摘要：本文介绍了同轴直流励磁机不能建立电压的的处理经过，分析了直流励磁机无法建立励磁电压的原因，明确了消除直流励磁机不能建立电压故障排除的处理方法，为类似故障积累了宝贵经验和实用的处理方法。
关键词：同步发电机 励磁机 换向器 励磁电压
前言
目前，在中、小发电厂中仍广泛使用古老的同轴直流励磁机，交流发电机的磁场都是用直流电流励磁产生的，直流励磁电流通常是与交流同步发电机共轴的直流发电机共给的，它的容量约为同步发电机容量的0.25%~1%，我厂励磁机容量为发电机的0.75%。
一、电厂机组概况及故障现象
1、机组概况
达竹煤电集团石板选煤发电厂位于达县石板境内，属于达竹煤电集团自备煤矸石电厂，于1999年并网发电，总装机容量2X6000KW，发电机型号为QF2-6-2,额定电压10.5KV，额定电流412.4A，额定转速3000r/min,功率因素0.8；配套使用励磁机型号为ZLQ45-3000，额定电压150V，额定电流300A，励磁电流4.8A，额定功率45KW，转速3000r/min，励磁方式并励，系东风电机厂1998年的产品。
2、故障现象
我厂直流励磁机投运到至今已运行15年,由于励磁机整流子磨损严重 ,原安装时的直径为202毫米,到今年检修时测量,经过多次车削已经磨损至189.9毫米,已接近极限值190mm,威胁发电机安全运行。由于长期多次烧蚀，换向器表面形成凹坑，从而使换向器与碳刷表面接触面积减少，换向器表面不圆度大于0.06mm,导致部分碳刷跳动过大并打火，按检修规程对换向器进行冷态下车削0.7mm处理，通过对换向器的刮研打磨处理后进行开机，开机时发电机不能建立励磁电压。当发电机按规定方向旋转至额定转速后，我们用4节1.5V干电池通过滑线变阻器对励磁机进行了充磁，充磁中换向器上碳刷发生2级火花，随后断开灭磁开关对励磁机进行充磁，充磁中碳刷火花消失，充磁后励磁电流表指示为零，剩磁电压为0V，机端无电压输出。为了验证励磁机外围设备正常情况，我们用6V干电池作为直流电源给主磁极线圈作为外加电源长久通入电流，合上灭磁开关，调整磁场变阻器Rf，此时发电机电压随磁场变阻器调整电压上升到最大4KV，同时发电机换向器又出现2级火花，当外接6V直流电源取消后，发电机瞬间电压降到0V。
二、故障判断及处理
1、故障的判断。我厂励磁机回路简图见图1：
(1) 由于励磁机电流表无反偏现象，我们认为是励磁绕组并联到电枢的极性是正确的。发电机在外界直流电源下能升压说明发电机转子线圈良好。首先对励磁机外围电路进行了检查：拆下磁场变阻器接线，用万用表测量其是通路，并反复调节变阻器，使其从最大值140Ω至10Ω，观察电阻值都相应均匀地增大或减小，说明磁场变阻器正常，固定电阻丝Rg为10Ω属正常值。对各个连接端子进行清理紧固，消除可能存在的接触不良，刀开关、灭磁开关触头接触良好，合上灭磁开关测得发电机转子电阻为0.2Ω，说明整个励磁主回路接触良好。用1000 V兆欧表测量励磁回路绝缘电阻均高于0.5MΩ。其次对励磁机本体进行了检查：我们用QJ44双臂电桥测量励磁机转子换向器各相邻两片之间的直流电阻值，测量前先用00#水磨砂纸将换向器表面磨光，测量结果显示，在138片换向器片中，每任何两片之间的电阻值都不超过10，且阻值均衡，如此判断励磁机电枢绕组升高片的锡焊接处及电枢绕组正常。随后用万用表测得主磁极绕组及换向磁极绕组为11Ω，与原阻值接近，并无异常。用1000 V兆欧表测量电枢绕组和励磁绕组、换向绕组绝缘电阻均高于0.5MΩ。由此判断，励磁机建立不了电压问题应该在换向器与碳刷之间，但碳刷与换向器接触面积都超过2/3，问题可能在换向器上或轴的跳动上。
