田灣河流域金窩一號機(jī)組集電環(huán)磨損原因分析及技術(shù)改造

李朝全

（四川川投田灣河開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610213）

0 引 言

田灣河流域金窩電站一號機(jī)組屬于高水頭沖擊式機(jī)組，最大運(yùn)行水頭619.8 m，建成后屬當(dāng)時亞洲最高水頭的沖擊式機(jī)組，發(fā)電機(jī)采用了廣州電器科學(xué)研究院進(jìn)口瑞士ABB公司生產(chǎn)的UNITROL5000系列的A5S-A/U231-D2000型可控硅全控橋整流自并勵靜止勵磁裝置。機(jī)組自投產(chǎn)發(fā)電以來為公司、社會創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，但機(jī)組勵磁系統(tǒng)集電環(huán)磨損較為嚴(yán)重，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，本文對機(jī)組勵磁系統(tǒng)集電環(huán)磨損的原因進(jìn)行了歸納總結(jié)，并提出了技改方案。

1 集電環(huán)磨損的原因總結(jié)、分析

第一，選用的碳刷與集電環(huán)不匹配，造成滑環(huán)工作面磨損。機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電后集電環(huán)運(yùn)行正常，集電環(huán)與碳刷配合研磨正常，接觸良好，經(jīng)過一年春夏秋冬四個時節(jié)不同溫度環(huán)境變化的考驗(yàn)以及經(jīng)歷了不同工況、不同勵磁電流的情況，均運(yùn)行穩(wěn)定，但自從機(jī)組檢修后開始部分更換同型號的碳刷，便出現(xiàn)了集電環(huán)及碳刷的磨損，且其相互磨損逐漸加劇，究其原因主要表現(xiàn)在兩方面。一方面，集電環(huán)材質(zhì)與選用碳刷材質(zhì)不匹配。選擇碳刷要以集電環(huán)材質(zhì)為基礎(chǔ)去計算摩擦系數(shù)，從而達(dá)到理想摩擦匹配，并同時滿足載荷電流密度。由于更換的碳刷材質(zhì)、工藝都進(jìn)行了改進(jìn)，碳刷料坯的粉末冶金成型中石墨、銅粉及紅丹粉等成份比例發(fā)生了變化，燒制工藝也發(fā)生了變化，如燒結(jié)由8溫段燒結(jié)提高到10溫段燒結(jié)，造成了二者摩擦系數(shù)增大，導(dǎo)致過度磨損碳粉飛揚(yáng)并堆積，造成放電，在燒灼電流的不斷侵蝕下磨損加劇[1]；另一方面，彈簧的壓力過大/過小。經(jīng)過觀察、統(tǒng)計，集電環(huán)部分位置出現(xiàn)了光亮的凹面或凹槽，但沒有明顯的電灼傷跡象。這是由于碳刷彈簧的壓力過大/過小造成的，即碳刷材質(zhì)、工藝的改變導(dǎo)致了相同形成的彈簧作用在不同材質(zhì)配比的碳刷上應(yīng)力的改變，從而導(dǎo)致了集電環(huán)工作面與碳刷磨損的加劇。

第二，集電環(huán)粗糙度太低，造成集電環(huán)與碳刷的相互磨損加劇。集電環(huán)與碳刷經(jīng)過長期的磨合后，集電環(huán)的粗糙度就會下降，即工作面變得很光滑。當(dāng)集電環(huán)粗糙度太低時，碳刷與集電環(huán)工作面易造成相離，導(dǎo)致工作面長期經(jīng)受小電流的電蝕傷害，同時工作面太光滑，工作面失去對碳刷的吸附性，也會產(chǎn)生一定背離，使碳刷底面出現(xiàn)電蝕，導(dǎo)致工作面磨損。

第三，使用環(huán)境特別惡劣。潮氣+導(dǎo)電粉塵密度很大時，集電環(huán)與碳刷間的小電弧灼燒加劇二者磨損，加之金窩一號機(jī)組由120 MW增容至140 MW，隨著勵磁電流的增加，加劇了二者的磨損。絕緣材料密度不足，電性能欠佳，或表面憎水性不好。金窩電站位于高山區(qū)域，年平均氣溫較低，凝露或潮濕致使絕緣阻值降低，造成相間小電弧不斷放電。金窩機(jī)組又屬于高水頭、高轉(zhuǎn)速機(jī)組，在高轉(zhuǎn)速下碳刷的磨損加劇后，碳粉堆積嚴(yán)重，再次降低了絕緣性能，進(jìn)一步加大了小電弧灼燒的能力，使集電環(huán)與碳刷的磨損加劇。金窩機(jī)組由120 MW增容至140 MW，隨著勵磁電流的增加，集電環(huán)運(yùn)行電流長期在大電流情況下運(yùn)行，超過了碳刷原來設(shè)計的額定電流，會使集電環(huán)表面金屬蒸發(fā)加劇。隨著金屬蒸發(fā)加劇，集電環(huán)表面機(jī)械磨損增大，同時發(fā)生表面退火，集電環(huán)硬度就會下降，形成惡性循環(huán)[2]。因此，超碳刷集電環(huán)的額定運(yùn)行電流是造成集電環(huán)磨損嚴(yán)重的主要原因。

