水輪發(fā)電機(jī)組集電環(huán)溫度過高原因分析及技改措施

向春見，顧 軒，李友安

(四川圣達(dá)水電開發(fā)有限公司，四川樂山 614900)

0 引言

大渡河沙灣水電站水輪發(fā)電機(jī)組是東方電機(jī)有限公司生產(chǎn)的立軸半傘型結(jié)構(gòu)的軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，混凝土蝸殼，總裝機(jī)容量為4×120 MW。機(jī)組定子額定電壓為10.75 kV，定子額定電流為5 027 A，勵磁額定電壓為400 V，勵磁額定電流為1 385 A。集電環(huán)正、負(fù)極各18個橫截面尺寸為25 mm×32 mm的摩根NCC634碳刷。運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)集電環(huán)過熱、碳刷打火等現(xiàn)象，1號發(fā)電機(jī)組曾出現(xiàn)過集電環(huán)正負(fù)極短路燒毀集電環(huán)和碳刷的事故。因此，為了保障供電的可靠性、安全性對集電環(huán)進(jìn)行技改勢在必行。

1 集電環(huán)碳刷過熱的原因分析

1.1 碳刷的發(fā)熱量計(jì)算

碳刷的發(fā)熱量由4部分組成:碳刷自身電阻發(fā)熱Q1、碳刷接觸壓降發(fā)熱Q2、磨擦發(fā)熱Q3、刷辮與碳刷接觸電阻和散流電阻發(fā)熱Q4。

碳刷自身電阻發(fā)熱:Q1=I2R(I為流過碳刷的電流，R為碳刷電阻)

碳刷接觸壓降發(fā)熱:Q2=I△U(△U為接觸壓降)

磨擦發(fā)熱:Q3=Fv(F為碳刷壓緊力，v為碳刷與集電環(huán)的相對運(yùn)動速度)

接觸電阻和散流電阻發(fā)熱:Q4=I2r(I為流過碳刷的電流，r為接觸電阻和散流電阻等效值)

碳刷總體發(fā)熱量為:Q=Q1+Q2+Q3+Q4

1.2 集電環(huán)的發(fā)熱量計(jì)算

集電環(huán)的發(fā)熱由3部分組成:集電環(huán)自身電阻發(fā)熱Q11、碳刷接觸壓降發(fā)熱Q22、碳刷熱傳導(dǎo)熱量Q33。

集電環(huán)的總體發(fā)熱量為:Q'=Q11+Q22+Q33

在集電環(huán)發(fā)熱總量中，集電環(huán)自身電阻發(fā)熱Q11所占比例甚小，可以忽略;所以集電環(huán)的發(fā)熱由碳刷的發(fā)熱量決定，隨著碳刷溫度的整體變化，集電環(huán)溫度隨之將有不同程度的變化。

1.3 集電環(huán)碳刷過熱的原因

1.3.1 集電環(huán)室通風(fēng)不良

沙灣水電站水輪發(fā)電機(jī)組集電環(huán)室閉塞，風(fēng)道不暢。集電環(huán)室在－X方向開設(shè)了一個60 cm×80 cm的檢修進(jìn)入門，5個60 cm×22 cm的觀察窗平均分布在四周。由于觀察窗面積太小，且窗門皆在關(guān)閉狀態(tài)，沒有風(fēng)扇等輔助散熱設(shè)備，室內(nèi)外空氣流道狹小，空氣流通不暢，集電環(huán)室內(nèi)溫度較高，嚴(yán)重影響集電環(huán)、碳刷散熱。

1.3.2 接觸電阻過大或分布不均產(chǎn)生的發(fā)熱

集電環(huán)和碳刷是通過相互滑動接觸導(dǎo)通勵磁電流的，每個集電環(huán)上分布著18只碳刷，由于接觸電阻的不同，電流分配的差異，會導(dǎo)致發(fā)熱不均勻，其原因有:①碳刷與集電環(huán)表面接觸電阻、碳刷與刷辮接觸電阻、刷辮與刷架引線接觸電阻過大，集電環(huán)與轉(zhuǎn)子引線接觸電阻過大。由于機(jī)組的振動，集電環(huán)與轉(zhuǎn)子的引線固定螺栓，刷握固定螺栓容易松動，接觸電阻變大。②碳刷壓力不均或不符合要求，彈簧由于過熱變軟、老化失去彈性等原因。集電環(huán)環(huán)面不同心，也會造成碳刷壓力不均。③個別碳刷材質(zhì)不良、導(dǎo)電性能差。④集電環(huán)及刷架表面附著有大量的碳粉。⑤油霧的影響。油霧對因碳刷磨損而產(chǎn)生的碳粉的吸附作用較大，容易產(chǎn)生油性碳粉污垢。有實(shí)驗(yàn)表明，在松散干燥的狀態(tài)下，石墨碳粉的絕緣電阻可達(dá)到100 MΩ以上，但是在油霧作用下絕緣電阻迅速減小為零。

