抽水蓄能機組碳刷滑環(huán)狀態(tài)清掃檢修技術

鞏 宇，張 豪，代 雄，楊銘軒

（南方電網調峰調頻發(fā)電有限公司，廣東省廣州市 510630）

0 引言

抽水蓄能機組通常采用自并勵靜止勵磁系統(tǒng)，即勵磁變壓器并聯在發(fā)電機出口端或者出口端的系統(tǒng)側，然后經勵磁變壓器降壓，供給勵磁系統(tǒng)可控硅，經整流后經過碳刷滑環(huán)將勵磁電流送至發(fā)電機轉子進行勵磁[1-5]。在機組轉子旋轉過程中，碳刷磨損產生的碳粉會附著在滑環(huán)絕緣子上，滑環(huán)絕緣子容易出現污閃、轉子一點接地、轉子兩點接地等故障[6-7]。碳刷磨損產生的碳粉也會附著在定子上，加速定子絕緣老化[8-10]。當機組帶負荷時，由于碳刷上流過電流帶來碳刷發(fā)熱會加速碳刷磨損。抽水蓄能機組要求適應于系統(tǒng)功率變化而多工況頻繁啟停，也會加速碳刷的磨損過程。因此，需要對抽水蓄能機組經常性地開展碳刷滑環(huán)清掃工作。蓄能電廠碳刷滑環(huán)清掃工作中更換最頻繁的是碳刷。由于清掃不及時最容易暴露的缺陷是支柱絕緣子因污穢帶來的絕緣降低。本文關于碳刷滑環(huán)狀態(tài)清掃工作研究的對象是碳刷的更換和支柱絕緣子的清掃工作。

過去缺少基于機組運行狀態(tài)的碳刷滑環(huán)狀態(tài)清掃技術，對于額定容量為300MW的抽水蓄能機組，需定期每三個月退備機組開展碳刷滑環(huán)清掃工作。然而，各機組在廠站中受優(yōu)先權控制，有的機組運行較為頻繁，有的機組運行較少的情況。全年各季度系統(tǒng)負荷的情況也不盡相同[11-13]。在汛期即迎峰度夏期間，機組啟停較為頻繁，運行時間也較長，經常會出現優(yōu)先權在前的機組由于碳刷滑環(huán)清掃不及時，碳刷滑環(huán)絕緣子污穢嚴重絕緣不足，出現轉子一點接地報警的情況。在其他季節(jié)，從機組碳刷滑環(huán)清掃工作的質檢中發(fā)現，碳刷磨損不嚴重，機組過清掃帶來過清掃的問題。

本文結合工程經驗提供了一種基于機組運行狀態(tài)的碳刷滑環(huán)狀態(tài)清掃技術，綜合考慮了機組旋轉時長、機組帶負荷時長、機組啟停次數，為檢修人員根據當前機組運行狀態(tài)預測下一次開展碳刷滑環(huán)清掃工作日期提供了有效方法，也為碳刷滑環(huán)清掃工作提供了狀態(tài)檢修方法。本文可以有效規(guī)避機組過度清掃帶來機組退備時間過長，也可以規(guī)避機組不及時清掃帶來的安全隱患。此外本技術也對該方法進行了標準化和量化，可通過計算機多快好省的一攬子解決。

1 標準化的狀態(tài)清掃方法

標準化的狀態(tài)清掃方法步驟如圖1所示。

圖1 技術流程圖Figure 1 Flowchart of proposed method

（1）從模擬量測點表中讀取模擬量測點ID，模擬量測點ID集合M包含機組轉速信號、機組負荷信號；

（2）獲取機組每個統(tǒng)計周期運行狀態(tài)的記錄形成基于模擬量測點測值的歷史統(tǒng)計；

（3）然后綜合歷史統(tǒng)計計算獲得各機組碳刷滑環(huán)的狀態(tài)指標Y；

（4）預測距離下一次開展碳刷滑環(huán)清掃工作的剩余日期QQday；

（5）當剩余日期QQday小于日期閾值δ時，提醒檢修人員安排檢修計劃開展碳刷滑環(huán)清掃工作，開展碳刷滑環(huán)清掃工作后轉（2）步。

統(tǒng)計周期可為日或月。綜合歷史統(tǒng)計計算獲得各機組碳刷滑環(huán)的狀態(tài)指標Y由以下公式計算獲得：

（1）統(tǒng)計周期為日時：

（2）統(tǒng)計周期為月時：

（3）aday=amon=40%、bday=bmon=50%、cday=cmon=10%。

其中預測距離下一次開展碳刷滑環(huán)清掃工作的剩余日期QQday，由以下步驟獲得：

（1）統(tǒng)計周期為日時：

（2）統(tǒng)計周期為月時：

（3）d為最近一次碳刷滑環(huán)清掃工作至今的天數，m為最近一次碳刷滑環(huán)清掃工作至今的月數，Q為啟動碳刷滑環(huán)清掃工作閾值。日期閾值δ是30天。

碳刷、集電環(huán)的使用壽命與其單位面積的載流量、摩擦系數、接觸面積、光滑程度等因素有關，考慮到單位面積的載流量、摩擦系數、接觸面積、光滑程度等單個因素比較難量化，且這些因素會隨著機組運行情況發(fā)生變化，本文研究中將這些因素綜合等值為一個閾值Q。機組旋轉時長、機組帶負荷時長、機組啟停次數是蓄能電廠運維中最容易獲得的統(tǒng)計值，可用于量化碳刷的磨損積累。鑒于此本文提出，當機組運行時間達到一定水平時，即可啟動碳刷滑環(huán)清掃工作。

