800 MW水輪發(fā)電機(jī)滑環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化改造及運(yùn)行分析

陳 鋒，李汶珈

(向家壩水力發(fā)電廠，四川宜賓644612)

800 MW水輪發(fā)電機(jī)滑環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化改造及運(yùn)行分析

陳 鋒，李汶珈

(向家壩水力發(fā)電廠，四川宜賓644612)

滑環(huán)系統(tǒng)過熱故障可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地、極間短路、發(fā)電機(jī)失磁等故障，危及機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。從滑環(huán)系統(tǒng)的載流密度、接觸電阻、散熱能力、布置形式、環(huán)境因素等方面，綜合分析了滑環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生過熱的原因，并提出了具體改造方案，并運(yùn)用于實(shí)踐。

大型水輪發(fā)電機(jī)；滑環(huán)系統(tǒng)；過熱故障；優(yōu)化改造；向家壩電廠

0 引 言

向家壩水電站安裝有8臺(tái)800 MW水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為世界之最?；h(huán)系統(tǒng)集電環(huán)環(huán)面采用阿基米德螺旋線槽結(jié)構(gòu)，棱邊倒圓角45°，碳刷按單元組設(shè)計(jì)，三只一組垂直布置，每極碳刷呈半圓布置。集電環(huán)、碳刷及其組件置于密閉罩內(nèi)。密閉裝置和碳粉吸收裝置共同構(gòu)成碳粉收集系統(tǒng)。

該型式滑環(huán)系統(tǒng)投運(yùn)以來，一直存在碳刷溫度過高、碳刷接觸面打火、碳刷載流嚴(yán)重不均衡等問題。運(yùn)行中，枯水期負(fù)極碳刷平均溫度在100～120 ℃，豐水期負(fù)極碳刷溫度在150～170 ℃，個(gè)別故障碳刷溫度達(dá)到240 ℃以上。特別是在機(jī)組遲相熱穩(wěn)定試驗(yàn)中，當(dāng)有功800 MW，無功升至288 MV·A時(shí)，正負(fù)極碳刷平均溫度超過200 ℃，最高溫度346 ℃，被迫停止試驗(yàn)。日常運(yùn)行中，集電環(huán)面溫度90～110 ℃?；h(huán)系統(tǒng)長期高溫運(yùn)行，加速極間及對地的絕緣件老化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地、極間短路、發(fā)電機(jī)失磁及跳機(jī)等高危故障，嚴(yán)重影響機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 原因分析

1.1 碳刷載流密度過大

向家壩水電廠生產(chǎn)的E468碳刷允許載流密度為5.5～11 A/cm2，設(shè)計(jì)載流密度為9.6 A/cm2，經(jīng)核算實(shí)際載流密度為13.7 A/cm2(見式1)。究其原因，集電環(huán)表面為右螺旋齒槽結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)值未扣除碳刷與集電環(huán)之間非有效接觸面積。實(shí)際運(yùn)行中，受集電環(huán)高速旋轉(zhuǎn)、大軸擺動(dòng)、碳刷非垂直接觸及集電環(huán)面螺旋線槽阻礙等因素影響，集電環(huán)面與碳刷接觸為動(dòng)態(tài)非連續(xù)接觸，碳刷實(shí)際載流密度大于13.7 A/cm2，超出碳刷允許載流密度限值。這是導(dǎo)致碳刷溫度高的主要原因。

(1)

式中，n為每組碳刷個(gè)數(shù)；N為碳刷組數(shù)；A為碳刷接觸面長度；B為碳刷接觸面寬度；λ為碳刷跨越槽部數(shù)；L為槽部寬度。

1.2 碳粉吸收裝置的影響

碳粉吸收裝置具有吸收碳粉和排氣冷卻功能。原密閉罩安裝時(shí)受滑環(huán)室空間限制，多處有開孔，同時(shí)風(fēng)機(jī)功率較小(800 m3/h)，抽氣時(shí)密閉罩內(nèi)不能形成有效負(fù)壓，冷、熱空氣交換不充分，這是導(dǎo)致碳刷溫度高的又一重要原因。

1.3 碳刷布置形式的影響

碳刷單元組內(nèi)并聯(lián)(上、中、下)、單元組之間也采用并聯(lián)布置(見圖1)，構(gòu)成雙重并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行中碳刷與集電環(huán)為動(dòng)態(tài)接觸，每一個(gè)瞬間各分支接觸電流都在變化。碳刷的實(shí)際載流值超過允許值，單元組內(nèi)碳刷并聯(lián)回路上一旦出現(xiàn)分支電流不平衡，則會(huì)形成惡性循環(huán)，一個(gè)碳刷首先打火，而后整個(gè)單元的碳刷打火。集電環(huán)為右螺旋齒槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)集電環(huán)相比會(huì)增加碳刷的磨耗，碳粉堆積在中、下兩只碳刷表面，導(dǎo)致碳刷卡澀、過熱。