(2)通过分析，我们统一了认识，认为造成励磁机建立不了电压是由于换向器与碳刷产生跳动而产生强烈火花，过大的接触电阻值大于它的临界阻值而不满足自激过程。为了验证我们的判断，我们再次进行了起机实验，首先断开灭磁开关，发电机冲转到额定转速，重新给励磁机充磁，充磁结束后，空载时励磁机电枢输出1.7V电压，此时励磁机励磁线圈电压为0.7V,此时通过滑线变阻器将电枢电压S1、S2端电压反馈到励磁线圈上，调整滑线变阻器增大励磁电流，电枢电压叠加上升。但当合上灭磁开关带上励磁机外围电路，此时碳刷产生2级火花，同时励磁线圈和电枢电压突然消失。此时由2名检修人员使用绝缘工具分别给碳刷正负极碳刷施加大于0.025 MPa以上的压力，令施加的碳刷跳动最小接触最好，合上灭磁开关，换向器火花消失，调整磁场变阻器，此时发电机电压随着磁场变阻器缓慢上升，当升至8KV时，磁场变阻器已调整到最小值，电压无法再上升，此时给予碳刷正负极的压力撤出，发电机碳刷突然恢复2级以上的火花，碳刷恢复强烈跳动，随后发电机电压突然降至0V。
2、故障的处理
(1)换向器跳动处理：拆除励磁机定子，励磁机解体检查清扫后，用百分表测量换向器跳动，测得换向器纵向跳动为0.28mm，松开电枢背紧螺丝帽，用螺杆顶出电枢，测量锥形电枢轴的跳动为0.10mm，因此断定电枢轴正常，有可能跳动产生在电枢上，检查楔形推拔张圈的紧力，使用行车装回电枢，并用枕木敲击换向器端部，使其在电枢楔形轴上安装到位，用2磅锤子加垫铁打紧背帽，并随时用2磅小锤检查背帽的紧固情况，直至紧实为止。此时用百分表再次测量换向器跳动为0.17mm。为了更进一步消除跳动，此时我们对换向器进一步做冷车削处理，车削量控制在0.5mm，由于之前云母槽刮削已经低于整流子表面1.5mm，故车削后不需要再使用锯片掏槽而保护了换向器的光洁度，只是将整流片两侧倒出45°的倒角，由于之前整流片间已经有1mm宽度沟槽（标准应为0.5mm），在倒角时尽量不扩展换向片沟槽间宽度。再次对发电机进行冲转，用#00砂纸对滑环进行抛光处理，使整流子表面光洁度达到△8。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆停机后再次用百分表测量换向器跳动，此时换向器最大跳动为0.12mm，折算后实际跳动为0.06mm，接近满足换向器跳动不大于0.05mm要求。
(2) 直流电机定子的气隙调整：用塞尺测量直流电机电枢转子与主磁极铁掌的气隙，直流定子左上部气隙大于左下部1mm，在励磁机定子左侧加垫1mm垫片，励磁机定子上下左右气隙达到均匀。均匀的气隙确保碳刷处于几何中性线上，降低打火机率。
(3)碳刷、刷握、刷架的检查与处理： 统一用塞尺调整刷握下边缘与换向器表面的距离在2 mm，刷握在整流子圆周上均布，各组碳刷应与换向片平行，各碳刷组之间误差在1.5％。检查碳刷卡簧弹性，更换掉因受热疲劳，变形等造成弹性不足的弹簧。检查碳刷在刷握内能自由滑动，碳刷与刷握的间隙为0.1 mm～0.2 mm，消除因间隙过大造成碳刷跳动。为了确保碳刷研磨成形，我们全部更换同一牌号的新碳刷，将用#00砂纸用布带固定在换向器上，安装好碳刷架，让碳刷施加压力在固定有圆形砂纸的换向器上，启动盘车电机，碳刷在砂纸上随换向器圆形自动研磨，研磨成形后，用压风机吹掉砂纸及碳刷上的石墨粉，撤掉砂纸，再次清洁换向器，确保了碳刷与换向器接触良好。
(4)发电机不能升到额定电压的处理：经上述方法处理后，机组投运后励磁机建立励磁正常，碳刷无跳动和异响，再未发生整流子严重火花，但通过磁场变阻器升压到最大端，只能升压到8KV。为此，我们对串联励磁绕组中的Rg进行短接降阻，Rg为10Ω，通过多次逐步短接阻值实验，当固定电阻电阻丝短接为5Ω时，磁场变阻器升到额定电压10.5KV的位置刚好在原来工作的指示位置。
三、故障原因理论和实践分析
1、直流励磁系统
直流励磁系统由直流励磁机等组成，见图1。直流励磁机是一台并励式直流发电机。它与同步发电机同轴旋转，通过滑环将发出的直流电供给同步发电机转子绕组作为励磁电流。励磁机的励磁电流则由励磁机自并励电流供给调节励磁机励磁电流就可改变发电机的转子绕组励磁电流，实现发电机电压调整的目的。
(1)直流励磁机电压的建立：
