水輪發(fā)電機(jī)組集電裝置的改造及應(yīng)用

姚 耀，王永勝，劉懷龍，李兆斌

（甘肅電投大容電力有限責(zé)任公司朱岔峽水電站，甘肅 武威 733000）

0 電站概況

朱岔峽水電站位于甘肅省天?？h與青海省互助縣交界的大通河干流扎隆口，是大通河青崗峽至金沙峽河段水電梯級(jí)開發(fā)的第三級(jí)電站。該電站為Ⅳ等?。á瘢┬退Πl(fā)電工程，由重力式混凝土閘壩、引水隧洞、調(diào)壓井、發(fā)電廠房、升壓站等主要建筑物組成。朱岔峽水電站正常蓄水位2 211.00 m，設(shè)計(jì)水頭38 m，設(shè)計(jì)總引用流量102 m3/s，發(fā)電廠房共安裝有3臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量34 MW，年設(shè)計(jì)發(fā)電量1.434億kW·h，于2008年3月投產(chǎn)運(yùn)行，是當(dāng)?shù)刂匾碾娏敵鰡挝弧?/p>

1 水輪發(fā)電機(jī)組集電裝置的原理

轉(zhuǎn)子作為發(fā)電機(jī)的主要組成部分，作用是形成旋轉(zhuǎn)磁場，最終在定子繞組中產(chǎn)生交流電能。要形成旋轉(zhuǎn)磁場就必須在轉(zhuǎn)子磁極上施加電流，靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)輸出的電流是如何傳遞到旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上，答案就是發(fā)電機(jī)集電裝置。它是由刷架、刷握、碳刷、勵(lì)磁引線等固定設(shè)備與安裝在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的集電環(huán)、轉(zhuǎn)子引線等旋轉(zhuǎn)設(shè)備共同組成，讓電流由勵(lì)磁系統(tǒng)輸出，經(jīng)勵(lì)磁引線導(dǎo)入碳刷，并與旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)摩擦連接，最終通過轉(zhuǎn)子引線流入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，形成旋轉(zhuǎn)磁場。

圖1 水輪發(fā)電機(jī)集電裝置構(gòu)件

2 發(fā)電機(jī)集電裝置存在的問題

（1）超過十二年的長周期運(yùn)行，發(fā)電機(jī)碳刷與集電環(huán)之間逐漸出現(xiàn)打火，并引起電擊，造成集電環(huán)表面被電損蝕，光潔度嚴(yán)重變差，使碳刷與集電環(huán)接觸不良，加劇碳刷的磨損，夏季發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，碳刷與集電環(huán)最高溫度接近80℃；

（2）碳刷磨損嚴(yán)重，造成集電裝置各部堆積大量碳粉，如不及時(shí)清理，容易引發(fā)轉(zhuǎn)子回路接地或短路故障，甚至可能引起發(fā)電機(jī)著火等重大安全事故；

（3）受刷握形式的限制，導(dǎo)致機(jī)組在運(yùn)行過程中無法清理碳粉或更換碳刷，在機(jī)罩內(nèi)狹小的帶電空間作業(yè)，人員和設(shè)備安全都無法得到可靠保障，只能通過降低機(jī)組負(fù)荷或停機(jī)來處理，直接減少了發(fā)電量，造成經(jīng)濟(jì)效益受損；

（4）受集電環(huán)表面粗糙、機(jī)組振動(dòng)等因素的影響，碳刷磨損過快，縮短了碳刷的使用壽命，增加了碳刷更換頻次，從而造成設(shè)備材料成本上漲；

（5）清理堆積碳粉或更換碳刷的頻次增多，直接加重現(xiàn)場運(yùn)維人員的工作量。

3 發(fā)電機(jī)集電裝置的改造思路

（1）針對電站發(fā)電機(jī)組集電裝置的運(yùn)行狀況和改造需要，電站成立了技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，做了細(xì)致的數(shù)據(jù)對比和研究論證，最終考慮在不更換集電裝置刷架的前提下，僅對碳刷和刷握進(jìn)行改造，用最少的材料成本、最短的施工周期達(dá)到改造效果。