圖1 滑環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4 氧化膜分布的影響

氧化膜的形成對環(huán)境溫度、濕度以及空氣中雜質(zhì)等有一定要求。碳刷接觸面溫度超過90 ℃、空氣中碳粉等雜質(zhì)含量過高、火花電腐蝕等因素會(huì)導(dǎo)致氧化膜無法形成或者被破壞，無法起到潤滑作用。一方面缺少氧化膜的碳刷與集電環(huán)之間滑動(dòng)干摩擦，產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致溫度繼續(xù)升高破壞氧化膜，形成惡性循環(huán)，另一方面氧化膜具有一定電阻，受到破壞后碳刷接觸面的接觸電阻降低，分支電流增大，兩個(gè)因素累積導(dǎo)致碳刷溫度高。

2 改造方案

通過對向家壩水電廠滑環(huán)系統(tǒng)歷年故障數(shù)據(jù)分析，結(jié)合對各大電廠調(diào)研成果，確定滑環(huán)系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)化的總體思路：降低過流部件的發(fā)熱量，提高冷卻裝置的散熱能力，同時(shí)提高滑環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的潔凈度，實(shí)現(xiàn)滑環(huán)系統(tǒng)全年免維護(hù)、綠色運(yùn)行。

2.1 降低滑環(huán)系統(tǒng)的發(fā)熱量

2.1.1 載流密度優(yōu)化

發(fā)熱量與電流的平方成比例關(guān)系，現(xiàn)有滑環(huán)系統(tǒng)碳刷有效載流密度大于13.6 A/cm2，根據(jù)三峽集團(tuán)投運(yùn)的58臺(tái)700 MW及以上水輪發(fā)電機(jī)組滑環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，碳刷最佳載流密度為7～8 A/cm2。因此，增加碳刷數(shù)量，降低碳刷載流密度，將有效載流密度由13.6 A/cm2降低至7～8 A/cm2范圍，可以降低滑環(huán)系統(tǒng)發(fā)熱量。

2.1.2 碳刷布置形式優(yōu)化

碳刷布置方式由單元組半圓布置改為單只整圓布置如圖2所示，降低碳粉堆積引起碳刷卡澀發(fā)熱。相鄰碳刷高、中、低呈波浪型交錯(cuò)布置。該布置方式可以降低碳刷與集電環(huán)滑動(dòng)摩擦帶來的溫升，還可以削弱摩擦在集電環(huán)面形成凹槽，保護(hù)集電環(huán)面。

圖2 優(yōu)化改造后碳刷布置

2.1.3 電流通路優(yōu)化

現(xiàn)有滑環(huán)系統(tǒng)勵(lì)磁電流經(jīng)導(dǎo)電板單向流入刷架后進(jìn)入碳刷分支，由于各并聯(lián)碳刷分支接入的導(dǎo)電板和刷架長度不同，影響碳刷分支電阻的均衡。優(yōu)化后取消導(dǎo)電板和刷架，勵(lì)磁電流沿導(dǎo)電環(huán)左右兩個(gè)方向直接流入碳刷，并增加導(dǎo)電環(huán)截面積，降低導(dǎo)電環(huán)自身電阻對各并聯(lián)分支碳刷載流能力的影響。

2.2 提高滑環(huán)系統(tǒng)散熱能力

滑環(huán)系統(tǒng)的散熱分為自然散熱和強(qiáng)迫散熱，兩種散熱方式即協(xié)同又排斥。一方面，兩者都能降低滑環(huán)系統(tǒng)溫升，另一方面，為提高散熱效果，自然散熱要求冷熱氣流充分接觸，強(qiáng)迫散熱要求冷熱氣流充分隔離。綜合考慮各種影響因素，本次優(yōu)化改造中，碳刷接觸面和集電環(huán)以強(qiáng)迫散熱為主，碳刷非接觸面、導(dǎo)電環(huán)及滑環(huán)系統(tǒng)其他組件以自然散熱為主。

2.2.1 密閉罩優(yōu)化

滑環(huán)系統(tǒng)密閉罩內(nèi)外熱交換速率快慢取決于其內(nèi)部負(fù)壓的大小，要求進(jìn)氣總口徑和內(nèi)部封閉空間要小，排氣口徑及排氣功率要大。密閉罩上下邊沿與集電環(huán)面的間隙為主要進(jìn)氣口，間隙距離由原來的20 mm改為5 mm，密閉罩立面與集電環(huán)面距離由250 mm改為20 mm，密閉罩立面高度由480 mm改為440 mm。經(jīng)計(jì)算，優(yōu)化后的密閉罩進(jìn)氣口截面積為0.065 9 m2；內(nèi)部空間有效體積0.058 m3，排氣口截面積0.023 6 m2，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化改造后的密閉裝置

