一種汽輪發(fā)電機(jī)碳刷、集電環(huán)狀態(tài)評估方法

武玉才，李永剛，馮文宗

（華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

0 前言

勵(lì)磁電流由碳刷、集電環(huán)輸送至發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組，碳刷和集電環(huán)的工作狀態(tài)好壞關(guān)系到發(fā)電機(jī)能否安全、穩(wěn)定運(yùn)行。大型汽輪發(fā)電機(jī)碳刷與集電環(huán)接觸表面線速度在100m/s左右，接觸可靠性下降。

發(fā)電機(jī)的故障統(tǒng)計(jì)表明：碳刷、集電環(huán)故障屬于多發(fā)性故障[1-10]，主要包括碳刷跳動故障（碳刷壓緊力不當(dāng)、松動、轉(zhuǎn)軸偏心、集電環(huán)橢圓度超標(biāo)、集電環(huán)表面有凹凸點(diǎn)或灼傷等）、碳刷電流分布不均（碳刷質(zhì)量不合格、恒壓彈簧壓力不夠或不勻、不同型號的碳刷混用、碳刷與滑環(huán)的接觸不好及刷辮與碳刷的接觸不良等）。以上故障若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并妥善處理，可能導(dǎo)致碳刷與集電環(huán)之間出現(xiàn)火花甚至產(chǎn)生集電環(huán)火，造成勵(lì)磁電壓和電流不穩(wěn)、系統(tǒng)功率波動等一系列問題[11-13]，電流熱效應(yīng)可能進(jìn)一步燒損碳刷、刷辮及刷架，損傷滑環(huán)，造成一點(diǎn)接地[14-18]。

碳刷、集電環(huán)工作狀態(tài)惡化的一個(gè)早期特征是碳刷與集電環(huán)之間接觸電阻的反復(fù)變化及各碳刷電流分配的變化。針對這一特征，本文研究了碳刷、集電環(huán)工作狀態(tài)惡化產(chǎn)生的電氣和磁場特征，提出利用磁場探測技術(shù)評估碳刷、集電環(huán)工作狀態(tài)的方法。

1 發(fā)電機(jī)碳刷、集電環(huán)故障的建模與分析

對于靜止勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，正、負(fù)極集電環(huán)各通過一個(gè)徑向?qū)щ姉U與轉(zhuǎn)軸中心的正、負(fù)極軸向?qū)щ姉U相連，軸向?qū)щ姉U到達(dá)轉(zhuǎn)子繞組位置后再通過兩個(gè)徑向?qū)щ姉U分別連接勵(lì)磁繞組的兩端。圖1顯示了轉(zhuǎn)子端部剖面。

集電環(huán)、導(dǎo)電桿以及勵(lì)磁繞組隨著轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，碳刷與集電環(huán)的接觸點(diǎn)隨時(shí)間變化，若計(jì)及集電環(huán)自身的分布阻抗，則該系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)動態(tài)電路，圖2顯示了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組端部電路基本結(jié)構(gòu)。

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)局部電路

圖2 勵(lì)磁繞組端部電路結(jié)構(gòu)

2 勵(lì)磁電流分析及仿真

圖 3為勵(lì)磁系統(tǒng)的等效電路，圖中：R1、R2分別為正極碳刷與集電環(huán)間的接觸電阻；R3、R4分別為負(fù)極碳刷與集電環(huán)間的接觸電阻；Ra，Rb，Rc，Rd為各碳刷至集電環(huán)導(dǎo)電桿段的集電環(huán)電阻值，該阻值隨著發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)而變化；R為勵(lì)磁繞組電阻；U為勵(lì)磁電壓。

相對于碳刷與集電環(huán)間的接觸電阻，集電環(huán)本身的電阻極小，即：Ra＜＜R1，Rb＜＜R2，Rc＜＜R3，Rd＜＜R4，在計(jì)算總勵(lì)磁電流時(shí)，可以將電路中的Ra、Rb、Rc和Rd忽略，用簡化電路（圖4）等效。

