大型水輪發(fā)電機勵磁碳刷過熱原因分析與預防處理

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000)

大型水輪發(fā)電機勵磁碳刷過熱原因分析與預防處理

胡慶雄屈文鋒王勤

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000)

發(fā)電機勵磁碳刷過熱是發(fā)電機運行過程中的常見故障，若不及時消除，可導致被迫停機或燒毀碳刷和集電環(huán)，直接威脅發(fā)電機安全運行。本文從發(fā)電機勵磁碳刷動態(tài)回路電阻入手，介紹了勵磁碳刷動態(tài)回路電阻的影響因素，并對影響因素造成碳刷過熱的可能性進行理論分析，根據(jù)分析結果提出了一種碳刷過熱的處理方法和預防措施。

水輪發(fā)電機；勵磁碳刷過熱；處理

1 概 述

大型水輪發(fā)電機大多采用靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，勵磁系統(tǒng)輸出勵磁電流至碳刷，碳刷與發(fā)電機集電環(huán)摩擦接觸，從而將勵磁電流送至發(fā)電機轉子回路中 。發(fā)電機勵磁碳刷過熱是發(fā)電機運行過程中的常見故障，若不及時消除，可導致被迫停機或燒毀碳刷和集電環(huán)，直接威脅發(fā)電機安全運行。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中碳刷的運行和維護技術屬于傳統(tǒng)技術，多年來始終被沿襲和使用。鑒于此，為確保碳刷安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，應深入研究其過熱原因，結合現(xiàn)場運行條件，采取可靠的技術措施排除故障。

2 碳刷發(fā)熱的原因

碳刷發(fā)熱由三部分組成：碳刷電阻發(fā)熱Q1，碳刷接觸壓降發(fā)熱Q2和摩擦發(fā)熱Q3[1，2]。

碳刷電阻發(fā)熱為

Q1=I2R1

(1)

碳刷接觸壓降發(fā)熱為

Q2=IΔE=I2R2

(2)

摩擦發(fā)熱為

Q3=Fv

(3)

碳刷總發(fā)熱為

Q=Q1+Q2+Q3=(R1+R2)I2+Fv

(4)

以上式中I——流過碳刷的電流；

R1——碳刷電阻；

ΔE——接觸壓降；

R2——碳刷與集電環(huán)的接觸電阻；

F——碳刷壓緊力；

v——碳刷與集電環(huán)的相對運動速度。

大型水輪發(fā)電機轉速比汽輪發(fā)電機轉速低很多，在水輪發(fā)電機空轉時，由于碳刷沒有勵磁電流流過，碳刷發(fā)熱只有Q3，碳刷溫升一般低于10K。發(fā)電機正常運行與發(fā)電機空轉相比，碳刷壓緊力、額定轉速不變，摩擦系數(shù)基本恒定，所以Q3基本不變。綜合以上分析，碳刷過熱的主要原因是流過碳刷電流偏大，即Q1、Q2增大引起碳刷過熱。

3 碳刷工作原理

發(fā)電機運行過程中，發(fā)電機勵磁碳刷間根據(jù)碳刷動態(tài)回路電阻值按并聯(lián)電路分流原理進行分流，動態(tài)回路電阻值小的碳刷分流大、溫度高，動態(tài)回路電阻值大的碳刷分流小、溫度低[2]。碳刷動態(tài)回路電阻是發(fā)電機在運行過程中，從勵磁電纜接頭處的導電環(huán)開始，經(jīng)過刷座、碳刷銅辮、碳刷，到集電環(huán)的回路電阻值(見圖1)。

圖1 碳刷動態(tài)回路電阻示意1—導電環(huán)；2—刷座；3—碳刷銅辮；4—碳刷；5—集電環(huán)

碳刷動態(tài)回路電阻公式為

R=R環(huán)+R環(huán)與座+R座+R座與辮+R辮+R刷+R刷與集

(5)