2.2.2 風(fēng)路優(yōu)化

為降低風(fēng)阻，排氣口與密閉罩連接采用三通管，主管與碳粉吸收裝置相連，分管與密閉罩連接采用斜喇叭口方式。主管直徑為100 mm，兩根分管與密閉罩連接，最大直徑200 mm；主管與風(fēng)機(jī)連接軟管安裝時(shí)選擇最短路徑，盡可能避免拐彎，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化改造后的三通管抽風(fēng)口

2.2.3 碳粉吸收裝置優(yōu)化

碳粉吸收裝置具備碳粉吸收和強(qiáng)迫散熱功能。通過有限元計(jì)算滑環(huán)系統(tǒng)單位時(shí)間發(fā)熱量，并結(jié)合密閉罩結(jié)構(gòu)，布置3臺(tái)單機(jī)功率為1 500 W、風(fēng)量1 200 m3/h的碳粉吸收裝置，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，密閉罩內(nèi)空氣溫度維持在30～40 ℃，有利于滑環(huán)系統(tǒng)各部件與罩內(nèi)空氣熱交換，滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行要求。

2.3 提高清潔碳粉能力

滑環(huán)系統(tǒng)位于上導(dǎo)油槽上方，滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的碳粉與粉塵、油霧等結(jié)合形成粘性極強(qiáng)的雜質(zhì)，吸附在碳刷、集電環(huán)面以及絕緣件表面，若不及時(shí)清除，會(huì)導(dǎo)致碳刷卡澀，導(dǎo)致碳刷打火、局部溫度過高、絕緣降低等故障。

2.3.1 風(fēng)機(jī)優(yōu)化

碳粉垂直自由下落距離為0.35 m，經(jīng)過驗(yàn)證，碳粉自由下落時(shí)間為1.2 s，3臺(tái)風(fēng)機(jī)按照最優(yōu)布置方式，水平抽氣距離為0.7 m。將風(fēng)機(jī)單機(jī)風(fēng)量800 m3/h提高到1 200 m3/h，數(shù)量由2臺(tái)增加至3臺(tái)，能夠及時(shí)的將密閉罩內(nèi)的碳粉吸出。

2.3.2 碳粉收集優(yōu)化

原有的濾袋收集碳粉時(shí)，由于靜電的原因，碳粉附著在濾袋表面，造成風(fēng)路堵塞，削弱除塵效果。新設(shè)計(jì)的濾筒式碳粉收集裝置的濾網(wǎng)采用折疊扇葉結(jié)構(gòu)，濾網(wǎng)通風(fēng)小孔數(shù)量大幅增加，有利于降低風(fēng)阻。同時(shí)，可對濾筒定期拆卸進(jìn)行沖洗，提高使用效率。

3 運(yùn)行分析

3.1 優(yōu)化改造后初期運(yùn)行情況

7號(hào)機(jī)滑環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化改造后，于2015年4月2日下午開機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中滑環(huán)系統(tǒng)無異響，各部件振動(dòng)小，碳刷與環(huán)面接觸良好，碳刷在刷盒內(nèi)彈跳規(guī)律且彈跳幅值小，碳刷無明顯擺動(dòng)，密閉系統(tǒng)內(nèi)空氣流速足以將碳粉及時(shí)吸出。7號(hào)機(jī)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行一個(gè)星期后，連續(xù)3次測量每個(gè)碳刷接觸面溫度，單個(gè)碳刷3次測溫?cái)?shù)據(jù)的加權(quán)平均值作為縱坐標(biāo)，每極的51只碳刷為橫坐標(biāo)，溫度曲線如圖5所示。

圖5 7F滑環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化改造后碳刷接觸面溫度

(1)碳刷溫度曲線中(枯水期)，最高溫度為71 ℃，最低溫度為55 ℃，正極碳刷平均溫度59 ℃、負(fù)極碳刷平均溫度65 ℃，102個(gè)碳刷溫度均滿足要求，平均溫度較改造前降低60 ℃左右。

(2)正負(fù)極集電環(huán)面溫度分別為54 ℃和59 ℃，較改造前降低45 ℃左右。

(3)新碳刷采用人工靜態(tài)研磨后與集電環(huán)面適配，受限于人工研磨的精度水平，運(yùn)行一星期后碳刷與環(huán)面的有效接觸面積差異較大，導(dǎo)致各碳刷的溫度差異較大，后期各碳刷溫差將逐步縮小。

(4)改造后，滑環(huán)室環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境潔凈度，以及碳刷接觸面溫度等條件有利于碳刷接觸面氧化膜的建立。

