高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)碳刷的選型應(yīng)用與實(shí)踐

張發(fā)榮

摘? 要：文章分析了高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)磨損、碳刷過熱打火主要原因及改進(jìn)措施。希望通過文章的分析，能夠?qū)ο嚓P(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī);高轉(zhuǎn)速;碳刷;集電環(huán);卡簧

Abstract： This paper analyzes the main reasons for the wear of collector ring and overheated carbon brush of high-speed hydrogenerator， and puts forward improvement measures， in the hope that the analysis in this paper can provide reference for related work.

引言

水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流通過固定在勵(lì)磁刷架上的碳刷與集電環(huán)接觸供至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁所用磁場，碳刷作為勵(lì)磁電流傳輸?shù)幕瑒?dòng)接觸體，機(jī)械強(qiáng)度足夠的前提下，它的導(dǎo)電、散熱及潤滑性能應(yīng)良好。高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般在500-1000轉(zhuǎn)/分鐘，在非常高的轉(zhuǎn)速下，集電環(huán)與碳刷的摩擦接觸面會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生高溫，從而帶來集電環(huán)表面灼傷，集電環(huán)與碳刷接觸面打火等問題，縮短集電環(huán)和碳刷的使用壽命，機(jī)組大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)打火現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。碳刷的材質(zhì)和數(shù)量選取不當(dāng)、接觸面無法形成氧化膜、各碳刷壓力不均或卡簧壓力不符合要求、集電環(huán)表面粗糙等，均會(huì)造成碳刷與集電環(huán)接觸面過熱、打火。打火現(xiàn)象若不及時(shí)消除，可能會(huì)造成故障擴(kuò)大，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致集電環(huán)正負(fù)極短路環(huán)火，損壞發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及勵(lì)磁系統(tǒng)各部件。所以高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，碳刷的選型就顯得尤為重要。碳刷使用性能良好標(biāo)志應(yīng)該為：碳刷的使用壽命長，并不磨損集電環(huán)，碳刷運(yùn)行時(shí)：不過熱，噪音小，裝配可靠，不破損。

1 電站簡介

雜木寺水電站位于甘肅省武威市涼州區(qū)境內(nèi)的雜木河干流上，該水電站安裝2臺單機(jī)容量為9MW（以下稱大機(jī)）和1臺5MW（以下稱小機(jī)）的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，電站水頭范圍193-224.5m，額定水頭196m。以該電站3#水輪發(fā)電機(jī)組為例，額定轉(zhuǎn)速1000r/min，轉(zhuǎn)速1000r/min在國內(nèi)水電行業(yè)同類型水輪發(fā)電機(jī)組中也屬罕見。該機(jī)組定子額定電壓10.5kV，額定電流343.7A，額定勵(lì)磁電壓81V，勵(lì)磁電流561A，空載勵(lì)磁電壓26V，空載勵(lì)磁電流263A。小機(jī)其碳刷共24塊（尺寸為：25×32×60mm）， 正負(fù)極集電環(huán)各12塊;大機(jī)其碳刷共20塊（尺寸為：25×32×60mm）， 正負(fù)極集電環(huán)各10塊。

2 存在的問題

該水輪發(fā)電機(jī)組（小機(jī)5MW）于2012年5月投產(chǎn)發(fā)電，在后期機(jī)組投入商業(yè)化運(yùn)行過程中，碳刷均出現(xiàn)不同程度打火現(xiàn)象，在年度檢修過程中發(fā)現(xiàn)集電環(huán)正負(fù)極均出現(xiàn)條痕、槽紋，凹凸程度比較嚴(yán)重，給機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅。

3 集電環(huán)磨損及碳刷打火原因分析

3.1 碳刷材料

機(jī)組原有配套的碳刷型號為J201，該碳刷為V型單卡簧碳刷，屬于金屬（銅）石墨材質(zhì)制成，硬度強(qiáng)、電阻率大、材料比重高、開口氣孔率低。在該電站三臺水輪發(fā)電機(jī)組中運(yùn)行，由于摩擦力較大，碳刷和集電環(huán)接觸面溫度較高，由于電化的作用，金屬石墨碳刷雜質(zhì)不能充分揮發(fā)，容易產(chǎn)生金剛砂劃傷集電環(huán)，所以該型號碳刷在高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)組上應(yīng)用不是特別理想。

3.2 集電環(huán)材質(zhì)

主機(jī)廠家原配的集電環(huán)材質(zhì)為20#鋼，屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，強(qiáng)度低，未熱處理態(tài)，韌性、塑性和焊接性好，缺點(diǎn)不耐磨，在長期運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)條痕、槽紋等現(xiàn)象。

3.3 卡簧形式

原碳刷卡簧形式為V型卡簧，存在碳刷與集電環(huán)表面接觸壓力不均勻、受力方向不平衡。

所以綜上三方面，該機(jī)組集電環(huán)材質(zhì)20#鋼材，載流的J201型碳刷在1000r/min的高轉(zhuǎn)速下，與集電環(huán)長期摩擦?xí)?dǎo)致集電環(huán)磨損嚴(yán)重并且使用V型卡簧碳刷與集電環(huán)的接觸面較少增加了集電環(huán)表面運(yùn)行時(shí)的溫度，在碳刷表面無法形成適度均勻穩(wěn)定的氧化膜，碳刷壽命減短，容易造成卡簧疲勞斷裂、集電環(huán)及碳刷溫升過高、集電環(huán)表面電腐蝕等一系列不良后果，長期以往必然對發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行形成嚴(yán)重安全威脅。

