吉牛水電站水輪發(fā)電機(jī)碳刷、集電環(huán)的運(yùn)行隱患分析與治理

李 政， 李 巍， 卿 啟 維

(四川革什扎水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 丹巴 626302)

1 設(shè)備概況

吉牛水電站安裝有兩臺(tái)由哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的120 MW沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速300 r/min，其勵(lì)磁系統(tǒng)是廣州擎天EXC9000型靜止整流柜勵(lì)磁系統(tǒng)。額定勵(lì)磁電壓227 V，額定勵(lì)磁電流1 479 A。發(fā)電機(jī)集電環(huán)采用了耐磨性好的合金鍛鋼制造，表面無螺旋溝，集電環(huán)直徑是1 030 mm， 其圓周速度為16.17 m/s，截面尺寸為75 mm×40 mm。發(fā)電機(jī)碳刷共60塊，正負(fù)極各30塊，采用壓力為180 cN/cm2彈簧提供所需壓力。使用D172型碳刷，規(guī)格是25 mm×32 mm×60 mm。碳刷及集電環(huán)的冷卻靠自然風(fēng)冷卻。

2 發(fā)電機(jī)碳刷、集電環(huán)的運(yùn)行隱患分析

2.1 存在的問題

吉牛水電站兩臺(tái)機(jī)組均在2014年1月投產(chǎn)，自投產(chǎn)以來發(fā)電機(jī)碳刷運(yùn)行中存在的問題有：

(1)碳刷發(fā)熱嚴(yán)重，尤其在夏天情況更甚，環(huán)境溫度升高使碳刷及集電環(huán)溫度更高，超過120 ℃，而D172型碳刷允許運(yùn)行溫度為120 ℃[1]，運(yùn)行中為降低環(huán)境溫度，臨時(shí)增添鼓風(fēng)機(jī)加強(qiáng)通風(fēng)冷卻。

(2)碳刷電流分配不均。經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)電流最大值達(dá)200 A，最小值僅為10 A；碳刷接觸電阻不均，在集電環(huán)高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，造成碳刷與集電環(huán)接觸處打火，經(jīng)調(diào)整后，短時(shí)碳刷打火現(xiàn)象消除；約4h后會(huì)重復(fù)出現(xiàn)電流不均，溫度升高物理現(xiàn)象，長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致發(fā)電機(jī)集電環(huán)磨損嚴(yán)重。

(3)集電環(huán)擺度過大，集電環(huán)偏心，刷握固定不正，造成碳刷磨損過甚，碳刷磨損出現(xiàn)斜角。

(4)碳刷在刷握中過緊，適應(yīng)不靈活，運(yùn)行中刷握和壓簧有損壞和變形現(xiàn)象。

(5)集電環(huán)表面因運(yùn)行工況惡化。集電環(huán)表面磨損不均勻，產(chǎn)生凹凸不平的棱，出現(xiàn)整排碳刷跳動(dòng)現(xiàn)象。

2.2 運(yùn)行情況分析

(1)機(jī)組額定轉(zhuǎn)速300 r/min，其圓周速度為16.17 m/s，易在碳刷與集電環(huán)之間產(chǎn)生氣墊，造成碳刷接觸不良，加之個(gè)別碳刷安裝或自身質(zhì)量問題與集電環(huán)接觸不好，會(huì)加重碳刷與集電環(huán)打火現(xiàn)象，電火花會(huì)灼傷集電環(huán)，造成集電環(huán)表面不光滑。反之，不光滑的集電環(huán)又加速碳刷的磨損和發(fā)熱，而發(fā)熱的碳刷更加容易與集電環(huán)之間發(fā)生打火現(xiàn)象，如此惡性循環(huán)使集電環(huán)表面和碳刷磨損越發(fā)嚴(yán)重，碳刷溫度越來越高，高溫導(dǎo)致碳刷脆化，以及長(zhǎng)期未經(jīng)打掃的碳粉會(huì)導(dǎo)致各碳刷間的參數(shù)差異性越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致負(fù)載嚴(yán)重失衡。

(2)碳刷電流分布不均，發(fā)熱差異大，電流大、溫度高的碳刷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，造成碳刷與集電環(huán)接觸面的氧化膜損壞、刷辮過熱，引起碳刷與集電環(huán)接觸電阻增大。同時(shí)，壓簧經(jīng)高溫后壓力降低，碳刷接觸電阻增加，最后導(dǎo)致碳刷電流減小，其結(jié)果又導(dǎo)致其它接觸好的碳刷過流，進(jìn)一步造成碳刷運(yùn)行工況惡化。