3.2 滑環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化改造前后溫度比較

7號(hào)機(jī)滑環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)月后，碳刷與集電環(huán)面達(dá)到100%貼合，碳刷接觸面氧化膜均勻，碳刷溫度趨于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。以8號(hào)機(jī)滑環(huán)系統(tǒng)(未優(yōu)化改造)作為參照機(jī)組，在勵(lì)磁電流和環(huán)境溫度相近的條件下，連續(xù)一個(gè)星期測量 7號(hào)機(jī)和8號(hào)機(jī)碳刷溫度，碳刷日平均溫度曲線如圖6所示。圖中滑環(huán)室環(huán)境溫度、碳刷溫度參考左軸縱坐標(biāo)，勵(lì)磁電流參考右縱坐標(biāo)。根據(jù)曲線可以得出以下結(jié)論：

(1)7號(hào)機(jī)正極碳刷平均溫度比8F正極碳刷平均溫度低40～50 ℃，7號(hào)機(jī)負(fù)極碳刷平均溫度比8號(hào)機(jī)負(fù)極碳刷平均溫度低50 ～60 ℃，優(yōu)化改造后碳刷溫度大幅度降低。

(2)當(dāng)勵(lì)磁電流升高時(shí)(5月7日～5月9日)，7F碳刷溫升速率低于8號(hào)機(jī)碳刷溫升速率，表明優(yōu)化改造后，滑環(huán)系統(tǒng)應(yīng)對大勵(lì)磁電流和頻繁負(fù)荷調(diào)整的能力更強(qiáng)，可靠性得到提高。

圖6 7F與8F滑環(huán)系統(tǒng)碳刷溫度比較

3.3 與國內(nèi)同型式滑環(huán)系統(tǒng)比較

(1)滑環(huán)系統(tǒng)各部件溫度指標(biāo)大幅度領(lǐng)先國內(nèi)同型式機(jī)組，達(dá)到了國際先進(jìn)水平，特別是對負(fù)極碳刷接觸面溫度表現(xiàn)優(yōu)異。

(2)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整、頻繁開停機(jī)、環(huán)境溫度變化等不利因素對滑環(huán)系統(tǒng)溫升影響較小，對溫升的冗余度更大，滑環(huán)系統(tǒng)的可靠性更高。

(3)濾筒式碳粉收集裝置在國內(nèi)屬于首次使用，徹底解決了碳粉污染給滑環(huán)系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來的一系列問題，滑環(huán)系統(tǒng)內(nèi)、外部環(huán)境更清潔，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境友好、綠色運(yùn)行。

(4)技術(shù)優(yōu)化后的滑環(huán)系統(tǒng)，布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊、美觀大方、便于維護(hù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備可靠性和人性化的完美結(jié)合。

(5)技術(shù)優(yōu)化后投入運(yùn)行至今，已運(yùn)行一年多時(shí)間，滑環(huán)系統(tǒng)沒有發(fā)生過局部過熱、碳刷打火、碳刷卡澀、單只碳刷寬幅脈沖電流大幅度波動(dòng)等頻發(fā)故障，實(shí)現(xiàn)了滑環(huán)系統(tǒng)全年免維護(hù)運(yùn)行。

[1]GB50170—92 電氣裝置安裝工程旋轉(zhuǎn)電機(jī)施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[2]余維坤. 大型水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組滑環(huán)裝置安全運(yùn)行與分析[J]. 水力發(fā)電， 2014， 40(10)： 26-28.

[3]李廣. 大型水輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)裝置環(huán)面損蝕探究[J]. 中國電力， 2014(8)： 116-118．

[4]楊大貴. 水輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)系統(tǒng)改造[J]. 電力系統(tǒng)裝備， 2010(10)： 72-74．

(責(zé)任編輯 高 瑜)

Optimizing Modification and Operation Analysis of Slip Ring System of 800MW Hydro-generator

CHEN Feng, LI Wenjia

(Xiangjiaba Hydropower Plant, Yibin 644612, Sichuan, China)

The overheating fault of slip ring system of generator may cause rotor grounding, short circuit between positive and negative poles, magnetic loss of generator and other failures, and then endanger the safe and stable operations of hydro-generators and power grid. From the aspects of current density, contact resistance, heat-sinking capability and arrangement form of slip ring system, and environmental factors, the causes of slip ring system overheating are comprehensively analyzed, and the modification program is also proposed. The modification program has been successfully applied in practice．

large hydro-generator; slip ring system; overheating fault; optimizing modification; Xiangjiaba Hydropower Plant

2016-05-31

陳鋒(1981—)，男，四川廣安人，工程師，長期從事水電站電氣一次設(shè)備管理工作．

TM312

A

0559-9342(2016)11-0084-04