淺談貫流式機(jī)組集電環(huán)碳刷打火及溫度偏高處理

冉垠康，張玉祥

(國(guó)電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂(lè)山 614900)

某貫流式水電站位于為大渡河干流，該電站正常蓄水位554 m，壩頂長(zhǎng)319.4 m，最大壩高63 m，壩頂高程557 m，總裝機(jī)容量34.8 MW，共布置6臺(tái)單機(jī)容量為5.8 MW的燈泡貫流式機(jī)組，多年平均發(fā)電量16.1億kW·h，為二等大(2)型工程。2017年首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，計(jì)劃2018年機(jī)組全投。

該水輪發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家為東方電機(jī)股份有限公司，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SFWG58-68/8750，發(fā)電機(jī)額定功率58 MW，定子繞組額定電壓為10.5 kV，額定電流為3 447.8 A，額定勵(lì)磁電壓410 V，額定勵(lì)磁電壓1 015 A。

1 碳刷現(xiàn)狀

1.1 機(jī)組碳刷打火的情況

該水電站發(fā)電機(jī)組集電環(huán)正極有16個(gè)碳刷，負(fù)極有16個(gè)碳刷。

2017年6月27日，1號(hào)機(jī)組并網(wǎng)成功，進(jìn)入72 h運(yùn)行完成后，機(jī)組停機(jī)進(jìn)行消缺。

2017年6月30日，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)艙比較潮濕。

2017年7月26日，1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)打火嚴(yán)重，滑環(huán)溫度偏高的現(xiàn)象。

2017年8月，1號(hào)機(jī)組增加除濕機(jī)設(shè)備。

1號(hào)機(jī)組自7月26日轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)行后，在巡回過(guò)程中發(fā)現(xiàn)集電環(huán)負(fù)極碳刷與集電環(huán)之間出現(xiàn)較為明顯的打火現(xiàn)象。1號(hào)機(jī)組1 MW左右負(fù)荷基本無(wú)打火現(xiàn)象，負(fù)荷繼續(xù)升高至1.5萬(wàn)左右逐步出現(xiàn)少量打火現(xiàn)象，隨著負(fù)荷繼續(xù)升高至3萬(wàn)負(fù)荷，打火現(xiàn)象繼續(xù)擴(kuò)大，負(fù)極16個(gè)碳刷中多數(shù)出現(xiàn)打火現(xiàn)象，碳刷、集電環(huán)最高溫度89℃。4.5 MW負(fù)荷時(shí)，集電環(huán)最高溫度達(dá)到120℃。

2017年9月27日，1號(hào)機(jī)組停機(jī)對(duì)下環(huán)(負(fù)極)出現(xiàn)磨損嚴(yán)重的2個(gè)碳刷和一個(gè)卡死的碳刷進(jìn)行了更換，在更換過(guò)程中發(fā)現(xiàn)集電環(huán)表面碳刷與集電環(huán)接觸面出現(xiàn)多處凹凸點(diǎn)，集電環(huán)表面有一層碳粉凝積物。檢查其他碳刷也有較大磨損，由于停機(jī)時(shí)間很短，本次只對(duì)碳刷進(jìn)行了更換，更換完成后，打火現(xiàn)象仍然存在，圖1、圖2為磨損嚴(yán)重的2個(gè)碳刷和卡緊的碳刷。

圖1 1號(hào)機(jī)組碳刷磨損情況圖

圖2 1號(hào)機(jī)組碳刷卡緊情況圖

2017年10月14日再次停機(jī)處理。

2018年2月23日，2號(hào)機(jī)組發(fā)現(xiàn)碳刷打火，情況與1號(hào)機(jī)組相似。

2018年3月7日，2號(hào)機(jī)組碳刷打火處理。

2 分析原因

2.1 新裝機(jī)組碳刷打火及溫度偏高的原因

新裝機(jī)組碳刷打火及溫度偏高可能出現(xiàn)的原因：

1)按照SL 573-2012《燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行檢修規(guī)范》中“H.9.4.4 集電環(huán)檢修”中規(guī)定：集電環(huán)表面不應(yīng)有麻點(diǎn)或凹溝，當(dāng)凹溝大于0.5 mm且運(yùn)行中碳刷冒火或出現(xiàn)響聲無(wú)法消除時(shí)，應(yīng)車(chē)削或研磨集電環(huán)。

