；10-定子繞組（發電機）；11-靜止的熔絲響應監視圖；12-自動電壓調節器

2 故障原因分析

國華臺山電廠1000MW機組首次檢查性大修完投運1年后，兩臺發電機的轉子測量碳刷均出現打火現象，如圖3所示。同時，發電機轉子正負對地電壓偏差達到20~30V之間，超過報警值25V。測量碳刷更換周期由正常情況下的60天縮短至20天，嚴重時7天更換一次碳刷，大大增加了碳刷的維護費用。碳刷打火還會使滑環表面電灼傷，進而加劇滑環的磨損，滑環的磨損又會引起碳刷的振動增大，碳刷振動越嚴重，與滑環的接觸越不良，從而又加劇了打火現象，因此形成了惡性循環，最終將導致滑環表面的嚴重損壞，發電機轉子測量滑環表面嚴重磨損情況如圖4所示。由圖可見，正極測量滑環表面磨損嚴重時會出現很深的磨痕，停機檢查發現沿圓周方向均勻分布18個，深160um，寬11mm溝狀的磨損痕跡磨損區域，呈不連續間斷性、均勻分布的現象。

圖3 發電機轉子測量碳刷打火現象

圖4 發電機轉子測量滑環表面嚴重磨損情況

針對發電機轉子測量碳刷打火現象，可以從機械和電氣兩個方面分析其機理。測量滑環和碳刷的磨損有兩種：一種是純機械磨損；一種是在電流作用下的電氣磨損和機械磨損。

純機械磨損是由于碳刷和滑環表面相接觸，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。發生相對滑動時，會由于摩擦作用形成磨損。如果碳刷顆粒細軟，碳粉易被沾在滑環表面，使滑環成為石墨鏡面，碳刷的磨面也很光滑，兩者的機械磨損都較小。但如果碳刷的質量不好，顆粒粗硬，甚至含有少數金剛砂之類的硬度顆粒，則會對滑環表面進行刮割，使滑環出現金屬光澤或紋路。碳刷本身磨面也會出現顆粒脫落后劃出的紋道，就會使機械磨損大大增加。

在電流作用下，就會存在機械磨損和電氣磨損。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，所以也會加劇機械磨損的程度。但是碳刷和滑環由于電流方向不同會出現極性差別，極性不同，磨損情況也不一樣。當碳刷為正極時，碳刷電氣磨損大，機械磨損輕微，滑環的電氣磨損和機械磨損都很小；當碳刷為負極時，碳刷電氣磨損小，機械磨損大，滑環的電氣磨損和機械磨損都很大[3-5]。

碳刷打火導致滑環表面嚴重磨損的因素包括電氣因素和機械因素，是兩者共同作用的結果。

2.1 電氣因素

根據整流原理（見圖2旋轉二極管無刷勵磁系統示意圖），在三相橋式全波整流電路中，當負載為感性負載時（發電機轉子繞組相當于電感元件），在整流元件自然切換過程中由于電感中的磁場能量瞬時轉換為電場能量，造成整流元件兩端的電壓瞬時上升，并與直流輸出電壓疊加，從而形成一個尖峰脈沖，脈沖的幅值可達到正常電壓的2.5~4.5倍[6-7]。圖5為錄波器錄取的勵磁電壓波形，對于3000r/min的2極發電機轉子旋轉頻率為50Hz，而主勵磁機輸出電壓頻率為150Hz，經三相橋式全波旋轉整流，每個周波存在6個脈沖波頭，所以在發電機轉子旋轉一周為20ms內，勵磁機輸出3個周波，出現18個尖峰脈沖，如圖5所示。因此造成滑環表面18個均勻磨痕的直接原因是經過三相橋式整流的電壓含有高頻尖峰脈沖所致。

圖5 發電機轉子電壓輸出波形

2.2 機械因素

從機械因素方面分析碳刷打火現象可以總結為以下三點：

（1）轉子測量碳刷與滑環表面接觸不良。其中導致測量碳刷與滑環表面接觸不好的可能原因有：碳刷與刷握卡澀；勵磁機端部的振動；刷握內的彈簧壓力不合適等。合適的彈簧壓力源于電氣和機械兩個方面綜合考慮的結果，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果。彈簧壓力過低會導致碳刷與滑環的電氣損耗增加，機械振動增大，從而導致產生電火花，加速碳刷的磨損；而彈簧壓力過高會導致機械損耗增加，碳刷過熱，也同樣會使碳刷磨損增大[8-9]。另外，碳刷正常運行中與滑環之間會形成一層氧化膜，這層氧化膜運行中不斷磨損，不斷產生，該氧化膜的存在起到了減小摩擦的作用，能減小碳刷與滑環之間的滑動摩擦。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、滑環表面光潔度不良以及碳刷材質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，則碳刷與滑環摩擦力較大，導致溫度升高，碳刷磨損加劇，也會導致碳刷打火[8-9]。另外，測量碳刷與滑環表面的間隙不均勻也是導致兩者接觸不良的一個重要原因。根據發電機廠家圖紙要求，碳刷刷握與滑環的間隙為2.5mm。

（2）碳刷型號選擇不當。測量碳刷型號決定于碳刷的材質。目前，國內1000MW發電機的轉子測量碳刷均為銀碳雙層接觸碳刷，銀層主要是導電作用，碳層主要起到潤滑作用。在碳刷型號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，因為其質地軟，氣孔率高，污染物很容易吸附在碳刷上。同時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]。經過實踐驗證，碳刷型號選取AG20/LFC554、AG50/EG5U和S13/F19均比較適用。

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

綜上所述，發電機轉子測量碳刷的打火現象直接源于機械方面的影響因素，然后加之電氣方面的因素而導致了滑環的嚴重磨損現象。在正常情況下，即碳刷與滑環表面接觸良好并且不具備打火條件時，三相橋式整流的電壓中含有的高頻尖峰脈沖對于滑環表面是不會產生電腐蝕的，因此只需解決機械方面的影響因素，消除火花產生的條件，即可避免因碳刷打火導致的滑環磨損現象。

3 解決方案

經過反復嘗試與探索，國華臺電1000MW發電機轉子測量碳刷的打火現象已基本上消除，同時總結出以下四點處理方法：

（1）調整電刷彈簧壓力。碳刷的最大容忍壓力取決于材質的硬度，所有軟質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，建議彈簧壓力調整為150kPa~180kPa。

（2）對測量滑環表面進行清理，改善其周圍的環境，減少粉塵、油污等污染物。

（3）碳刷安裝前進行預磨，預磨碳刷的目的是使碳刷和滑環表面之間準確配合，保證各個碳刷之間的電流負載分配均勻，有助于更快地建立氧化膜。

（4）如果測量碳刷與滑環摩擦的工作面磨損嚴重，可將轉子測量碳刷刷架沿軸向移動一定距離，即更換工作面；如果磨損痕跡不嚴重則無需更換。

4 結論

據了解，國內1000MW無刷勵磁發電機轉子測量碳刷打火現象非常普遍，該問題嚴重影響了發電機組的安全穩定運行。因此國華臺山電廠對該問題的深入研究和探索不僅詳細闡明了測量碳刷打火現象的機理，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，徹底消除了發電機運行的安全隱患，同時對于同類型機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年畢業于東北電力大學，現從事電氣一次專業，碩士，工程師。