1.3.3 機(jī)械及摩擦等原因造成的過熱

沙灣電站機(jī)組由于碳刷經(jīng)常打火，進(jìn)行了一些技改，主要是將正、負(fù)極碳刷數(shù)量增加一倍，即單極碳刷個數(shù)為36個。據(jù)東方電氣集團(tuán)的技術(shù)規(guī)范得知，沙灣電站選用碳刷的額定電流密度為10 A/cm2，碳刷的電流密度為

如果將碳刷數(shù)量增加一倍，則碳刷的實(shí)際電流密度減小為額定電流密度的一半，這將導(dǎo)致氧化膜無法形成，碳刷與集電環(huán)間是機(jī)械摩擦，會表現(xiàn)出碳刷磨損大、溫度高的現(xiàn)象。技改后的運(yùn)行情況證明，此種技改并沒有解決碳刷溫度高的問題，反而增加了碳刷和集電環(huán)的摩擦。

1.3.4 氧化膜無法形成

正常情況下，碳刷在集電環(huán)上運(yùn)行時，在其接觸面上形成一層均勻、適度、穩(wěn)定的氧化膜，因?yàn)檫@層氧化膜的存在，改變了碳刷與集電環(huán)的接觸特性，減少了摩擦，降低磨損，延長使用壽命。影響氧化膜形成的原因:①溫度過高。碳刷的氧化膜一般在70℃左右較易形成，沙灣電站個別碳刷溫度高達(dá)120℃以上，氧化膜不易形成，無法起到潤滑作用，碳刷磨損將加劇，導(dǎo)致溫度繼續(xù)升高，形成惡性循環(huán)。②冷卻空氣中有污染性雜質(zhì)。由于碳刷摩擦大，碳粉多，且沒有碳粉收集裝置，大量的碳粉附著在集電環(huán)表面，會影響氧化膜的形成。③空氣濕度太低或含氧量太低。碳刷表面氧化膜的形成需要空氣中有一定的水分含量，即空氣濕度不能太低，也不能太高。氧化膜的形成主要與空氣中的氧氣發(fā)生氧化作用而產(chǎn)生，當(dāng)含氧量過低時也不利于氧化膜的形成。

2 改進(jìn)方案

通過對沙灣電站水輪發(fā)電機(jī)組集電環(huán)、碳刷發(fā)熱原因的分析，根據(jù)現(xiàn)有的不足，提出如下整改方案。

2.1 集電環(huán)的改造

集電環(huán)的改造包括:①加寬集電環(huán)寬度?，F(xiàn)有集電環(huán)寬度為40 mm，將集電環(huán)寬度增加為80 mm。增大集電環(huán)的寬度可以提高集電環(huán)的散熱性能，且有利于碳刷和刷握安裝方式的改造。②改集電環(huán)環(huán)面為螺旋溝槽環(huán)面?，F(xiàn)有集電環(huán)環(huán)面均為平面結(jié)構(gòu)，容易導(dǎo)致碳刷表面形成微小的氣膜，不利于碳刷和集電環(huán)環(huán)面的充分接觸。集電環(huán)環(huán)面采用螺旋溝槽環(huán)面，增加了集電環(huán)環(huán)面和碳刷之間的透氣性，有利于碳刷與集電環(huán)環(huán)面的充分接觸。這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)在三峽機(jī)組和葛洲壩增容機(jī)組上得到成功應(yīng)用。③增加上下集電環(huán)的間距。現(xiàn)有集電環(huán)間距為55 mm，將集電環(huán)間距增加到100 mm。增加集電環(huán)間距的主要目的在于防止機(jī)組突然抬機(jī)和機(jī)組振動導(dǎo)致上下集電環(huán)之間短路，減小集電環(huán)環(huán)面燒蝕的概率。