碳刷在集電環(huán)上運(yùn)行，會(huì)在其接觸面上形成均勻、適度、穩(wěn)定的氧化膜，這層氧化膜改變碳刷與集電環(huán)的接觸特性、減少了摩擦、降低損耗，延長(zhǎng)使用壽命。但氧化膜的形成由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、集電環(huán)材質(zhì)的硬度、集電環(huán)加工精度、擺渡、碳刷的材質(zhì)、刷握彈簧的壓力、勵(lì)磁電流平均值等因素決定。

2)一般情況下，水輪發(fā)電機(jī)組碳刷打火及溫度偏高由以下幾種原因造成：①集電環(huán)表面臟污、集電環(huán)表面的平整度不夠；②碳刷過(guò)短、碳刷質(zhì)量缺陷、碳刷彈簧壓緊度不符合要求；③碳刷載流量不滿(mǎn)足要求；④集電環(huán)表面出現(xiàn)凹溝、凸點(diǎn)或者集電環(huán)表面燒傷等原因出現(xiàn)集電環(huán)表面不光滑；⑤碳刷運(yùn)行時(shí)的“負(fù)極效應(yīng)”；⑥刷握與集電環(huán)的安裝距離、勵(lì)磁電流的大小等均是影響碳刷與集電環(huán)之間電流傳遞的重要因素，也是是否產(chǎn)生打火現(xiàn)象的根本原因；⑦刷握與碳刷的靈活度不滿(mǎn)足要求。

2.2 根據(jù)實(shí)際狀況分析原因

1)2017年10月11日對(duì)2號(hào)機(jī)組從1萬(wàn)增加至3萬(wàn)負(fù)荷區(qū)間碳刷情況進(jìn)行了觀察，未出現(xiàn)任何打火現(xiàn)象，碳刷溫度、集電環(huán)溫度最高87℃，均處于正常狀態(tài)，因總負(fù)荷的原因未繼續(xù)增大負(fù)荷觀察情況。隨后對(duì)1號(hào)機(jī)組從1萬(wàn)增加至3萬(wàn)負(fù)荷區(qū)間碳刷情況進(jìn)行了觀察，1萬(wàn)左右負(fù)荷基本見(jiàn)不到打火現(xiàn)象，負(fù)荷繼續(xù)升高至1.5萬(wàn)左右逐步出現(xiàn)少量打火現(xiàn)象，隨著負(fù)荷繼續(xù)升高至3萬(wàn)負(fù)荷，打火現(xiàn)象繼續(xù)擴(kuò)大，負(fù)極16個(gè)碳刷中多數(shù)出現(xiàn)打火現(xiàn)象，碳刷、集電環(huán)最高溫度89℃。根據(jù)前期4.5萬(wàn)負(fù)荷時(shí)，集電環(huán)最高溫度達(dá)到120℃。

2)上述對(duì)照1、2號(hào)機(jī)組情況，兩臺(tái)機(jī)組碳刷型號(hào)、刷握彈簧壓力、安裝情況一致，1號(hào)機(jī)組出現(xiàn)頻繁打火，2號(hào)機(jī)組未任何打火現(xiàn)象，可以判斷1號(hào)機(jī)組集電環(huán)的不平整度、出現(xiàn)毛刺是碳刷打火的主因。

3)集電環(huán)出現(xiàn)毛刺可能是吊裝過(guò)程中保護(hù)不善引起的，也可能是碳刷“負(fù)極效應(yīng)”的原因，負(fù)極電流從集電環(huán)流向碳刷，集電環(huán)為正極、碳刷為負(fù)極，集電環(huán)表面出現(xiàn)正離子散失發(fā)生陽(yáng)極蒸發(fā)，集電環(huán)表面出現(xiàn)粗糙現(xiàn)象。