圖3 勵(lì)磁系統(tǒng)等效電路

為簡化分析，認(rèn)為圖4中R1、R2、R3、R4遠(yuǎn)小于R，可以被忽略。任意時(shí)刻發(fā)電機(jī)正負(fù)極碳刷至少有一個(gè)與集電環(huán)保持良好的接觸，勵(lì)磁電流I≈UR為常數(shù)。

圖4 簡化后的勵(lì)磁系統(tǒng)等效電路

假設(shè)兩個(gè)碳刷與集電環(huán)間的接觸電阻值相等，即R1=R2，則流過兩條支路的電流（見圖4）：

某一時(shí)刻正極碳刷2突然發(fā)生接觸間斷，接觸電阻增大，R2=R1+ΔR（ΔR表示碳刷與集電環(huán)間接觸電阻變化量），并聯(lián)支路上的電流分布改變，兩支路的電流可以用以下方程組求解：

可以求得：

通常情況下 ΔR＞＞R1，因此I1≈I，I2≈ 0。這一動態(tài)過程正極各碳刷電流及總電流隨著某碳刷接觸阻抗的變化特征見圖5。

圖5 接觸阻抗突變對碳刷電流的影響

3 軸向磁通分析及實(shí)驗(yàn)

集電環(huán)自身的電流弧是發(fā)電機(jī)形成軸向磁通的一個(gè)重要因素，見圖6。

圖6 集電環(huán)電流分布圖

圖中：I1為流過正極碳刷1的勵(lì)磁電流，I2為流過正極碳刷2的勵(lì)磁電流，I為總勵(lì)磁電流，1φ為電流I1產(chǎn)生的軸向磁通，2φ為電流I2產(chǎn)生的軸向磁通，φ為軸向合成磁通。

碳刷與集電環(huán)的相對位置不斷變化，形成的電流弧長度也同步改變，造成1φ、2φ隨著時(shí)間交變。出現(xiàn)碳刷與集電環(huán)之間的間斷接觸問題時(shí)，集電環(huán)上的電流分配發(fā)生突變，突變電流將影響軸向磁通，形成磁通脈沖。

構(gòu)成發(fā)電機(jī)本體的結(jié)構(gòu)為鐵磁性材料，因此，軸向磁通可形成閉合回路且具有較好的強(qiáng)度，圖 7顯示了軸向磁通路徑，只要在磁通回路安裝探測線圈就能夠檢測到脈沖信號。

圖7 軸向磁通流通路徑

為了驗(yàn)證預(yù)測結(jié)果，本文進(jìn)行了一系列發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)：

MI-5-1500型隱極同步發(fā)電機(jī)，該機(jī)額定容量5kVA，額定電壓460V，2對極，額定轉(zhuǎn)速1500r/min。實(shí)驗(yàn)?zāi)M發(fā)電機(jī)負(fù)載失磁過程，實(shí)驗(yàn)中原動機(jī)保持500W拖動功率不變，發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變化過程為：負(fù)載并網(wǎng)運(yùn)行(0—1.7s) → 失磁異步運(yùn)行(1.7—4.9s)→ 解列(4.9—10s)，探測線圈安裝在軸承座上（圖8），測得的時(shí)域信號如圖9所示。

圖9中，在0—1.7s區(qū)間內(nèi)，發(fā)電機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，探測線圈感應(yīng)電壓信號中包含周期性脈沖，脈沖信號主要為負(fù)脈沖，在失磁和解列過程中，脈沖電壓信號消失。這表明：周期性脈沖與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)存在必然聯(lián)系，在勵(lì)磁系統(tǒng)退出運(yùn)行階段周期性脈沖自動消失。為了更清楚顯示失磁前的脈沖信號特征，現(xiàn)對失磁前的電壓信號進(jìn)行局部放大，見圖10。