2.2 合理配置碳刷數(shù)量

由于沙灣電站機(jī)組勵磁電流長期運(yùn)行在1 000 A左右，遠(yuǎn)小于額定勵磁電流1 385 A，碳刷密度j=1 000/(18 ×25 ×32)=6.94 A/cm2，比正常值偏小，可能會影響氧化膜的形成，建議正負(fù)極各拔掉5個碳刷(由18支變?yōu)?3支)，此時碳刷密度j=1 000/(13 ×25 ×32)=9.615 A/cm2，接近額定電流密度 10 A/cm2。

2.3 減少發(fā)熱源

集電環(huán)室除了集電環(huán)、碳刷會產(chǎn)生大量熱量外，集電環(huán)室內(nèi)還布置了兩臺吸排油霧泵，吸排油霧泵長期運(yùn)行時，泵體溫度可達(dá)60～70℃，有時甚至高達(dá)80℃，提高了集電環(huán)室內(nèi)的溫度，增加了散熱難度。可將吸排油霧泵電機(jī)布置在集電環(huán)室外，減少室內(nèi)的發(fā)熱量。

2.4 改善通風(fēng)條件

在集電環(huán)室四周增設(shè)通風(fēng)窗口。沙灣電站機(jī)組在集電環(huán)室的－X方向布置有一個寬60 cm、高80 cm的檢修進(jìn)入門，集電環(huán)室四周平均分布有五個寬60 cm、高22 cm的觀察窗口?？蓪?個觀察窗口的高度都擴(kuò)展到60 cm，同時可考慮安裝風(fēng)扇輔助散熱，這將很好地改善集電環(huán)室內(nèi)外的通風(fēng)條件，提高散熱能力。

2.5 安裝碳粉收集系統(tǒng)

有實(shí)驗(yàn)表明碳粉在油霧的影響下，絕緣電阻可以由100 MΩ迅速降低到零。因此油性碳粉污垢是造成集電環(huán)室內(nèi)各絕緣件絕緣性能下降的主要原因之一，所以有必要安裝碳粉收集系統(tǒng)，及時帶走碳粉，使之與油霧隔離，提高集電環(huán)以及碳刷之間的絕緣。

2.6 安裝紅外線測溫系統(tǒng)

在集電環(huán)室內(nèi)安裝紅外線測溫系統(tǒng)，將信號接入監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)行人員可隨時監(jiān)測機(jī)組集電環(huán)及每個碳刷溫度的變化情況，能及時準(zhǔn)確地找出溫度異常的碳刷，消除缺陷。

3 沙灣電站集電環(huán)技改項(xiàng)目及結(jié)果分析

3.1 技改項(xiàng)目

根據(jù)沙灣水電站碳刷溫度過高的原因，在年度檢修過程中對集電環(huán)及碳刷進(jìn)行了技改:①擴(kuò)大集電環(huán)室通風(fēng)窗口尺寸，通風(fēng)窗口高度由原來的22 cm增加到60 cm，寬度不變;②集電環(huán)寬度由原來的4 cm增加到6 cm;③集電環(huán)返廠重新校圓打磨，表面更光滑;④使用質(zhì)量更好的碳刷。

3.2 技改效果

技改后經(jīng)過長期運(yùn)行，集電環(huán)和碳刷的溫度較技改前明顯降低，見表1。

4 結(jié)語

發(fā)電機(jī)勵磁碳刷及集電環(huán)發(fā)熱現(xiàn)象運(yùn)行中時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。因此，對集電環(huán)和碳刷的監(jiān)視、維護(hù)并及時處理其發(fā)生的故障和損傷，改善集電環(huán)運(yùn)行環(huán)境，是保證發(fā)電機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行的重要工作之一。所提出的改造方案中的集電環(huán)部分，在葛洲壩125 MW機(jī)組已有相似的改造應(yīng)用，效果明顯，具有一定的借鑒作用。

表1 技改前后溫度對比 單位:℃

［1］國家技術(shù)監(jiān)督局.電炭材料及產(chǎn)品專用名詞術(shù)語［M］.北京:國家技術(shù)監(jiān)督局出版，1997.

［2］張廣溢，郭前崗.電機(jī)學(xué)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社出版，2002.