水輪發(fā)電機(jī)刷架裝置過熱缺陷分析及優(yōu)化改造

李香華，耿乾坤，單文建（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

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水輪發(fā)電機(jī)刷架裝置過熱缺陷分析及優(yōu)化改造

李香華，耿乾坤，單文建
（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

摘要：針對(duì)某水電站水輪發(fā)電機(jī)刷架裝置過熱缺陷，從設(shè)備結(jié)構(gòu)和故障現(xiàn)象分析其原因，研究提出了通流鋼導(dǎo)體接觸面鍍銀技術(shù)，并在電站全部機(jī)組刷架裝置進(jìn)行了刷架鍍銀等全面優(yōu)化改造，通過改造前后刷架主要性能對(duì)比分析，對(duì)改造實(shí)施效果進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)高溫導(dǎo)電接觸面性能改善有較高的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：刷架；過熱；鍍銀

0前言

水輪發(fā)電機(jī)滑環(huán)裝置由集電環(huán)、電刷、刷握、刷架等構(gòu)成，其作用是通過靜止的電刷和旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)環(huán)面的接觸，將勵(lì)磁電流送入轉(zhuǎn)子繞組。滑環(huán)裝置性能的好壞直接影響到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流是否能順利送入轉(zhuǎn)子繞組，從而影響發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。國(guó)內(nèi)某水電站裝有我國(guó)20世紀(jì)80年代初期自行設(shè)計(jì)、自行生產(chǎn)的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，為典型立軸半傘式結(jié)構(gòu)，其滑環(huán)裝置布置在導(dǎo)軸承上面，上方裝有受油器。近年來，多臺(tái)機(jī)組刷架接觸面出現(xiàn)過熱缺陷，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1集電環(huán)刷架過熱缺陷原因分析

1.1發(fā)電機(jī)刷架結(jié)構(gòu)及過熱理論分析

電站機(jī)組刷架采用分瓣結(jié)構(gòu)，上下環(huán)各分為3瓣，每瓣之間用帶絕緣的螺栓進(jìn)行緊固，刷架連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1發(fā)電機(jī)刷架連接結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)電流流過導(dǎo)體時(shí)發(fā)熱量計(jì)算 可以看出，在單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體發(fā)熱量與其通過的電流及導(dǎo)體的電阻有關(guān)，而對(duì)于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)而言，發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)保持穩(wěn)定的情況下，勵(lì)磁電流變化不大，因此，刷架過熱的主要原因在于刷架電阻偏大，缺陷發(fā)生在刷架連接處，其主要原因在于刷架連接處接觸電阻過大。當(dāng)刷架接觸面接觸電阻由于某種因素如接觸表面狀況不良、氧化程度嚴(yán)重、接觸壓力較小、有效接觸面積減小而增大時(shí)，其發(fā)熱量（溫度）將相應(yīng)增大，電阻由于熱效應(yīng)也會(huì)相應(yīng)增大，電阻增大又使溫度增加，如此惡性循環(huán)，將使接觸面的溫升過高，出現(xiàn)過熱缺陷。

1.2刷架連接處接觸電阻過大原因分析

電氣設(shè)備接頭的接觸電阻除與環(huán)境溫度和通過的電流有關(guān)外，還與接觸面的接觸材料、接觸表面狀況（粗糙程度）、接觸面積的大小、接觸表面氧化程度以及接觸壓力等因素有關(guān)。由刷架連接結(jié)構(gòu)可以初步分析，刷架接頭處的接觸電阻大與刷架搭接面光潔度不夠、刷架搭接處螺栓松動(dòng)、絕緣件強(qiáng)度不夠等原因有關(guān)。

1.2.1刷架搭接面光潔度不夠

刷架通常用Q235鋼板制作，在長(zhǎng)期通電情況下，在刷架搭接處可能會(huì)存在局部氧化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致搭接面的接觸電阻增大。同時(shí)環(huán)境中的碳粉油膩、塵埃、潮氣等也可能會(huì)使刷架接觸面產(chǎn)生較大的膜