第四，集電環(huán)正、負(fù)極性對調(diào)頻率太低。按照發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程及檢修維護(hù)規(guī)程要求，發(fā)電機(jī)集電環(huán)極性應(yīng)視機(jī)組運(yùn)行工況的不同，至少每年對調(diào)一次，以使集電環(huán)兩端磨損基本一致。集電環(huán)磨損，既有機(jī)械磨損，也有電氣磨損。因電弧的高溫和放電等因素作用，使集電環(huán)極面材料受損壞的電氣磨損存在，從而使集電環(huán)的接觸面受損，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦的機(jī)械磨損。碳刷和滑環(huán)的接觸面流過勵磁電流時，導(dǎo)電的位置不斷變化，加上電流密度很大，就會使一些位置點(diǎn)溫度升高較快，進(jìn)而形成局部高溫；高溫又會使集電環(huán)極面熔化、脫落，金屬變成金屬蒸汽，碳刷結(jié)構(gòu)被破壞，并因氧化腐蝕而脫落。勵磁電流作用下，集電環(huán)正極表面局部因高溫、電弧灼熱而蒸發(fā)出金屬蒸汽，使正極表面受損，即正極蒸發(fā)；負(fù)極因受高溫作用和正離子的撞擊而發(fā)射電子，使負(fù)極表面也遭受損壞，即負(fù)極粉化。因?yàn)檎龢O蒸發(fā)和負(fù)極粉化的存在，當(dāng)電流由碳刷流向滑環(huán)時，使得碳刷接觸面不斷地發(fā)生微小程度的陽極蒸發(fā)，碳粒、石墨離子游離到滑環(huán)表面，碳刷呈現(xiàn)出電氣磨損的表現(xiàn)；隨著陰極粉化在滑環(huán)表面的不斷發(fā)生，使得滑環(huán)表面附著越來越多的碳粒、石墨，光澤的鏡面變得粗糙，從而產(chǎn)生了長期的機(jī)械磨損。

2 提出解決方案取得理想的效果

為徹底解決了金窩一號機(jī)組自投及產(chǎn)以來一直存在的集電環(huán)、碳刷磨損嚴(yán)重的問題，采取了更換絕緣性能更好的帶碳粉吸收裝置的按140 MW運(yùn)行勵磁電流設(shè)計的全封閉式集電環(huán)，采用了以集電環(huán)材質(zhì)為基礎(chǔ)計算摩擦系數(shù)且滿足載荷電流密度的碳刷進(jìn)行匹配，也特意選擇了更加適合高轉(zhuǎn)速機(jī)組、更耐磨的微粉塵型碳刷，合理安排集電環(huán)對調(diào)周期等措施進(jìn)行綜合處理，技術(shù)改造方案如下。

（1）采用了東方電機(jī)股份有限責(zé)任公司的以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《大型交流電機(jī)集電環(huán)與刷架》為基礎(chǔ)按照140 MW機(jī)組額度勵磁電流并保留一定裕度設(shè)計的集電環(huán)，并提出將新集電環(huán)改造成螺旋通風(fēng)槽結(jié)構(gòu)形式，便于通風(fēng)散熱，并防止產(chǎn)生氣墊效應(yīng)；將上、下集電環(huán)支撐絕緣子距離加大，絕緣加厚，結(jié)構(gòu)形式采用凹弧形便于維護(hù)擦拭；根據(jù)原導(dǎo)環(huán)設(shè)計，增加導(dǎo)電環(huán)導(dǎo)電截面積，降低導(dǎo)電環(huán)電密，導(dǎo)電環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮運(yùn)行安全可靠、檢修維護(hù)方便；集電環(huán)能提供刷架吊桿和絕緣桿，刷架吊桿絕緣墊圈改成帶裙邊結(jié)構(gòu)，絕緣墊厚度及絕緣套長度均應(yīng)增加，以增加刷架吊桿絕緣強(qiáng)度；提出廠家對對集電環(huán)表面粗糙度進(jìn)行預(yù)處理，將粗糙度調(diào)整為Ra0.8，新集電環(huán)自帶兩臺碳粉吸收裝置，以最大可能地減少碳刷磨損以及集電環(huán)磨損后粉塵加重集電環(huán)、碳刷的再磨損形成的惡性循環(huán)，并減小維護(hù)工作量，節(jié)約人力及設(shè)備成本。

