发电机转子滑环电腐蚀现象的分析

发电机转子滑环电腐蚀现象的分析
黑龙江省电力科学研究院国际工程部韩野
摘要：当发电机转子碳刷磨损严重时，会造成转子滑环及碳刷绝缘部件表面碳粉积累现象，给发电机组的安全运行带来极大的隐患。

本文主要对由于转子滑环表面电腐蚀而造成转子碳刷磨损现象进行分析，并提出相应的解决方案。

关键词：滑环碳刷磨损电腐蚀
马来西亚民都鲁工程发电机采用哈尔滨电机厂QF-117-2型汽轮发电机，其励磁系统采用无刷励磁方式。

发电机转子电压通过采样滑环引出，供给转子接地保护装置。

在机组运行一段时间后，出现转子电压采样值偏低及转子接地电阻减小现象。

经检查发现碳刷与滑环之间有打火现象，造成接触不良，采样电压偏低，并且碳刷磨损严重，碳刷支架的绝缘部件表面有明显的积碳，从而造成转子对地绝缘电阻下降。

停机之后检查发现采样滑环表面出现极为均匀的电腐蚀痕迹（滑环表面沿圆周方向均匀分布24个与碳刷横截面大小相当的斑痕，如图1所示），致使滑环表面凸凹不平，从而造成碳刷磨损严重，碳刷与滑环接触不良。

图1 发电机转子滑环电腐蚀痕迹
一、机组励磁系统构成
机组采用同轴三机无刷励磁方式，即主发电机、无刷交流主励磁机、永磁副励磁机。

交流主励磁机输出为200Hz交流电，经旋转整流二极管构成的三相全桥整流回路输出，一路作为励磁电源送入发电机转子绕组，另一路送入机头滑环以引出转子电压。

根据整流原理（原理见图2），在三相桥式整流电路中，当负载为感性负载时（发电机转子绕组相当于电感元件），在整流元件自然切换过程中由于电感中的磁场能量瞬时转换为电场能量，造成整流元件两端的电压瞬时上升，并与直流输出电压相叠加，从而形成一个尖峰脉冲，脉冲的幅值可达到正常电压的2．5～4．5倍。

由于每个周期中存在6次换流过程，因此一个周期中将出现6个尖峰脉冲（图3为使用示波器录取的励磁电压波形）。

图2 三相全桥整流原理图
图3 发电机转子电压输出波形
二、发电机转子接地保护装置原理
本机组发电机转子接地保护采用南京南瑞继保电气有限公司生产的
RSC-985系列装置，保护采用乒乓开关切换原理构成（原理图见图4），通过求解由4个分压电阻R及1个采样电阻R1在乒乓开关切换时所构成的接地回路方程，实时计算出接地电阻Rg和接地位置α。

在接地电阻小于设定值后，装置发出告警信息。

此后若再发生另一点接地故障，则已测得的接地位置将发生变化，一旦接地位置α变化量超过整定值，保护装置就确认发生转子两点接地，发电机立即跳闸。

采用此种方式构成的转子接地保护，由于旋转整流环正负极间存在一个由4个电阻R构成的采样回路，因此机头滑环将始终有电流流过，且存在尖峰电流，幅值大约是正常值的2．5～4．5倍。

图4 发电机转子接地保护原理
三、转子滑环电腐蚀的原因分析
由于主励磁机输出电压频率为200Hz，每个整流周期为5ms,且每个周期出现6个尖峰脉冲，所以在20ms内会出现24个尖峰脉冲。

对于3000r/min的发电机，转子旋转一周（20ms），转子电压会出现24个尖峰脉冲。

结合滑环表面24个规则的电腐蚀斑痕，因此认为造成电腐蚀的直接原因是经过三相桥式整流的电压含有高频尖峰脉冲所致。

由于转子接地保护原理要求装置需长期引入转子电压，同时因采样电阻R的存在，造成整流桥输出正负极间通过机头滑环始终有电流流过。

加之机头滑环材质其通流容量设计值较低，因此在励磁电压的尖峰脉冲长期作用下，机头滑环出现规则的电腐蚀痕迹。

四、解决方案
由于滑环出现电腐蚀痕迹主要是由于存在尖峰脉冲的励磁电压通过滑环及转子接地保护装置中的电阻构成回路，加之滑环通流容量较低，在尖峰脉冲的长期作用下出现电腐蚀痕迹。

