大型水輪發(fā)電機(jī)碳刷溫度過(guò)高、打火原因分析及處理

單文建

(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

在大型發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于勵(lì)磁碳刷維護(hù)具有維護(hù)工作量大、易發(fā)生故障、故障后果嚴(yán)重的特征，如何結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)針對(duì)勵(lì)磁碳刷溫度過(guò)高的問(wèn)題提出可行的分析解決方案，具有重要意義[1-3]。其中，文獻(xiàn)[4]針對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)碳刷過(guò)熱起火事故進(jìn)行了原因分析，提出了處理方案。文獻(xiàn)[5]則針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)滑環(huán)碳刷打火、過(guò)熱問(wèn)題進(jìn)行了探討。本文針對(duì)某發(fā)電廠水輪機(jī)投運(yùn)初期碳刷溫度過(guò)高與打火缺陷問(wèn)題進(jìn)行了分析討論，并給出了處理意見(jiàn)。

研究背景：某電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用靜止可控硅自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁電流由發(fā)電機(jī)出口母線經(jīng)勵(lì)磁變壓器進(jìn)入勵(lì)磁盤盤柜，再由勵(lì)磁盤柜將電流輸送至刷架(導(dǎo)電環(huán))，刷架通過(guò)靜止碳刷與轉(zhuǎn)動(dòng)的集電環(huán)面摩擦接觸，將勵(lì)磁電流送入轉(zhuǎn)子繞組。電站投運(yùn)初期機(jī)組發(fā)生碳刷溫度過(guò)高與打火缺陷，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為實(shí)現(xiàn)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，規(guī)避勵(lì)磁碳刷溫度過(guò)高及打火帶來(lái)的巨大維護(hù)成本與故障后果，本文對(duì)大型水輪機(jī)碳刷溫度過(guò)高及打火原因進(jìn)行了缺陷描述與分析并提出了實(shí)際可行的處理方法。

1 缺陷描述

某電站自首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)，共發(fā)生34臺(tái)次碳刷溫度過(guò)高或打火缺陷，局部溫度最高達(dá)到250℃，具體統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 某電站碳刷溫度偏高及打火缺陷統(tǒng)計(jì)表

2 缺陷分析

對(duì)出現(xiàn)碳刷溫度過(guò)高、打火缺陷的機(jī)組進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)主要是滑環(huán)碳粉堆積多、集電環(huán)面有缺陷、碳刷與集電環(huán)接觸電阻偏大等多方面原因所致。其中，1號(hào)機(jī)組碳刷溫度過(guò)高與打火缺陷的頻次最高，檢查發(fā)現(xiàn)其主要是因?yàn)榛h(huán)表面存在缺陷，有很多連續(xù)、成片的凹坑，使碳刷與滑環(huán)面接觸不好，導(dǎo)致接觸電阻增大，而且與其他機(jī)組相比這些連續(xù)、成片的凹坑導(dǎo)致碳刷與滑環(huán)面的接觸面積變小，也使得碳刷與滑環(huán)面的接觸電阻增大，這樣各個(gè)碳刷回路的電阻也相應(yīng)增大，由Q=I2×R×t可知，機(jī)組帶滿負(fù)荷時(shí)勵(lì)磁電流I基本上是一個(gè)定值(I與機(jī)組所帶無(wú)功的多少也有關(guān)，所帶無(wú)功多，機(jī)組視在功率大，I也大)，當(dāng)各個(gè)碳刷回路的電阻增大后，機(jī)組碳刷回路的總電阻R也增大，導(dǎo)致機(jī)組碳刷回路的發(fā)熱量Q增大，使整臺(tái)機(jī)的碳刷溫度普遍升高。而且由于滑環(huán)面缺陷，很多碳刷運(yùn)行時(shí)與滑環(huán)面的接觸電阻很不穩(wěn)定，可能有部分碳刷由于與滑環(huán)面的接觸電阻較大，流過(guò)的電流較小，導(dǎo)致其他碳刷要分擔(dān)更大的電流，當(dāng)個(gè)別碳刷回路電阻很小時(shí)，流過(guò)的電流就會(huì)很大，就有可能使該碳刷溫度過(guò)高。

7、8、9號(hào)等3臺(tái)同類型機(jī)組普遍出現(xiàn)過(guò)熱、打火現(xiàn)象，檢查分析除了滑環(huán)表面臟污、碳刷在刷握內(nèi)有輕微卡阻、彈簧壓力不正常等因素外，另外一個(gè)原因是其集電環(huán)電流接入方式設(shè)計(jì)不合理，勵(lì)磁電纜集中布置，僅通過(guò)2根銅排與集電環(huán)相連接(見(jiàn)圖1)，運(yùn)行時(shí)集電環(huán)上的電流在整個(gè)圓周上的分布不均勻，易造成碳刷上通過(guò)的電流相差較大，使碳刷溫度過(guò)高。