1.2.2刷架搭接處固定方式的設(shè)計(jì)缺陷

由圖1可以看出，兩片分瓣刷架連接處緊固件的主要受力點(diǎn)為下端的緊固螺帽和螺栓上端的絕緣柱止口，而整段螺栓絕緣柱作用在刷架及絕緣平墊上的面積較小，且止口內(nèi)外徑材料均為環(huán)氧絕緣材料，環(huán)氧絕緣材料的強(qiáng)度及耐磨程度遠(yuǎn)小于刷架的金屬材料，因此，在機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行的情況下，由于機(jī)組的振動(dòng)擺動(dòng)等原因，導(dǎo)致螺栓絕緣柱止口逐漸磨損，可引起分瓣刷架之間緊固力減弱，搭接面不能完全接觸，從而導(dǎo)致接觸電阻增大，進(jìn)而引起搭接面過熱現(xiàn)象。機(jī)組投入運(yùn)行多年后，絕緣止口磨損在所難免，這也是多臺(tái)機(jī)組刷架出現(xiàn)過熱缺陷的一個(gè)重要原因。

1.2.3絕緣件強(qiáng)度不夠引起的刷架搭接不緊固

由刷架連接結(jié)構(gòu)可以看出，刷架上下端采用的絕緣墊圈均為環(huán)氧絕緣材料，且下端絕緣墊圈緊貼緊固螺帽，承受刷架連接處的主要緊固力，考慮到原環(huán)氧絕緣材料為B級(jí)絕緣，硬度不是很大，在長(zhǎng)期運(yùn)行振動(dòng)過程中，承受緊固力的絕緣墊圈出現(xiàn)磨損凹陷變形現(xiàn)象，同樣可以導(dǎo)致兩片分瓣刷架搭接面不能完全接觸，從而致使接觸電阻增大，進(jìn)而引起搭接面出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

1.2.4刷架接頭處搭接面碳粉堆積及油霧現(xiàn)象

機(jī)組滑環(huán)室上端裝有機(jī)組受油器，機(jī)組運(yùn)行過程中，刷架上由于碳刷磨損會(huì)造成碳粉堆積，同時(shí)，受油器在運(yùn)行過程中可能存在油霧情況，碳粉與油霧粘合形成碳粉油膩，影響刷架散熱，同時(shí)刷架接觸面有松動(dòng)情況時(shí)，碳粉油膩將會(huì)進(jìn)入松動(dòng)的接觸面內(nèi)，影響導(dǎo)電性能，促使刷架過熱氧化。

2優(yōu)化改造方案的確定及實(shí)施

2.1通流鋼導(dǎo)體接觸面鍍銀技術(shù)研究及方案確定

刷架對(duì)導(dǎo)電性能要求高，且運(yùn)行溫度較高，運(yùn)行環(huán)境惡劣，要徹底解決刷架接觸面氧化過熱缺陷，提高導(dǎo)電性和耐溫程度，可以對(duì)接觸面進(jìn)行鍍銀處理。

由于鐵與銀的電位相差懸殊（銀的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為+0.799 1 V，鐵為-0.440 V），銀對(duì)鐵而言屬陰極性鍍層，在銀層不可避免有孔隙或損傷的情況下，往往達(dá)不到對(duì)鋼鐵件的防護(hù)作用，故鋼鐵件不適宜直接鍍銀，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品要求選擇合適的預(yù)鍍層。由于刷架對(duì)導(dǎo)電性能要求較高，因此選擇了結(jié)晶細(xì)致的鍍銅作為預(yù)鍍層，但由于鐵與銅的標(biāo)準(zhǔn)電位相差也較大（銅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為0.337 V），鋼鐵件鍍銅時(shí)易生成疏松甚至是粉末狀銅層，造成鍍層與基體結(jié)合不良，而由于鐵與鎳的標(biāo)準(zhǔn)電位相近，只要鋼鐵基體與浸鎳液接觸，就發(fā)生置換反應(yīng)，生成致密的鎳層，故鋼鐵件可先預(yù)鍍鎳再鍍銅，從而有效解決鋼件鍍銅結(jié)合力問題；同時(shí)由于刷架長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下運(yùn)行，為防止銀層擴(kuò)散形成脆性較大的銀-銅合金，增強(qiáng)結(jié)合力，電鍍過程采取了鍍鎳后鍍銅再預(yù)鍍銀最后鍍銀的方法，在通電環(huán)境下既保證了導(dǎo)電性能又保證良好防護(hù)性能。