（2）由于原刷握為一體式，刷握和碳刷引線牢牢固定在刷架上，更換碳刷或清理碳粉時(shí)，必須停電作業(yè)。為消除這一弊端，技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)從刷握結(jié)構(gòu)上作出改變，研究設(shè)計(jì)采用組合式安裝的刷握，將碳刷引線接于刷握本體，并裝配絕緣手柄，通過操作手柄可將刷握整體拆下，換好碳刷后再整體回裝，降低帶電作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)也提高了發(fā)電經(jīng)濟(jì)效率。為了提高刷握性能，還需對刷握的表面做電鍍處理，進(jìn)一步增強(qiáng)導(dǎo)電性和抗氧化性，從而延長刷握的使用壽命。

（3）技術(shù)改造團(tuán)隊(duì)通過調(diào)研分析，基于接觸力學(xué)機(jī)理的磨損方程計(jì)算得出式（1）：

其中：W—磨損體積；S—滑動(dòng)距離；P—施加功率；Pm—材料的流動(dòng)壓力（約為材料硬度）；K—磨損系數(shù)（炭—石墨約為0.471×10-9mm3/N·m）。

在其他條件不變的理想狀況下，磨損量與材料硬度成反比，提高材質(zhì)硬度就可以降低磨損。經(jīng)過與設(shè)備制造廠家充分溝通改造意見，由制造商生產(chǎn)制作專用的新碳刷，合理增加長度、提高硬度、降低摩擦系數(shù)和圓周速度等，使碳刷完全適用于低轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)組。結(jié)合以上因素，綜合計(jì)算碳刷的理論使用壽命可提高4 倍以上（式2）、長度增加1.6倍、硬度增加1.5 倍、弧度增加2.3 倍。

A—綜合計(jì)算結(jié)果；k—可靠系數(shù)，取0.8。

（4）為進(jìn)一步優(yōu)化集電裝置性能，研究將平壓式雙卡簧換為均壓式單卡簧，并要求制造單位對卡簧材質(zhì)做真空退火處理，在其彈力均衡性、抗疲勞強(qiáng)度、使用壽命等方面都要優(yōu)于原卡簧，能夠有效的對碳刷進(jìn)行制壓，使碳刷與刷握和集電環(huán)的貼合力更加均勻和平穩(wěn)，降低振動(dòng)，進(jìn)一步延長集電裝置的使用壽命。

4 發(fā)電機(jī)集電裝置的改造內(nèi)容

（1）利用冬季檢修期，在不影響水量利用率的前提下開展2 號(hào)發(fā)電機(jī)組集電裝置技術(shù)改造工作。

（2）綜合考慮設(shè)備的安全性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，結(jié)合改造前期的準(zhǔn)備工作，充分利用數(shù)據(jù)支持，大膽改用長度、強(qiáng)度、硬度、摩擦系數(shù)、圓周速度等關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化制造后的定制新碳刷（表1）和便于拆裝的新形式刷握（圖2）。

表1 兩款碳刷性能參數(shù)對比

圖2 兩款刷握的整體形式對比

（3）技術(shù)人員對集電環(huán)表面損蝕斑印進(jìn)行車削、磨削、拋光處理，徹底修復(fù)表面光潔度，最大程度減小接觸面的摩擦力，提高集電裝置的導(dǎo)電效率和使用壽命。要求處理后的集電環(huán)表面粗糙度Ra在1.6 μm～3.2 μm 范圍內(nèi)，保證集電環(huán)的抗疲勞強(qiáng)度和防腐性，并在運(yùn)行中提高間隙配合的穩(wěn)定性。

（4）在安裝刷握時(shí)，必須調(diào)整好每一個(gè)刷握的前后位置和左右間距，使其均勻分布，保證轉(zhuǎn)子回路正、負(fù)極電流均衡，避免放電現(xiàn)象的發(fā)生。刷握應(yīng)當(dāng)垂直正對集電環(huán)，并與之保持3 mm～4 mm 的間隙，可以有效減小振動(dòng)現(xiàn)象。

（5）安裝碳刷前要用800 目金相砂紙對每一塊的表面進(jìn)行研磨處理，使其與集電環(huán)的弧度相吻合，貼合面積可達(dá)到90%以上，且摩擦順滑，確保每塊碳刷傳導(dǎo)的電流大小基本一致。每組碳刷的卡簧壓力調(diào)整在1.4 kg～1.6 kg 之間，受力均勻，保證每塊碳刷的磨損程度基本一致。調(diào)整碳刷與刷握內(nèi)壁的間隙時(shí)，應(yīng)當(dāng)控制在0.1 mm～0.2 mm 之間，間隙過大會(huì)引起振動(dòng)加劇，損傷碳刷與卡簧；間隙過小會(huì)造成碳刷受力不均，接觸不良，容易發(fā)生打火。