其余機(jī)組碳刷過(guò)熱、打火缺陷主要原因是碳粉堆積較多、滑環(huán)表面臟污、碳刷在刷握內(nèi)有輕微卡阻、彈簧壓力不正常等多種因素所致。

圖1 7、8、9號(hào)機(jī)組銅排與集電環(huán)相連接圖

3 缺陷處理

3.1 常規(guī)處理措施

水輪發(fā)電機(jī)出現(xiàn)碳刷溫度過(guò)高、打火等缺陷時(shí)，優(yōu)先處理措施是：檢查故障碳刷(如果是碳刷溫度過(guò)高，還要檢查非故障碳刷在刷握中活動(dòng)是否靈活，彈簧壓力是否過(guò)小等導(dǎo)致碳刷中流過(guò)電流較小)在刷握中活動(dòng)是否靈活，彈簧壓力是否正常以及是否有別的異常情況(比如滑環(huán)面有缺陷、碳粉吸收裝置過(guò)濾元件臟污嚴(yán)重影響碳粉吸收等)，如果碳刷卡塞, 打磨碳刷各側(cè)面壓痕，保證碳刷刷體與刷握內(nèi)壁有0.1～0.2 mm的間隙(間隙也不能太大，否則碳刷在刷握中容易跳動(dòng))，防止刷體受熱膨脹卡阻；如果彈簧壓力不正常, 更換新彈簧。如果都沒(méi)有問(wèn)題，就將臨近的碳刷裝置取下，把120目剛玉砂紙沿長(zhǎng)度方向剪成比碳刷稍寬的長(zhǎng)條狀，用砂紙包住碳刷，利用木夾將砂紙與碳刷的刷辮夾住(固定砂紙并防止砂紙被旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)卷走)，將碳刷裝置回裝，通過(guò)碳刷彈簧對(duì)碳刷的壓力，使砂紙對(duì)旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)面打磨15～20 min，把滑環(huán)面上的臟污清除掉，通常能將缺陷消除，并能保持一段時(shí)間(見(jiàn)圖2)，用紅外熱成像儀檢查溫度正常后或者不打火后，將砂紙取下，回裝碳刷裝置。

采用上述砂紙打磨的辦法可以消除缺陷，但是過(guò)一段時(shí)間又會(huì)出現(xiàn)，不能根本消除缺陷。

3.2 優(yōu)化處理措施

利用機(jī)組停機(jī)狀態(tài)，電廠維護(hù)人員針對(duì)發(fā)現(xiàn)的異常問(wèn)題，采取了系列措施，逐一進(jìn)行解決，具體處理方式如下。

1)針對(duì)集電環(huán)表面的凹坑，判斷是由于制造缺陷引起，需對(duì)集電環(huán)表面進(jìn)行車削處理，因加工量大，加工要求精度高，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不具備集電環(huán)表面車削的條件，將集電環(huán)拆除后，運(yùn)往生產(chǎn)廠家對(duì)集電環(huán)面進(jìn)行加工，加工在保證集電環(huán)圓度與同軸度的同時(shí)，保證環(huán)面粗糙度達(dá)到R2.5的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 用砂紙對(duì)滑環(huán)進(jìn)行打磨圖

2)針對(duì)刷握座與刷架接觸電阻偏大現(xiàn)象，對(duì)所有刷握座接觸電阻進(jìn)行普查，對(duì)接觸電阻有偏大現(xiàn)象的均進(jìn)行處理，對(duì)其余的刷握座緊固螺栓均進(jìn)行緊固檢查處理。

3)針對(duì)集電環(huán)表面及刷架表面碳粉堆積較多，引起碳刷與集電環(huán)接觸電阻增大現(xiàn)象，判定是由于安裝的碳粉吸收裝置沒(méi)有起到應(yīng)有的作用所引起，在機(jī)組進(jìn)行檢修過(guò)程中，對(duì)碳粉吸收裝置進(jìn)行優(yōu)化(見(jiàn)圖3將HXS-03A型碳粉吸收裝置改為HXS-04C型)。主要優(yōu)化措施包括：將原碳粉吸收裝置的濾袋和振打電機(jī)結(jié)構(gòu)改造為濾筒結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)，清掃、維護(hù)更加方便；增大碳粉吸收裝置電機(jī)的功率，使碳粉吸收裝置的風(fēng)量增大，從而為集電環(huán)裝置帶來(lái)更多的冷卻空氣，以降低集電環(huán)裝置的溫度；在刷握座與碳粉吸收裝置密封罩合縫位置增加密封圈，形成一個(gè)更加封閉的碳粉吸收空間，以增強(qiáng)碳粉吸收裝置的吸收能力；將碳粉吸收裝置單吸口方式改為上、下環(huán)同時(shí)吸氣方式，使碳粉吸收裝置吸收碳粉的能力更強(qiáng)。

圖3 HXS-04C型碳粉吸收裝置圖

圖4 HXS-04C型碳粉吸收裝置濾筒圖

4)為了進(jìn)一步的降低集電環(huán)裝置的溫度，將機(jī)組原來(lái)設(shè)計(jì)安裝的備用碳刷改為了運(yùn)行碳刷(將不通電流的絕緣塑料刷握座更換為金屬刷握座)，從而進(jìn)一步降低流過(guò)每個(gè)碳刷的電流。

經(jīng)過(guò)上述措施處理后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的跟蹤運(yùn)行，集電環(huán)裝置運(yùn)行穩(wěn)定，碳刷打火與溫度偏高現(xiàn)象再也沒(méi)有出現(xiàn)，并且集電環(huán)裝置表面碳粉堆積現(xiàn)象明顯改觀，碳粉堆積現(xiàn)象基本消失。

4 結(jié) 語(yǔ)

碳刷溫度過(guò)高、打火是大型水輪發(fā)電機(jī)常發(fā)性缺陷，高于機(jī)組其他部件發(fā)生缺陷的次數(shù)和頻率，嚴(yán)重影響安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)碳刷溫度過(guò)高、打火缺陷時(shí)，用砂紙對(duì)滑環(huán)進(jìn)行打磨是最常用也是最有效的辦法，但要徹底解決問(wèn)題，還需要根據(jù)具體原因分別進(jìn)行優(yōu)化處理，其中進(jìn)行必要的設(shè)備升級(jí)也是消除設(shè)備缺陷的一個(gè)很好的思路，比如碳粉吸收裝置換型改造，既減少了清掃滑環(huán)的工作量，又起到了防止機(jī)組碳刷溫度過(guò)高或者打火的作用，對(duì)大型水電站運(yùn)行維護(hù)具有很好的借鑒意義。