并励式直流发电机的励磁绕组跨接到电枢的两端，利用自身发出的一部分电能来供给自己的励磁。直流励磁机电压的建立，首先是依靠电机磁极的剩磁。当电枢旋转时，磁极的剩磁在电枢绕组中感应一个不大的电势。当励磁绕组跨接到电枢的接线正确时，这个电势在励磁绕组中产生的电流会产生一个与剩磁方向一致的磁场，使电枢绕组中的感应电势增强，最终建立起稳定的电压。因此，并励电压的建立必须满足三个条件：①电机磁极有剩磁；②励磁绕组并联到电枢的极性正确；③励磁回路电阻必须小于它的临界值。
(2)直流励磁机换向极的作用：
直流发电机从本质上是一台装有换向器和电刷的交流电机，依靠换向器和电刷的作用把电枢中的交流电变成直流电，通常将这一过程称为换向过程。在换向过程中，电刷与换向器表面之间因换向过程中电磁变化和机械、电化学、电热等现象的共同影响而产生火花，通过串联换向磁极线圈，消除换向产生的火花。
2、故障分析
(1)从发电机并励电压三个条件得知：欲使发电机电压能够建立，必须使磁场回路电阻小于临界电阻值，其理由可用发电机的自激过程来解释。当磁场电阻回路足够大，使电阻直线与励磁机空载特性曲线的直线相切，此时的磁场电阻就是是临界电阻。当磁场的接触电阻等于或大于临界电阻时，端电压生不起来，不能自激。
(2)本次故障中，因为我厂的换向器多年运行，车削已经磨损至189.9毫米,已接近极限值190mm，过小的换向器提高了碳刷的圆周运动速度，制造厂要求使用的D172型碳刷只能适用在最小直径190mm以上,即100m/s的圆周速度下运行。而在高于100m/s速度下运行时，势必使整流子表面温度升高，同时过小的圆周减少了碳刷的接触面积，碳刷的压力严重不足，加上在换向器多次车削后，换向器片间整流片间已经有1mm宽度沟槽，远低于标准0.5mm，138个沟槽降低了近69mm的碳刷接触面积。以上原因是至今无法彻底降低磁场电阻的主要原因。
(3)本次故障最初直流励磁机磁场并无剩磁，当使用正确方法充磁后为什么不能建立电压？原因在于换向器产生了0.28mm的跳动，跳动来自电枢松动和换向器本身沟槽倒角不足，沟槽倒角不够碳刷在高速运行中会在尖锐的槽沟中受到阻力而产生晃动，0.28mm的跳动使导致碳刷接触不良，加上车削后的换向器表面没有氧化膜，在掏槽子的过程中锯片进一步拉伤换向器铜片，换向器表面进一步粗糙，整个励磁电阻已经超过临界电阻，所以不会有端电压的上升。当外加直流电源施加上去后，碳刷发生剧烈打火，打火恶化了碳刷的接触电阻，由于火花在断开瞬间会产生一定的电势，此电势与励磁绕组电势极性相反，加上启机时励磁电压非常弱，较高的火花断开产生的电压与励磁电压极性相反，会进一步抵消励磁线圈的剩磁电压，从而造成剩磁消失。由于励磁线圈是通过换向器和电枢绕组是并联的，碳刷的跳动会切断或降低电枢绕组反馈给励磁线圈的电压，由于励磁线圈电压不能有效得到电枢绕组的反馈，故电枢绕组在励磁线圈磁场强度未增加的情况下，电枢感应电压不会进一步叠加增大。
四、效益分析
本次处理共花费30小时，在目前本型号直流励磁机未生产的情况下，如果更换励磁机，加上运输至少需要20天左右,20天单机发电量为：20*24*6000KW=28.8万KWh，按每度电0.15元利润计算，可产生28.8*0.15=43.2万元利润。
五、结束语
通过以上方法处理后，目前发电机运行正常，经观察，发电机换向器表面上产生了一层暗褐色光泽的坚硬氧化膜，事实已证明发电机换向器表面氧化膜已经建立了起来，无打火的可能，励磁机磁场电阻值得以降低。总之，导致发电机磁场接触电阻过大而不能建立电压的原因复杂，但只要细心分析实验，可以找到到主要原因而尽力消除，达到节约资金，安全发供电的目的。
论文作者:汪波
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
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