在研究通流鋼導(dǎo)體接觸面鍍銀技術(shù)可行的基礎(chǔ)上，確定對(duì)電站機(jī)組刷架裝置搭接面全部進(jìn)行鍍銀改造，并同時(shí)采取了接觸面加固改造等優(yōu)化改造措施。具體處理措施為：刷架接觸面打磨、拋光并做鍍銀處理；刷架絕緣件更換升級(jí)為H級(jí)絕緣；針對(duì)機(jī)組刷架搭接具體結(jié)構(gòu)不同，采取增加刷架穿心螺桿外包絕緣直徑并專門設(shè)計(jì)制作專用金屬墊片，或采取在上下搭接面配孔加裝螺桿固定等方式，加強(qiáng)刷架接觸面緊固程度，解決絕緣件及止口磨損嚴(yán)重的問題。

2.2項(xiàng)目改造實(shí)施及工藝控制

2.2.1刷架打磨拋光及鍍銀過程控制

為保證鋼件鍍銀工藝，首先應(yīng)降低表面粗糙度，保證工件表面無砂眼、裂縫、毛刺、飛邊等質(zhì)量問題的存在，鍍銀前對(duì)鍍銀面進(jìn)行了打磨拋光處理，整個(gè)打磨拋光過程均在磨床上進(jìn)行精磨，刷架打磨拋光合格后方可進(jìn)行后續(xù)鍍銀處理；鍍銀前還對(duì)刷架接觸面進(jìn)行除油等預(yù)處理，以確保鍍層均勻，結(jié)合牢固，無缺陷。

鋼鐵件電鍍銀的工藝與銅件電鍍工藝大致相同，僅是鍍層的厚度要求有所不同，主要是鍍銅的厚度和鍍銀的厚度都要增加，減少鍍層的孔隙率，以防止產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。按照理論分析，鍍鎳15 min，鍍層厚度約3～5 μm；鍍銅20 min，鍍層厚度約5～8μm；鍍銀90～100 min，鍍層厚度約15～20 μm，鍍銀結(jié)束后使用磁性測(cè)厚儀對(duì)整個(gè)鍍層厚度進(jìn)行檢測(cè)，鍍層總厚度控制在20～25 μm。

2.2.2刷架回裝過程控制

刷架加工確保鍍銀面均勻、平整、結(jié)合牢固、鍍層無缺陷，刷架回裝時(shí)對(duì)搭接面是否平整以及閉合是否嚴(yán)密進(jìn)行仔細(xì)檢查，接觸合縫用0.05 mm的塞尺檢查，深度不應(yīng)大于5 mm。

3改造前后刷架主要性能對(duì)比

3.1改造前后刷架接觸面粗糙度對(duì)比

改造前對(duì)存在過熱缺陷的機(jī)組刷架打開進(jìn)行檢查，均發(fā)現(xiàn)搭接面存在粗糙、氧化現(xiàn)象，粗糙度嚴(yán)重超標(biāo)。對(duì)刷架接觸面進(jìn)行打磨、拋光處理合格后，對(duì)接觸面進(jìn)行鍍銀處理，鍍銀后接觸面均勻平整。