(3)2017年7月31日，吉牛水電站2F機(jī)組發(fā)生集電環(huán)燒毀事故，導(dǎo)致事故停機(jī)。后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)2F機(jī)組的集電環(huán)擺度為0.7 mm，1F機(jī)組的集電環(huán)擺度為0.5 mm。經(jīng)分析認(rèn)為：集電環(huán)的擺度過大導(dǎo)致碳刷與集電環(huán)之間的壓力隨擺動(dòng)的周期增大或減小，更為嚴(yán)重的是，碳刷瞬間跳離集電環(huán)從而使碳刷與集電環(huán)之間產(chǎn)生火花，火花使接觸點(diǎn)產(chǎn)生瞬間高溫，嚴(yán)重時(shí)，在接觸點(diǎn)造成集電環(huán)環(huán)面的灼傷。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行灼傷點(diǎn)周圍出現(xiàn)凸起，這種凸起再次導(dǎo)致集電環(huán)和碳刷接觸面之間的尖端放電，從而再次引起火花，再次灼傷環(huán)面，如此往復(fù)導(dǎo)致環(huán)面損蝕的惡性循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)環(huán)火，燒毀集電環(huán)， 發(fā)電機(jī)被迫事故停機(jī)。

3 發(fā)電機(jī)碳刷、集電環(huán)的改造

3.1 改造措施

3.1.1 降低集電環(huán)擺度

對(duì)2F機(jī)組進(jìn)行盤車，盤車數(shù)據(jù)如表1所示。經(jīng)盤車處理后集電環(huán)的擺度值由原0.7 mm降到0.4 mm。

表1 2F機(jī)組盤車數(shù)據(jù)

3.1.2 增加集電環(huán)的導(dǎo)電截面積

集電環(huán)原截面尺寸為75 mm×40 mm，改為85 mm×40 mm，以降低集電環(huán)電密。集電環(huán)外圓周表面呈螺旋狀溝槽結(jié)構(gòu)，有利于集電環(huán)通風(fēng)散熱，并防止碳刷與集電環(huán)之間產(chǎn)生氣墊效應(yīng)[2]，增強(qiáng)碳刷與集電環(huán)的可靠接觸，降低電刷與集電環(huán)的接觸電阻。

3.1.3 增加絕緣環(huán) 防止放電

在上集電環(huán)下部、下集電環(huán)上部增加絕緣環(huán)，以防止上下環(huán)間產(chǎn)生火花放電。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。

3.1.4 碳刷選型及數(shù)量

碳刷選用NCC634型，尺寸25 mm×32 mm×100 mm，額定電流密度0.1 A/mm2，為天然石墨炭刷，適合高轉(zhuǎn)速機(jī)組且耐磨性能高，減少碳粉污垢。選用25個(gè)碳刷，使電流密度達(dá)0.07 A/mm2接近額定電流密度，有利于建立氧化膜[3]。原機(jī)30個(gè)碳刷，電流密度為0.058 A/mm2偏低，磨損量偏大，所以減少碳刷數(shù)量。當(dāng)機(jī)組長(zhǎng)期進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，使電刷的電密在0.85 A/mm2左右。電刷電密計(jì)算公式如式(1)所示[4]。

(1)

式中If為勵(lì)磁電流；n為每極碳刷個(gè)數(shù)；A為碳刷接觸面長(zhǎng)度；B為碳刷接觸面寬度；λ為碳刷跨越的槽數(shù)；L為集電環(huán)表面螺旋槽的寬度。

3.1.5 降低電密

導(dǎo)電環(huán)由半環(huán)改為整環(huán)，減少出現(xiàn)電流不均勻現(xiàn)象，加大導(dǎo)電環(huán)的尺寸，原機(jī)組導(dǎo)電環(huán)截面尺寸是16 mm×80 mm，改為20 mm×100 mm，降低導(dǎo)電環(huán)電密。

3.1.6 增加可靠性

采用帶電可拆卸刷握，具有在帶電運(yùn)行狀態(tài)下可方便更換的功能，且具有鎖定電刷和指示電刷磨損情況的功能，增加機(jī)組運(yùn)行可靠性。

3.2 改造結(jié)果

革什扎公司在2018年3月，2019年3月大修期間分別對(duì)2F機(jī)組、1F機(jī)組進(jìn)行了集電環(huán)及刷架的整體改造。改造后運(yùn)行效果較好，運(yùn)行中存在的問題全部解決。現(xiàn)對(duì)2F機(jī)組改造及改造后的運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