式中R環(huán)——從勵磁電纜接頭處到刷座間導電環(huán)的電阻值；

R環(huán)與座——導電環(huán)與刷座的接觸電阻值；

R座——刷座的電阻值；

R座與辮——刷座與銅辮子的接觸電阻值；

R辮——銅辮子的電阻值；

R刷——碳刷的電阻值；

R刷與集——碳刷與集電環(huán)間的接觸電阻值。

4 碳刷發(fā)熱因素

根據(jù)碳刷動態(tài)回路電阻公式，影響碳刷回路電阻值的因素都可引起碳刷過熱，包括以下八個方面因素：

a. 影響R環(huán)的因素。由于導電環(huán)本身存在電阻，對于勵磁電纜集中布置的發(fā)電機，碳刷離勵磁電纜遠的R環(huán)大于離勵磁電纜近的R環(huán)，整圓形導電環(huán)的過流性優(yōu)于由兩半圓組合的導電環(huán)。因此可以將勵磁電纜由集中布置方式改造為多點布置方式；對于組合式的導電環(huán)，可將勵磁電流由單端過流方式改造為中間過流方式[3](見圖2)。

圖2 單端過流與中間過流

b. 影響R環(huán)與座的因素。刷座與導電環(huán)間有銹蝕或其它附著物、刷座與導電環(huán)間的連接螺栓松動。

c. 影響R座的因素。一般情況，刷座自身電阻對碳刷動態(tài)回路電阻的影響較小。

d. 影響R座與辮的因素。刷座與銅辮子接觸不良或接觸面有其它附著物。

e. 影響R辮的因素。碳刷銅辮子斷股等。

f. 影響R刷的因素。碳刷的規(guī)格或型號、碳刷長度，碳刷長度對R刷的影響較小。

g. 影響R刷與集的因素。影響碳刷與集電環(huán)接觸電阻的因素較多，如油污嚴重、碳刷卡阻、彈簧壓力減小、碳刷接觸面形成氣膜、集電環(huán)同心度偏大等[4]。

h. 其他因素。除上述因素外，集電環(huán)表面變粗糙、滑環(huán)裝置冷卻風道通風不暢也會引起碳刷過熱[5]。集電環(huán)表面變粗糙，摩擦系數(shù)變大，從而摩擦發(fā)熱增大[6]；滑環(huán)冷卻風道安裝過長、轉角過多、通風口濾網(wǎng)碳粉堆積，造成風阻過大，導致散熱不良。

5 過熱處理方法

碳刷發(fā)熱不嚴重，碳刷溫度高于100℃低于120℃時，需密切關注碳刷溫度的變化情況。碳刷溫度發(fā)熱嚴重，碳刷溫度超過120℃時，測量溫度較低和溫度較高碳刷的電流，處理電流小的碳刷[7]，同時，使用紅外成像儀監(jiān)測碳刷溫度的變化情況。

具體處理方法如下：用紅外成像儀、鉗形電流表測量碳刷溫度和電流，做好數(shù)據(jù)記錄。溫度低、電流小的碳刷為待處理碳刷；處理時，一人工作一人監(jiān)護，作業(yè)人員必須站在干燥的絕緣墊上，戴絕緣手套，身體不得觸碰其他人員或接地；檢查彈簧壓力是否正常以及是否有卡塞現(xiàn)象。如果彈簧壓力不正常，更換新彈簧，如果碳刷卡塞，打磨碳刷側面壓痕；把120目的剛玉砂紙剪成長條，其寬度比碳刷豎面略寬，將砂紙與取下的碳刷一起裝上，進行集電環(huán)打磨，打磨時間約20min；用紅外成像儀測量碳刷溫度，碳刷溫度正常后，取下砂紙，回裝碳刷。