為精確對(duì)比刷架改造前后接觸面粗糙度，機(jī)組刷架改造前后使用粗糙度儀對(duì)接觸面表面粗糙度進(jìn)行測(cè)試，由測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，改造前粗糙度最大可達(dá)到10.5 μm，改造后粗糙度最大數(shù)據(jù)僅為0.989 μm，每一個(gè)接觸面改造前后粗糙度均有所改善。圖2為電站部分機(jī)組刷架改造前后粗糙度對(duì)比圖。

圖2部分機(jī)組刷架改造前后粗糙度對(duì)比（單位μm）

3.2改造前后刷架接觸面接觸電阻測(cè)試對(duì)比

項(xiàng)目實(shí)施前后，對(duì)部分機(jī)組刷架接觸面接觸電阻也進(jìn)行了測(cè)試，其改造前后接觸面接觸電阻測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 部分機(jī)組刷架改造前后接觸面接觸電阻對(duì)比 （單位μΩ）

由表1中接觸電阻測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，改造前接觸電阻最大可達(dá)到1 869μΩ，改造后接觸電阻最大數(shù)據(jù)僅為45.87μΩ，由數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，改造前后刷架接觸電阻所有改善。

3.3改造前后刷架接觸面溫度分析

3.3.1曾出現(xiàn)過熱缺陷機(jī)組改造前后刷架運(yùn)行情況分析

以曾出現(xiàn)嚴(yán)重過熱的A機(jī)組為例，對(duì)改造前后測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，兩次測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比見表2。

表2A機(jī)組改造前后刷架接觸面測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)表2數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，A機(jī)組改造前出現(xiàn)嚴(yán)重過熱，改造后過熱現(xiàn)象消失，盡管負(fù)荷及勵(lì)磁電流變大，接觸面溫度及溫升明顯下降，且運(yùn)行狀況良好。

3.3.2未出現(xiàn)過熱缺陷機(jī)組改造前后刷架運(yùn)行情況分析

以未出現(xiàn)刷架過熱現(xiàn)象的B機(jī)組為例，對(duì)改造前后測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，兩次測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比見表3。

表3B機(jī)組改造前后刷架接觸面測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比

表3數(shù)據(jù)可以看出，未出現(xiàn)刷架過熱現(xiàn)象的B機(jī)組，改造后盡管負(fù)荷及勵(lì)磁電流變大，但仍可以明顯看出改造后刷架接觸面最高溫度及溫升均下降，刷架溫度趨于均勻?？梢?，通過改造，刷架運(yùn)行狀況得到改善。

4結(jié)語

水輪發(fā)電機(jī)組滑環(huán)裝置刷架材質(zhì)通常采用鋼材，且多為分瓣結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，總會(huì)出現(xiàn)氧化過熱現(xiàn)象，同時(shí)，長(zhǎng)期振動(dòng)也會(huì)致使接觸面松動(dòng)而過熱，影響刷架裝置安全運(yùn)行，也影響到電刷電流的均勻分布，從而影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過打磨、鍍銀及加固等措施，可較好改善刷架接觸面粗糙度、緊固程度及導(dǎo)電性能，效果較好。特別在鋼材上采取先鍍鎳后鍍銅再鍍銀的方式，既能確保接觸面導(dǎo)電性能，又能保證鍍層的結(jié)合力，運(yùn)行多年后檢查接觸面無鍍層脫落、起皮現(xiàn)象，在高溫導(dǎo)電接觸面性能改善方面有較高的借鑒意義。

中圖分類號(hào)：TM312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2016）06-0052-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.018

收稿日期：2016-03-03

作者簡(jiǎn)介：李香華（1981-），男，高級(jí)工程師，從事水輪發(fā)電機(jī)電氣一次部分檢修技術(shù)管理工作。電阻和化學(xué)腐蝕，增大接觸電阻，化學(xué)腐蝕還會(huì)進(jìn)一步加重其氧化程度，造成該處的接觸電阻進(jìn)一步增大。打開刷架過熱點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)搭接面均存在粗糙、氧化現(xiàn)象，光潔度嚴(yán)重不夠，分析此為刷架過熱缺陷頻出的一個(gè)主要原因。