因此解决滑环电腐蚀可从一下几方面着手进行。

1、采取措施消除励磁电压波形中的尖峰脉冲。

通常情况下，为降低输出电压的上升速率，防止出现尖峰脉冲，在电压输出端及二极管两端应增加阻容吸收回路。

但由于无刷励磁系统的所有零部件均处于高速旋转状态，如增加阻容吸收回路，对一次设备的结构必须重新进行设计、加工、制造，工作量较大且难于保证现场的使用要求。

2、对转子接地保护构成原理进行改造，避免采样回路在正常情况通过滑环流过回路电流。

如对保护构成方式进行相应的改造，使采样回路在正常情况下不流过电流则可避免电腐蚀情况出现。

方法一，将转子接地的保护原理进行改造（改造后的原理图见图5）。

在正常运行过程中，乒乓开关S1、S2互相切换，采样电阻R1上没有电压。

一旦发电机转子绕组出现接地情况，则接地电阻Rg与采样电阻R1构成回路，采样电阻将有电流流过并产生电压，此时即可判断出发电机转子出现接地情况。

而在正常情况下，由于乒乓开关S1、S2始终不会同时导通，滑环在反向二极管的作用下不会有电流流过，从而有效地避免了滑环出现电腐蚀的情况。

现在许昌继电器有限
公司已有该方式产品。

图5 改造后的兵乓式转子接地保护原理
方法二，将原来乒乓式接地保护改为注入式转子接地保护装置。

由于该装置只需引入发电机负极电压及转子大轴，发电机转子正负极之间无法形成回路电流，从而避免了滑环出现电腐蚀的情况。

南京南瑞继保电气有限公司生产的RSC-985RE型产品即为该方式。

以上两种方法，都需要现场更换保护装置，需要重新设计、安装、调试。

对于国外运行机组有一定的施工困难。

3、电腐蚀的最终后果是滑环表面由于电火花而灼伤，使滑环表面凸凹不平。

因此通过改变滑环的金属材质，采用高导电性、耐高温、耐腐蚀的合金材料可有效抑制电腐蚀的发生。

但由于受滑环的安装工艺限制，此方法现场很难实现。

4、电腐蚀的直接原因为滑环与碳刷之间产生电火花，使滑环过热，从而烧灼滑环表面。

为控制电火花的产生，应尽量减小滑环与碳刷之间的接触电阻。

为防止滑环表面过热，应适当减小接触面的电流密度。

为此可以选用大截面的碳刷，用以增加滑环与碳刷的接触面积，从而减小接触电阻及接触面的电流密度，同时选用高电流密度的碳刷，可有效抑制碳刷发热，同时增加了碳刷的耐磨性。

五、结论
结合国外工程现场实际情况，前3种方法在现场都有一定的施工难度。

更换碳刷虽然没有解决问题的根源，但可有效抑制电腐蚀的发生，且现场很容易实现。

同时结合定期用干燥的压缩空气吹扫碳刷支架及滑环凹槽，清理沉积的碳粉，从而减小滑环正负极之间的回路电流，可进一步抑制电腐蚀现象的发生，从而延长碳刷的更换周期，提高设备的运行可靠性。

参考文献
[1] RCS-985发电机成套保护装置说明书。

ZL_YJBH2001.0509
[2] WJL-483-8无刷励磁机组产品使用说明书。

OEA.460.795
[3] 贺家李，等。

《电力系统继电保护原理》。

北京：中国电力出版社，2004.
[4] 曲学基，等。

《电力电子整流技术及应用》。

北京：电子工业出版社，2008.。