如果集電環(huán)本身有缺陷，例如環(huán)面麻點、同心度偏大或者勵磁電纜集中布置造成分流不均勻，采用上述方法不能降低碳刷溫度，只能停機后進行處理。

6 預防措施

在發(fā)電機歲修期間或者汛期之前，停機測量碳刷的回路電阻值，確保機組在運行時碳刷動態(tài)回路電阻值基本一致，分流均衡。測量碳刷回路電阻值應在滑環(huán)清掃之后進行，滑環(huán)清掃和碳刷回路電阻值測量需要注意以下幾個問題：?檢查集電環(huán)表面是否有劃痕、灼傷現(xiàn)象；?用500V的絕緣表測量導電環(huán)對地、轉子繞組對地的絕緣電阻，并做好記錄；?更換異常碳刷，例如碳刷銅辮子有過熱、斷股現(xiàn)象或碳刷長度小于原長度的1/3，更換的新碳刷要求與原碳刷型號、規(guī)格相同[8]，更換完后打磨碳刷接觸面，要求碳刷與集電環(huán)的接觸面大于碳刷橫截面的3/4；?檢查刷握，要求刷握與集電環(huán)表面應有3～4mm的間隙，且垂直正對集電環(huán)，否則應調(diào)整刷座，并打磨碳刷接觸面[8,9]；?檢查彈簧壓力是否正常，如果彈簧失去彈性或者有裂紋等現(xiàn)象，應更換新彈簧[10]；?滑環(huán)裝置清掃后，應再次測量導電環(huán)對地、轉子繞組對地的絕緣電阻，要求絕緣電阻不小于0.5MΩ，如果絕緣電阻不合格需進行逐一排查；?測量勵磁電纜接頭到碳刷的回路電阻，由于碳刷與集電環(huán)間的接觸電阻R刷與集在停機狀態(tài)與運行狀態(tài)下相差較大，因此測量碳刷回路電阻時不需測量R刷與集?；芈冯娮栎^大的碳刷應進行檢查處理，檢查刷座與集電環(huán)、銅辮子與刷握間的接觸面是否有銹蝕或其它附著物。如果有銹蝕或其它附著物，用120目的剛玉砂紙打磨后用酒精布擦拭干凈，安裝好后再次測量回路電阻[11]。

在歲修期間，除了進行滑環(huán)清掃以外，還可以根據(jù)機組平時運行情況，在集電環(huán)上增加導風葉片、適當增大碳粉吸收裝置吸塵器的功率以及優(yōu)化碳粉吸收裝置的管路，加強滑環(huán)裝置的散熱，從而降低碳刷的溫度。

7 結 論

發(fā)電機勵磁碳刷過熱是發(fā)電機運行過程中的常見故障，若不及時消除，可導致被迫停機或燒毀碳刷和集電環(huán)，直接威脅發(fā)電機安全運行。碳刷過熱處理時，應先檢查處理電流小、溫度低的碳刷，因為其動態(tài)回路電阻值大，因而電流小、溫度低。溫度高的碳刷其動態(tài)回路電阻值較小、電流大，如果先處理電流大的碳刷，勢必引起其它碳刷的溫度過高，造成惡性循環(huán)。集電環(huán)表面變粗糙、滑環(huán)裝置冷卻風道通風不暢引起的碳刷過熱，需要停機后才能徹底解決。

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CauseAnalysisandPreventionTreatmentofExcitationCarbonBrushOverheatingofLargeHydro-generator

HU Qingxiong, QU Wenfeng, WANGQin

(ChinaYangtzePowerCo.,Ltd.,Yichang443000,China)

Generator excitation carbon brush overheating is a common fault in the process of generator operation.If the problem is not promptly eliminated, it can lead to forced outage or burnout of carbon brush and collector ring, thereby directly threatening safe operation of the generator. The paper starts with excitation carbon brush dynamic circuit resistance of power generator. The factors affecting excitation carbon brush dynamic circuit resistance are introduced. The possibility of influence factors on carbon brush overheating is theoretically analyzed. A carbon brush overheating processing method and preventive measures are proposed according to the analysis results.

hydro-generator; excitation carbon brush overheating; processing

TM312

A

1673-8241(2017)09-0023-04

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.09.007