（6）安裝后，對集電環(huán)、刷架、引線電纜的正負(fù)極之間、對地分別做絕緣電阻測試，數(shù)據(jù)全部合格，大于5 MΩ。

（7）全部設(shè)備安裝完成后開機(jī)測試?？刂茩C(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)行觀察，在低轉(zhuǎn)速下仔細(xì)檢查碳刷與集電環(huán)的摩擦情況；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速逐步上升時(shí)，檢查集電裝置有無異音；當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，運(yùn)行2 h 以上，使碳刷與集電環(huán)之間充分形成氧化膜，并檢查碳粉散落情況，集電環(huán)表面溫度不得超過75℃；當(dāng)空轉(zhuǎn)運(yùn)行穩(wěn)定后，采取勵(lì)磁系統(tǒng)遞升加壓方式，逐步使發(fā)電機(jī)達(dá)到額定電壓，再次檢查集電裝置運(yùn)行正常；發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行后，再額定功率下，全面檢查確認(rèn)集電裝置各部無異音、無打火、無劇烈振動(dòng)等情況，集電環(huán)表面溫度不得超過85℃。

5 改造后的應(yīng)用效果

（1）安全效果：此次技術(shù)改造工作完成后，電站2 號(hào)發(fā)電機(jī)組已安全穩(wěn)定運(yùn)行超過8 000 h，經(jīng)過詳細(xì)的數(shù)據(jù)記錄和工況對比，改造后的集電裝置再未發(fā)生放電打火現(xiàn)象，機(jī)罩內(nèi)幾乎沒有碳粉。徹底消除了因碳粉堆積過多造成的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地短路或著火的事故風(fēng)險(xiǎn)。夏季高溫天氣，2 號(hào)發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，集電環(huán)表面最高溫度記錄56.3℃。基本穩(wěn)定在50℃左右，有效的保證了機(jī)組運(yùn)行的安全性，安全效益穩(wěn)固保障。

（2）運(yùn)行成本：設(shè)備改造后經(jīng)過一年的運(yùn)行，新碳刷的磨損量均未超過3 mm，綜合計(jì)算考慮（按年利用小時(shí)數(shù)達(dá)到5 000 h），預(yù)計(jì)新碳刷可至少使用6年。通過比對技改前后兩款碳刷的采購價(jià)格、更換頻次和數(shù)量（表2）可以發(fā)現(xiàn)，改造后平均每年可為企業(yè)節(jié)省材料成本1 萬元左右。

表2 設(shè)備改造前后材料成本使用對比表

（3）經(jīng)濟(jì)效益：改造后，2 號(hào)發(fā)電機(jī)未發(fā)生因清理碳粉、更換碳刷而造成的降負(fù)荷或停機(jī)情況。通過對比設(shè)備改造前后停機(jī)的頻次和時(shí)長（表3），可以明顯發(fā)現(xiàn)改造后的設(shè)備利用率更高，平均每年可以為企業(yè)減少電量損失約40～49 萬kW·h，折合經(jīng)濟(jì)效益約10～12.3 萬元。

表3 設(shè)備改造前后經(jīng)濟(jì)效益對比表

經(jīng)過對朱岔峽電站2 號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組集電裝置的技術(shù)改造，并通過較長時(shí)間的運(yùn)行驗(yàn)證和全面復(fù)查，確定集電環(huán)和碳刷再無打火現(xiàn)象，集電環(huán)表面未見損蝕痕跡，各部位的測溫貼片均未達(dá)到70℃；碳刷磨損量均不足3 mm，機(jī)罩內(nèi)幾乎沒有碳粉散落，也無需更換碳刷；刷握未受到機(jī)組振擺的影響，全部穩(wěn)定牢靠，為保障電力企業(yè)長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

本文從朱岔峽水電站水輪發(fā)電機(jī)組集電裝置的原理和存在問題入手，詳細(xì)闡述了2 號(hào)發(fā)電機(jī)組集電裝置改造及實(shí)際應(yīng)用后所取得的效果。通過合理的設(shè)備改造，完全可以降低發(fā)電機(jī)發(fā)生事故的概率，避免企業(yè)不必要的經(jīng)濟(jì)損失，合理減少職工的勞動(dòng)量，此項(xiàng)改造取得的成效，可以在中小型水輪發(fā)電機(jī)組中起到借鑒作用。