4)檢修人員在2017年9月對(duì)1號(hào)機(jī)組集電環(huán)、刷握及碳刷衛(wèi)生進(jìn)行了清掃，更換了過(guò)短及卡塞碳刷，更換后仍然出現(xiàn)打火現(xiàn)象。

5)在2017年10月，1號(hào)機(jī)組停機(jī)，對(duì)集電環(huán)不同面檢查，發(fā)現(xiàn)集電環(huán)面出現(xiàn)銹跡與燒傷痕跡，該痕跡與碳刷和集電環(huán)的接觸面一致。經(jīng)通過(guò)運(yùn)行了解，1號(hào)機(jī)組在進(jìn)行商業(yè)投運(yùn)后期間曾停機(jī)達(dá)1周以上，初步懷疑在此期間發(fā)電機(jī)艙冷凝水嚴(yán)重，集電環(huán)生銹。導(dǎo)致碳刷與滑環(huán)接觸不良造成碳刷打火，進(jìn)而高溫?zé)g集電環(huán)，形成滑環(huán)表面凹凸不平，再加上碳刷偏軟，滑環(huán)溫度上升，在滑環(huán)表面形成一層碳粉凝積物，惡性循環(huán)，加大碳刷打火程度。

6)2號(hào)機(jī)組于2017年10月8日投入商業(yè)運(yùn)行，碳刷運(yùn)行初期為出現(xiàn)打火，于2018年2月發(fā)現(xiàn)碳刷打火。在檢查后發(fā)現(xiàn)情況與1號(hào)機(jī)組情況一致，但銹蝕、熔蝕程度較低。

3 處理方案及方法

3.1 1號(hào)機(jī)組處理方案

方案一：集電環(huán)拆卸下來(lái)進(jìn)行車(chē)削。

方案二：不拆卸集電環(huán)，現(xiàn)場(chǎng)使用人工研磨集電環(huán)表面，并更換新型號(hào)碳刷(新型號(hào)碳刷質(zhì)地較老型號(hào)硬，且設(shè)有通風(fēng)槽，增強(qiáng)散熱功能)，增加除濕設(shè)備，提高通風(fēng)效果。

對(duì)于方案一，需要將貫流式機(jī)組發(fā)電機(jī)艙內(nèi)受油器部分全部拆除，并且還需要將發(fā)電機(jī)艙豎井全部母線及油管拆除，作業(yè)面廣，擴(kuò)大了作業(yè)范圍。在面臨工期緊，人員少的情況下極不現(xiàn)實(shí)，因此方案一首先排除。

對(duì)于方案二，在不拆除集電環(huán)等其他設(shè)備的情況下，采用人工直接打磨集電環(huán)表面，并更換新型號(hào)碳刷，作業(yè)時(shí)間縮短為幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，符合實(shí)際生產(chǎn)。

3.2 1號(hào)機(jī)組處理過(guò)程

1)發(fā)電機(jī)艙安裝了除濕機(jī)，消除冷凝水，除濕機(jī)作業(yè)良好。

2)作業(yè)人員卸下碳刷及刷握彈簧，由于燒傷面凸點(diǎn)明顯，使用普通砂紙無(wú)法打磨，檢修人員對(duì)集電環(huán)表面燒傷及腐蝕痕跡用粗油石進(jìn)行了打磨，然后用0000號(hào)砂紙進(jìn)行打磨，最后用水磨砂紙進(jìn)行了打磨。

圖3 1號(hào)機(jī)組處理前有銹蝕圖

圖4 處理后圖

3)使用酒精布清理集電環(huán)及刷握、絕緣子處灰塵及油污。

4)將碳刷由老型號(hào)(D172)更換為新型號(hào)(型號(hào)：SH3495；材質(zhì)：M44A)，新型號(hào)碳刷與巴西杰瑞電站貫流式機(jī)組所用型號(hào)一致，該碳刷的優(yōu)點(diǎn)在于硬度較老型號(hào)高，并開(kāi)有通風(fēng)槽，便于降溫。碳刷回裝時(shí)應(yīng)使用水磨砂紙打磨，確認(rèn)碳刷與集電環(huán)接觸面良好，調(diào)整刷握與滑環(huán)間隙至3～5 mm，減小碳刷振動(dòng)，檢查碳刷在刷握內(nèi)靈活，確保碳刷在壓力彈簧作用下碳刷與滑環(huán)接觸良好。