4 改進(jìn)方法

（1）經(jīng)過各方面查閱資料與主機(jī)廠家探討，對比篩選各種碳刷性能，最終確定選用進(jìn)口碳刷摩根NCC634。NCC634碳刷采用低彈性模量材料，比重輕、硬度低、各種物理性能和參數(shù)波動(dòng)較小、勵(lì)磁電流均勻分布，在發(fā)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下能更好保持與集電環(huán)的接觸面，從而降低了接觸面溫度， 更好的建立氧化膜， 提高接觸面的潤滑性能。改進(jìn)了碳刷與集電環(huán)的接觸特性，降低接觸面摩擦系數(shù)，減少了碳刷和集電環(huán)的磨損。建立良好的氧化膜增加了碳刷與集電環(huán)間的接觸電壓降，保證了集電環(huán)和碳刷的低磨損。在更換過程中使碳刷與刷握四壁保持0.1～0.2mm間隙，保證碳刷在刷握中伸縮順暢，無卡澀現(xiàn)象。每個(gè)刷握與集電環(huán)外圓面保持5～7mm距離， 使每只電刷的作用力在同一軸線。其有關(guān)性能參數(shù)對照如下表：

（2）由于V型單卡簧缺點(diǎn)為碳刷與集電環(huán)接觸面壓力施加不一致，壓力不平衡，造成碳刷在刷握內(nèi)彈跳現(xiàn)象，2012年度檢修期間將V型卡簧更換為U型恒壓雙卡簧形式。在后期運(yùn)行過程中觀察發(fā)現(xiàn)碳刷打火現(xiàn)象基本消失，總結(jié)缺點(diǎn)為運(yùn)行過程中由于該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，產(chǎn)生碳粉量較多，發(fā)電運(yùn)行期間需定期進(jìn)行碳粉清掃并且存在個(gè)別卡簧疲勞斷裂的現(xiàn)象。

（3）在2013年的運(yùn)行過程中，原集電環(huán)還存在一定程度的磨損現(xiàn)象，公司技術(shù)人員和主機(jī)廠家共同商定后，將20#鋼集電環(huán)更換為不銹鋼材質(zhì)的集電環(huán)，提高了集電環(huán)硬度，集電環(huán)表面耐磨性大大增強(qiáng)。在保證碳刷滿足勵(lì)磁電壓和電流的前提條件下，大大降低了集電環(huán)磨損程度，減少了集電環(huán)條痕、槽紋等不良現(xiàn)象。

（4）結(jié)合更換碳刷后運(yùn)行中產(chǎn)生碳粉較多的情況，在碳刷允許壓力值范圍內(nèi)適度降低恒壓卡簧壓力，2015年年度檢修過程中將雜木寺電站3#發(fā)電機(jī)組原配7kg壓力卡簧更換為4kg壓力值的卡簧，在保證卡簧滿足碳刷所需壓力的條件后，每兩年為一個(gè)周期調(diào)換勵(lì)磁電流正負(fù)極，使集電環(huán)正負(fù)極表面磨損均勻，更加延長集電環(huán)使用壽命。

5 改造后的意義及效果

（1）使用U型恒壓雙卡簧替代原有的V型單卡簧，可以有效提高碳刷與集電環(huán)的接觸面，減少碳刷在刷握內(nèi)卡澀、受力不均勻的問題，可以有效提高發(fā)電機(jī)勵(lì)磁性能的可靠性。壓力值4kg卡簧較7kg壓力值較低，保證碳刷所需壓力的前提下降低了集電環(huán)表面磨損，延長碳刷和集電環(huán)使用壽命。

（2）將原型號為J201碳刷更換型號為NCC634碳刷，同時(shí)在滿足導(dǎo)電率的前提下提高集電環(huán)材質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度，降低了高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間碳刷對集電環(huán)表面的磨損程度，從根本上解決了高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)磨損較快的問題，進(jìn)而延長了集電環(huán)的使用壽命。

6 結(jié)束語

經(jīng)過多年的探索實(shí)踐，高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)碳刷過熱打火及集電環(huán)磨損的主要原因有電腐蝕、集電環(huán)材質(zhì)易磨損、碳刷材質(zhì)過硬、無法形成氧化膜等。要消除碳刷過熱打火、集電環(huán)磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象，就要選擇相應(yīng)材質(zhì)的集電環(huán);定期對勵(lì)磁電流的極性進(jìn)行調(diào)換;選擇合適的碳刷材質(zhì)，根據(jù)額定勵(lì)磁電流的大小必要時(shí)改變碳刷的數(shù)量，給氧化膜形成和正常工作創(chuàng)造條件;運(yùn)行中加強(qiáng)監(jiān)視，及時(shí)清理集電環(huán)和刷架附著的碳粉;用紅外測溫裝置定期測量集電環(huán)和各碳刷的溫度，分析同溫度同工況下的運(yùn)行狀態(tài);檢修期間根據(jù)每個(gè)碳刷的磨損狀況適當(dāng)調(diào)整刷握與集電環(huán)距離，及時(shí)更換碳刷和盡可能使用恒壓彈簧。選擇合適的碳刷型號是十分重要的，各類碳刷由于制造時(shí)所選用原材料和工藝不同而造成技術(shù)性能的差異。因此在選擇碳刷型式及材質(zhì)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮碳刷的性能和發(fā)電機(jī)對碳刷的要求。對集電環(huán)磨損和碳刷過熱、打火應(yīng)給予足夠的重視，及時(shí)處理，阻止故障的發(fā)展。

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