（2）碳刷選用上海摩根碳刷股份有限公司生產(chǎn)的符合本次技改碳刷材質(zhì)、額度電流、電流密度及耐磨要求的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品EGOR，額定電流密度0.1 A/mm2，為天然石墨碳刷，長度100 mm，電刷為32 mm×25 mm×100 mm，并適合高轉(zhuǎn)速機(jī)組且耐磨性能高，碳粉污垢少；因帶電拆卸刷握具有在帶電運(yùn)行狀態(tài)下可方便更換電刷的功能，且具有鎖定電刷和指示電刷磨損情況的功能，所以本次技術(shù)改造方案特別提出將碳刷刷握改為帶電拆卸形式；提出刷握彈簧對電刷的規(guī)定壓力滿足國標(biāo)要求同時滿足機(jī)組增容后電磁應(yīng)力作用要求；要求提供相應(yīng)配套刷握、彈簧卡、插拔及絕緣套備件各15個，以便在日后運(yùn)行過程中更換時能保證碳刷的材質(zhì)、彈簧應(yīng)力屬于相同標(biāo)準(zhǔn)。

（3）根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行情況、大小修安排定制合理的集電環(huán)正、負(fù)極性對調(diào)頻率及計劃。如果按照發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程及檢修維護(hù)規(guī)程要求，發(fā)電機(jī)集電環(huán)正、負(fù)極應(yīng)視工況每年進(jìn)行不低于一次對調(diào)。由于發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況變化較大，按要求每年對集電環(huán)正負(fù)極進(jìn)行不低于一次調(diào)換較難實(shí)現(xiàn)，況且不同時間間隔進(jìn)行的調(diào)換統(tǒng)計的誤差也較大，因此本次技改方案采用了按大修計劃來對換集電環(huán)正、負(fù)極性，實(shí)際執(zhí)行更容易實(shí)現(xiàn)，且大修周期時間間隔相對比較固定，可使兩端集電環(huán)磨損比較平衡，有利于設(shè)備管理。

（4）再次明確集電環(huán)和碳刷的運(yùn)行監(jiān)視要求及維護(hù)工作。運(yùn)行中，集電環(huán)應(yīng)保持清潔，必要時增加擦滑環(huán)的次數(shù)及頻率，使滑環(huán)粗糙度應(yīng)不低于Ra0．80 ixm，偏心度誤差不能大于0．041Tlln；運(yùn)行中要監(jiān)視、測量及調(diào)整發(fā)電機(jī)整流橋的均流度和碳刷溫度，運(yùn)行人員次巡檢均需要檢查發(fā)電機(jī)整流橋的均流度和碳刷、滑環(huán)溫度，發(fā)現(xiàn)異常和超標(biāo)時應(yīng)及時處理；運(yùn)行中要定時檢查和調(diào)整碳刷彈簧的力度，使彈簧受力基本一致，無太緊或太松情況，發(fā)現(xiàn)彈力不合格的彈簧應(yīng)及時更換。調(diào)整碳刷和刷架之間的空間，使碳刷在刷架內(nèi)跳動靈活、無卡澀；刷架與集電環(huán)之間的距應(yīng)保持在2～3 cm；若距離不夠，刷架及集電環(huán)表面均易磨損；若距離偏大，碳刷易出現(xiàn)大幅擺動或跳動，使磨損加劇。

經(jīng)過三年的運(yùn)行觀察，經(jīng)本次技改后金窩一號機(jī)組集電環(huán)、碳刷磨損嚴(yán)重的問題得到了較好地控制，三年僅更換了三根碳刷，且轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地電阻值長期保持在500 kΩ以上較好絕緣狀態(tài)運(yùn)行，達(dá)到了本次技改的目的。

3 結(jié) 論

發(fā)電機(jī)集電環(huán)與碳刷的磨損問題原因眾多，且較為復(fù)雜，也存在著定量分析較困難的問題。要徹底控制集電環(huán)與碳刷的磨損需要從設(shè)計、選材、匹配及運(yùn)維等多方面共同治理，且需要長期地跟蹤、改進(jìn)，才能起到較好的效果。