红雁池二厂1号、2号发电机滑环磨损原因分析及处理方法
分析了红二电#1、2发电机头部滑环出现规则电腐蚀痕迹的主要痕迹，并通过对转子一点接地保护构成方式进行改造，避免滑环出现电腐蚀痕迹，以提高设备运行可靠性。
题词：发电机 滑环 电腐蚀
一、概述：
红雁池第二发电有限责任公司#1、2发电机为北京重型电机厂生产的QSSN-200-2型发电机，其励磁系统采用技术较为先进的无刷励磁方式。由于没有传统励磁方式必须采用的滑环，因此在机组正常运行中无需对滑环和碳刷进行日常维护。但由于发电机转子一点接地保护构成方式的变更，在机组运行过程中曾先后两次出现由于励磁系统的转子电压采样滑环短路造成机组停运的事故。经对事故原因进行分析研究，发现采样滑环因碳粉积累造成滑环间绝缘下降，并最终引起极间短路引发跳机事故。后在运行维护过程中加大力度，采取定期对机头滑环吹灰清扫的方法以解决碳粉积累，防止短路的发生。此举虽然有效地遏止了短路事故的发生，但在运行过程中由于采样滑环碳刷始终投入运行，在经过一段时间后，采样滑环表面出现极为均匀的电腐蚀痕迹（沿圆周方向共有24块）。由于电腐蚀痕迹造成滑环表面凹凸不平，大大加快了碳刷的磨损速度，更换碳刷周期已由原来的3个月减为目前的半个月。此种情况的出现造成碳粉累积速度加快，给发电机组的安全运行带来了极大的隐患。本文主要对发电机采样滑环电腐蚀原因进行必要的分析，并提出相应的解决方案。
二、机组励磁系统及转子一、二点保护构成方式
前已述及，红二厂#1、2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。交流主励磁机的磁场绕组由永磁副励磁机经可控硅元件构成的全控桥式整流回路供电，交流主励磁机输出的200Hz交流电源经旋转整流二极管构成的三相桥式整流回路输出，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。
本机组转子一、二点保护采用乒乓开关切换原理构成，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（原理图见图1）。在一点接地故障后，保护装置继续测量接地电阻和接地位置。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。
三、全波整流电路的直流输出波形
在三相桥式整流电路中由于各相电路均存在电感（无刷励磁系统中励磁机 电枢绕组即是感性负载，原理图见图3），因此各相支路的二极管元件在切换过 程中由于电感中的磁场能量瞬时转换为电场能量，造成二极管两端的电压瞬时上升，并与直流输出电压相叠加。现以输出电压由线电压Uac切换为Uab为例，首先当输出电压为Uac时，二极管1、2导通。当C相电压低于B相电压时，二极管6将由截止变为导通，二极管2将由导通变为截止。当二极管2变为截止的瞬间，由于励磁机C相绕组中储存的磁场能量将转变为电场能量，因此二极管2两侧将出现瞬时过电压，该电压通过二极管5与整流桥臂输出的直流电压叠加施加在外回路中。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个尖端脉冲（图3为使用示波器录取的励磁电压波形）。由该图中可以看出，尖端脉冲的幅值可达到正常电压的2.5-4.5倍。因此由其产生的回路电流幅值可达到几百毫安。
四、滑环电腐蚀的原因分析
滑环出现电腐蚀情况后，通过对电腐蚀痕迹进行分析，发现滑环表面沿圆周
方向均匀分布24块电腐蚀痕迹。以主励磁机转子3000r/min计，造成上述电腐蚀痕迹的脉冲电源一分钟出现脉冲的次数应为1200次。而红二电#1、2主励磁机输出电压频率为200Hz，经三相桥式整流后，其输出电压每分钟出现波头的次数亦为1200次。因此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端脉冲所致。前已述及，目前采用的转子一点接地保护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。加之机头滑环在设计中并未考虑长期流过电流，其通流容量设计值较低，因此在励磁电压的尖端脉冲长期作用下，机头滑环出现规则的电腐蚀痕迹。
五、解决方案
由于滑环出现电腐蚀痕迹主要是由于存在尖端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，在尖端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两方面着手进行。首先应采取相关措施使励磁电压波形较为平缓，不出现电压上升速率较高的尖端脉冲；其次可对转子一点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。
通常情况下，为降低输出电压的上升速率，防止出现尖端脉冲，在电压输出端应增加一阻容吸收回路。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。相比较而言，如对保护构成方式进行必要的改造，采样回路在正常情况下不流过电流则亦可避免电腐蚀情况出现。为此在同保护装置生产厂家积极联系后，将转子一点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。
六、结论
红二电#1、2发电机机头滑环出现电腐蚀情况主要是由于保护装置生产厂家同主机厂在配套合作方面缺少必要的沟通和联络，仅依靠原有设计经验进行配合。目前采用的保护装置在正常运行期间始终需引入转子电压，因保护装置内部存在采样电阻，造成机头滑环始终有电流流过。在旋转整流输出电压尖端脉冲的长期作用下，滑环表面即出现规则的电腐蚀痕迹。通过对转子一点接地保护装置构成原理进行改造，在正常情况下采样回路不会有电流流过，从而避免了滑环电腐蚀的情况出现。但由于采用此原理构成的转子一点接地保护并没有运行经验，因此在改造过程中对回路元器件的设计搭配、保护定值的整定计算，还需要进一步的经验积累。但采用此种方式构成转子一点接地保护后，能够有效地避免滑环电腐蚀痕迹的出现，提高设备的运行可靠性。