改造后集電環(huán)的工作環(huán)境得到改善，油霧現(xiàn)象消除，環(huán)境相對(duì)干燥，集電環(huán)的擺度值由改造前的0.7 mm降到0.4 mm，略高于標(biāo)準(zhǔn)[5]要求的0.3 mm，碳刷與集電環(huán)之間無火花產(chǎn)生。豐水期帶120 MW，機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行勵(lì)磁電流小于1 100 A工況下和勵(lì)磁電流大于1 100 A工況下，碳刷溫度在65 ℃附近波動(dòng)，集電環(huán)溫度在72 ℃附近波動(dòng)；枯水期帶70 MW有功滯相運(yùn)行勵(lì)磁電流約900 A工況下，碳刷溫度在60 ℃附近波動(dòng)，集電環(huán)溫度在66 ℃附近波動(dòng)，碳刷溫度受運(yùn)行方式和負(fù)荷大小影響較小。

4 安裝與維護(hù)

碳刷在安裝之前不能有明顯卡滯現(xiàn)象，如有需要進(jìn)行打磨，打磨過程中嚴(yán)禁使用金相砂紙，以防止金剛砂嵌入碳刷中。安裝時(shí)確保刷握與集電環(huán)表面的間隙為2～3 mm，各碳刷與集電環(huán)表面的間隙盡量一致，可以使用工具墊塊控制碳刷與集電環(huán)之間的距離。

碳刷磨損余量為原長(zhǎng)度1/3時(shí)進(jìn)行更換，也可根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況做適當(dāng)調(diào)整，如機(jī)組振動(dòng)、擺度大，造成碳刷與刷握之間的磨損比較嚴(yán)重，兩者之間的間隙變大，碳刷搖擺度大，與集電環(huán)接觸不好易發(fā)生打火現(xiàn)象，那么可以盡早更換。每次更換數(shù)量不能大于總數(shù)的1/10，且碳刷新舊牌號(hào)須一致。待新?lián)Q碳刷經(jīng)過一段時(shí)間磨合，測(cè)量通過的電流與其他未更換的電刷電流差異不大之后，再更換其他碳刷。如果在大修時(shí)一次更換的碳刷較多，應(yīng)當(dāng)在投運(yùn)沖轉(zhuǎn)時(shí)，為碳刷表面形成氧化膜留夠充足的時(shí)間。更換電刷之前，需對(duì)新電刷端面進(jìn)行打磨，使電刷端面形狀與集電環(huán)外圓形狀一致，保證碳刷與集電環(huán)有不小于75%碳?jí)K截面積的接觸面。

及時(shí)消除碳刷打火現(xiàn)象。零星打火影響集電環(huán)環(huán)面的粗糙度，因此，發(fā)現(xiàn)集電環(huán)碳刷打火應(yīng)及時(shí)處理，盡量減少集電環(huán)環(huán)面受到電火花腐蝕。

定期測(cè)量碳刷、刷辮、集電環(huán)的溫度，對(duì)溫度較高的碳刷及時(shí)查找原因并處理；使用鉗形電流表測(cè)量單只碳刷的流通電流，及時(shí)調(diào)整和更換電流過大或過小的碳刷，使得每個(gè)碳刷的電流分擔(dān)差別不要過大；定期清掃，不要使碳粉堆積太多。

5 結(jié) 語

吉牛水電站水能發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中碳刷、集電環(huán)溫度過高，碳刷打火，集電環(huán)灼傷產(chǎn)生凹凸不平的棱，粉塵、油污較重，碳刷、集電環(huán)運(yùn)行溫度較高，運(yùn)行工況較差，出現(xiàn)整排碳刷跳動(dòng)等異?，F(xiàn)象。筆者對(duì)集電環(huán)結(jié)構(gòu)、布局方式、集電環(huán)的導(dǎo)電截面積進(jìn)行了科學(xué)剖析；依據(jù)機(jī)組最大運(yùn)行方式下的勵(lì)磁電流，對(duì)機(jī)組碳刷電流密度進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，并按計(jì)算結(jié)果對(duì)碳刷進(jìn)行了重新選型；依據(jù)機(jī)組震動(dòng)、擺渡大小選擇合理的刷握及安裝間距，保證運(yùn)行中每個(gè)碳刷電流的均衡。通過多次現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、電氣物理量的分析計(jì)算，對(duì)吉牛1F、2F機(jī)組集電環(huán)、導(dǎo)電環(huán)、發(fā)電機(jī)碳刷、刷握進(jìn)行了改造，改造后機(jī)組碳刷、集電環(huán)的運(yùn)行效果較好，改造前存在的異?，F(xiàn)象徹底解決。