圖5 新型號(hào)碳刷圖

5)由于貫流式機(jī)組集電環(huán)與立式機(jī)組不同，集電環(huán)空間狹小，作業(yè)人員打磨不方便，正極集電環(huán)每次只能站一人打磨，負(fù)極集電環(huán)每次也只能站一人打磨。在連續(xù)不間斷打磨情況下總共花費(fèi)了7 h。處理后機(jī)組集電環(huán)未出現(xiàn)打火情況，效果良好。

圖6 集電環(huán)負(fù)極處只能站一人圖

3.3 2號(hào)機(jī)組處理方案

由于1號(hào)機(jī)組處理后效果良好，2號(hào)機(jī)組處理方案與1號(hào)機(jī)組一致。只是在處理工程中使用了專(zhuān)用的“集電環(huán)研磨工具”，優(yōu)化了處理工藝及處理工具，縮短了處理時(shí)間。

3.4 2號(hào)機(jī)組處理過(guò)程

鑒于1號(hào)機(jī)組通過(guò)人工打磨滑環(huán)耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大的不利因素，考慮優(yōu)化處理工藝及處理工具，縮短處理時(shí)間，提高工作效率，檢修人員自制集電環(huán)研磨工具，如圖7-圖8。

圖7 集電環(huán)研磨工具圖

圖8 集電環(huán)研磨工具安裝效果圖

作業(yè)人員對(duì)集電環(huán)研磨工具上安裝上研磨用的5 000目油石，集電環(huán)涂抹專(zhuān)用潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑，在機(jī)組進(jìn)行空轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)行打磨初，時(shí)間約1 h，檢查效果，再次更換為10 000目細(xì)油石研磨2 h。

打磨后，作業(yè)人員使用手檢查集電環(huán)表面，光滑度較之前有明顯提高。同時(shí)也更換為新型號(hào)碳刷，投運(yùn)后未發(fā)現(xiàn)打火。本次處理時(shí)間總共使用了4 h，較之1號(hào)機(jī)處理節(jié)約了時(shí)間，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，且效果更換，提高了發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益。

3.5 防范措施

1)由于1號(hào)、2號(hào)機(jī)組集電環(huán)已經(jīng)存在熔蝕等情況，凹點(diǎn)更是無(wú)法打磨，盡管進(jìn)行人工打磨后，但是畢竟無(wú)法與出廠精度相比，雖然未出現(xiàn)打火情況，但是畢竟集電環(huán)已經(jīng)存在隱患了。因此在運(yùn)行過(guò)程中要加強(qiáng)巡回力度，尤其是在高負(fù)荷情況下觀察碳刷打火情況和碳刷、集電環(huán)溫度。

2)在后續(xù)機(jī)組安裝、吊裝、檢修、維護(hù)過(guò)程中做好集電環(huán)保護(hù)，做好集電環(huán)擺度控制。

3)改善環(huán)境通風(fēng)效果，特別是機(jī)組停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)的情況下，防止冷凝水侵蝕集電環(huán)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)某貫流式水電站發(fā)電機(jī)組集電環(huán)碳刷打火處理情況,列舉了發(fā)生這種現(xiàn)象可能的幾種原因,根據(jù)逐一排除后，逐步分析碳刷打火的原因發(fā)電機(jī)艙濕度大通風(fēng)效果差，停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)集電環(huán)銹蝕及碳刷材質(zhì)偏軟造成的，同時(shí)優(yōu)化了集電環(huán)處理工藝方法及流程。通過(guò)本次對(duì)貫流式發(fā)電機(jī)組集電環(huán)碳刷打火的處理方法，證明尋找問(wèn)題的方法及處理方法是合適的,可以作為下一步貫流式機(jī)組集電環(huán)打火處理的參考。以免發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生集電環(huán)、刷握架燒毀的情況，造成發(fā)電機(jī)損壞等不可挽回的損失。能夠確保機(jī)組安全、可靠運(yùn)行的。