圖8 MI-5-1500發(fā)電機(jī)探測線圈

圖9 在MI-5-1500型機(jī)組上測得的信號

圖10 局部電壓信號放大

從圖10可以看到：每隔0.04s，探測線圈測得的電壓信號中出現(xiàn)一次雙脈沖，實(shí)驗(yàn)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)周期0.04s，即發(fā)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周探測線圈測得的電壓信號中出現(xiàn)一組雙脈沖，兩脈沖間隔Δt= 0.0092s，檢查發(fā)現(xiàn)集電環(huán)正極表面存在兩處較大的砂眼區(qū)，見圖11，出現(xiàn)的雙脈沖可能與這兩處缺陷有關(guān)。值得注意的是，12天前在該機(jī)組上進(jìn)行的并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中（有功1000W），探測線圈測得的電壓信號只含有一些零星、不規(guī)則脈沖，這表明碳刷與集電環(huán)之間的接觸較好。幾天內(nèi)碳刷集電環(huán)之間的接觸狀態(tài)發(fā)生了如此大的變化，說明該機(jī)組碳刷與集電環(huán)的接觸不穩(wěn)定。

圖11 集電環(huán)表面瑕疵

圖12 在MI-5-1500型機(jī)組上測得的信號

MT-5-1500型同步發(fā)電機(jī)組的額定容量6.5kVA，額定電壓 230V，2對極，額定轉(zhuǎn)速1500r/min。探測線圈安裝于軸承座，見圖12。該機(jī)組每極集電環(huán)上只安裝1個(gè)碳刷，正負(fù)極共2個(gè)碳刷，這種勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁電流只有一個(gè)流通路徑，不能像多刷集電環(huán)那樣進(jìn)行勵(lì)磁電流瞬間的重分配。一旦碳刷與集電環(huán)接觸阻抗發(fā)生變化，整個(gè)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流都將受到影響。圖 13中，探測線圈測得的電壓信號含有零星脈沖，說明碳刷與集電環(huán)之間有一些偶然的接觸電阻變化，可能瞬間有拉弧或者放電現(xiàn)象發(fā)生。

MJF-30-6型同步發(fā)電機(jī)組額定容量 30kVA，額定電壓400V，3對極，額定轉(zhuǎn)速1500r/min。探測線圈的安裝見圖14。該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸外徑較粗，正負(fù)極集電環(huán)上各有兩個(gè)碳刷，探測線圈感應(yīng)的脈沖電壓見圖15。電壓信號中的脈沖比圖13脈沖密度大，呈現(xiàn)隨機(jī)狀態(tài)分布，表明碳刷與集電環(huán)的接觸性能稍差。

圖12 MT-5-1500發(fā)電機(jī)探測線圈

圖13 在MT-5-1500型機(jī)組上測得的信號

圖14 MJF-30-6發(fā)電機(jī)探測線圈

圖16 汽輪發(fā)電機(jī)可傾式分塊軸瓦結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)不同，探測線圈的安裝位置也不同。最直接的軸向磁通測量方法是將探測線圈套裝在轉(zhuǎn)子軸頸上；對于支座式軸承，探測線圈可以套裝在支座上；采用可傾式分塊軸瓦的汽輪發(fā)電機(jī)軸承結(jié)構(gòu)見圖16，探測線圈可以套裝在軸承頂塊上。

4 結(jié)論

本文研究了靜止勵(lì)磁發(fā)電機(jī)碳刷、集電環(huán)的狀態(tài)評估問題，通過分析得出以下結(jié)論：

（1）碳刷與集電環(huán)之間接觸電阻的變化造成了勵(lì)磁電流在同極碳刷之間的重新分配；

（2）同極碳刷勵(lì)磁電流突然的分配變化產(chǎn)生軸向脈沖磁通，通過在電機(jī)適當(dāng)部位安裝磁場探測傳感器即可檢測到該脈沖磁通；

（3）通過探測線圈感應(yīng)電勢中的脈沖頻度及分布規(guī)律可以評估碳刷、集電環(huán)系統(tǒng)工作狀態(tài)。該方法能夠?qū)μ妓?、集電環(huán)的工作狀態(tài)進(jìn)行在線評估，為進(jìn)一步處理措施提供決策支持。

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