啟動碳刷滑環(huán)清掃工作閾值Q的可由以下步驟獲得：

（1）將近一年機組歷史碳刷滑環(huán)清掃檢修中更換為新碳刷的碳刷長度減去下一次機組碳刷滑環(huán)清掃檢修時相對應碳刷的測量長度，得出在每次檢查窗口期碳刷的磨損量，并以集電環(huán)為對象，找出每個集電環(huán)上碳刷磨損長度的最大值。

（2）機組歷史碳刷滑環(huán)清掃檢修窗口期的碳刷最大磨損速度計算公式：碳刷最大磨損速度=碳刷最大磨損長度÷對應窗口期狀態(tài)指標。

（3）啟動碳刷滑環(huán)清掃工作閾值=機組碳刷最短剩余長度÷碳刷最大磨損速度。

2 機組運行時間計算方法

（1）遍歷最近一個統(tǒng)計周期的機組轉速信號的歷史記錄，將機組轉速信號大于90%額定轉速的時間段取出獲得轉速為正的時間段T正，計算時間段T正的累計時長獲得機組正方向旋轉的總時間TG；計算時間段T正元素的個數，獲得機組正方向旋轉的次數TGn；將機組轉速信號小于-50的時間段取出獲得轉速為負的時間段T負，計算時間段T負的累計時長獲得機組負方向旋轉的總時間TP；計算時間段T負元素的個數，獲得機組負方向旋轉的次數TPn；將TP與TG進行相加，即獲得機組轉動持續(xù)時長TPG；將TGn與TPn進行相加，即獲得機組轉動總次數TPGn。

（2）遍歷最近一個統(tǒng)計周期的機組負荷信號的歷史記錄，將機組負荷信號大于10的時間段取出獲得負荷為正的時間段t正，計算機組負荷測值與時間段t正的積分后除以機組發(fā)電工況額定功率，獲得機組發(fā)電工況的功率積分tG；將機組轉速信號小于-10的時間段取出獲得負荷為負的時間段t負，計算機組負荷測值與時間段t負的積分后除以機組抽水工況額定功率，獲得機組抽水工況的功率積分tP；將tP與tG進行相加，即獲得機組帶負荷持續(xù)時長tPG。

（3）機組轉動持續(xù)時長TPG、機組轉動總次數TPGn、機組帶負荷持續(xù)時長tPG即為基于模擬量測點測值歷史統(tǒng)計。

3 碳刷滑環(huán)清掃標準方法

抽水蓄能機組碳刷滑環(huán)清掃的標準步驟如下：

（1）經調度批準后，將機組退備并布置安全措施。

（2）吊開上機罩。

（3）將所有碳刷拔出。

（4）檢查各碳刷接觸面的平整情況，若不平整則更換碳刷。

（5）測量各個碳刷的長度，每個碳刷的長度不得小于30mm，若小于則更換。

（6）用布浸泡無水酒精清掃刷架、刷握、勵磁引接線頭及支撐絕緣子。

（7）逐對裝回所有碳刷，回裝時需注意檢查碳刷是否正確回裝，刷握是否正確壓緊碳刷，刷握與碳刷尾部接觸部位有一突起尖端，該尖端應對準插入碳刷尾部凹陷位置；碳刷軟辮是否被壓住，碳刷軟辮不應與刷握兩側塑料部分相接觸。

（8）檢查已無雜物或工具遺留于機罩內。

（9）解除安全措施并恢復機組。

4 實例分析

以下對廣東某蓄能電廠2019年8月1日00：00至2019年8月2日00：00，1號機組剛完成碳刷滑環(huán)清掃工作后的監(jiān)控系統(tǒng)信號進行實例分析。結合圖1流程，本文技術包括以下步驟。

（1）應用大數據存儲及處理技術，從圖2 所示集團級設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數據中心獲取歷史數據和實時數據，本文技術方法作為設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的一個應用。從表1 所示模擬量測點表中讀取模擬量測點ID。

圖2 設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構Figure 2 Structure of equipment condition monitoring system

表1 模擬量測點表Table 1 Analog measuring point table

（2）獲取機組每個統(tǒng)計周期運行狀態(tài)的記錄形成基于模擬量測點測值的歷史統(tǒng)計如表2～表5所示。最近一個統(tǒng)計周期，取統(tǒng)計周期為日。

表2 轉速歷史記錄Table 2 Speed history

表3 轉速歷史統(tǒng)計Table 3 Historical speed statistics

表4 負荷歷史記錄Table 4 Load history

表5 負荷歷史統(tǒng)計Table 5 Load history statistics

（3）綜合歷史統(tǒng)計計算獲得各機組碳刷滑環(huán)的狀態(tài)指標Y：Y=Yday=40%×4.71+50%×4.59+10%×3=4.48。

（4）預測距離下一次開展碳刷滑環(huán)清掃工作的剩余日期QQday：QQday=900/4.48-1=200。

（5）當剩余日期QQday小于日期閾值δ時，提醒檢修人員安排檢修計劃開展碳刷滑環(huán)清掃工作，開展碳刷滑環(huán)清掃工作后轉（2）步。

QQday＞30天，暫不需提醒檢修人員。

5 結束語

本文提供的抽水蓄能機組碳刷滑環(huán)狀態(tài)清掃檢修技術，為檢修人員根據當前機組運行狀態(tài)預測下一次開展碳刷滑環(huán)清掃工作日期提供了有效方法，也為碳刷滑環(huán)清掃工作提供了狀態(tài)檢修方法。技術可以有效規(guī)避機組過度清掃帶來機組退備時間過長，也可以規(guī)避機組不及時清掃帶來的安全隱患。