發(fā)電電動機(jī)碳粉問題分析與治理

楊劍,高從闖,陳忠賓,肖先照,高學(xué)洪

(江蘇國信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司,江蘇常州 213334)

0 引言

溧陽抽水蓄能電站(簡稱“溧蓄”)裝有6臺單機(jī)容量為250MW的混流可逆式水泵水輪-發(fā)電電動機(jī)組,總裝機(jī)容量1500MW。其中發(fā)電機(jī)為立軸、半傘式、全空冷發(fā)電電動機(jī)。發(fā)電電動機(jī)集電裝置是重要的輔助設(shè)備之一,作為勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)本體的連接部件,其作用是將勵磁電流通過碳刷導(dǎo)入轉(zhuǎn)子,以形成勵磁磁場[1]。本文介紹了溧蓄發(fā)電電動機(jī)集電裝置結(jié)構(gòu),介紹了碳粉問題及其危害,總結(jié)了一些治理方法和預(yù)防措施。

1 集電裝置

溧蓄發(fā)電電動機(jī)集電裝置由集電環(huán)、碳刷、恒壓彈簧、刷握、導(dǎo)電環(huán)、底座以及密封罩組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。集電環(huán)通過間隙配合套裝在頂軸上,靠鍵來固定,其材料為Q345B,表面圓周速度為21.2m/s。導(dǎo)電環(huán)共設(shè)置40個(gè)碳刷,每極20個(gè)碳刷,其型號為E468。刷握配有恒壓彈簧,通過底座固定在導(dǎo)電環(huán)上,把柄為阻燃絕緣材料,可實(shí)現(xiàn)帶電拆卸更換碳刷。

圖1 集電裝置結(jié)構(gòu)圖

密封罩上、下兩層共配有12個(gè)吸塵口,吸塵口與吸塵環(huán)管相連,吸塵環(huán)管在180°方向分別與兩個(gè)額定功率2.2kW的風(fēng)機(jī)相連,運(yùn)行時(shí)利用風(fēng)機(jī)對吸塵口處產(chǎn)生負(fù)壓,將碳粉吸收至收集裝置中,形成一套碳粉吸塵裝置。

2 碳粉問題

從2021年開始,溧蓄6臺機(jī)組相繼出現(xiàn)碳粉增多問題,集電環(huán)、刷架、頂軸內(nèi)、轉(zhuǎn)子引線、定子線棒、碳粉收集裝置內(nèi)粘附著較多碳粉,對發(fā)電電動機(jī)安全運(yùn)行產(chǎn)生了一定的危害[2～4],具體如下:(1)碳粉掉落堆積在集電環(huán)、刷架、轉(zhuǎn)子引線以及絕緣件上,降低了轉(zhuǎn)子絕緣性能,部分機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣阻值從2GΩ降低到5MΩ以內(nèi)。(2)碳粉吸附在頂軸、上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子以及接觸式油擋上,使得發(fā)電電動機(jī)頂軸絕緣降低,軸瓦和上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子存在損傷風(fēng)險(xiǎn)。(3)碳粉吸附在集電裝置周圍,影響碳刷和集電環(huán)散熱,碳刷溫度普遍偏高,夏天運(yùn)行時(shí)溫度在90℃～110℃之間,碳刷刷辮高溫變色,碳刷氧化膜難以形成,碳刷磨損量進(jìn)一步加大。(4)碳粉通過縫隙和孔洞進(jìn)入定轉(zhuǎn)子和頂軸內(nèi)部,影響磁極、定子線棒等核心部件絕緣性能,同時(shí)也給設(shè)備清掃帶來困難,增加檢修維護(hù)工作量。(5)碳粉通過縫隙進(jìn)入上導(dǎo)油槽內(nèi)部,污染潤滑油,使得油質(zhì)變差,油品檢驗(yàn)不合格。

3 原因分析

碳刷和集電環(huán)之間摩擦產(chǎn)生碳粉是不可避免的,碳粉問題歸結(jié)為碳刷磨損過大和碳粉收集效果不佳這兩類[5～7],具體原因分析如下。

(1)碳刷產(chǎn)品質(zhì)量問題。不同批次碳刷加工工藝存在差別,導(dǎo)致個(gè)別批次碳刷內(nèi)部存在氣孔,使用后出現(xiàn)掉渣、缺角等現(xiàn)象。

(2)恒壓彈簧壓力選擇過大。碳刷磨損包括機(jī)械磨損和電蝕磨損,碳刷磨損與恒壓彈簧的壓力關(guān)系如圖2所示。溧蓄以往采用的恒壓彈簧壓力為22～25N,該壓力偏大,加劇了碳刷機(jī)械磨損。

圖2 碳刷磨損與彈簧壓力關(guān)系

(3)碳刷接觸面氧化膜難以形成。碳刷使用一段時(shí)間后,其接觸面會形成一層氧化膜,該氧化膜具有潤滑作用,能夠減少碳刷磨損,由于碳刷運(yùn)行過程中溫度過高,該氧化膜難以形成,導(dǎo)致碳刷磨損增大。

(4)吸塵效果不理想。吸塵口和吸塵環(huán)管布置在頂罩內(nèi),吸塵裝置風(fēng)機(jī)布置在風(fēng)洞外,吸塵環(huán)管與風(fēng)機(jī)之間的連接管路過長、彎曲管件較多,碳粉易堆積堵塞在管路內(nèi),并且吸塵管路段阻燃軟管連接段較長、較多,導(dǎo)致吸力不夠,影響吸塵效果。

(5)刷架水平和中心達(dá)不到要求。刷架導(dǎo)電環(huán)水平度和同心度較差,溧蓄6臺機(jī)組實(shí)際測量結(jié)果如表1所示。刷架與集電環(huán)同心度、水平度變差會造成碳刷與集電環(huán)接觸不良或碳刷偏磨,加劇碳粉產(chǎn)生。

表1 導(dǎo)電環(huán)水平度和同心度測量值/mm

(6)集電環(huán)表面不平整。溧蓄發(fā)電電動機(jī)集電環(huán)材料為Q345B,此材質(zhì)偏軟,不耐磨,集電環(huán)表面出現(xiàn)溝槽,加大碳刷的磨損,碳粉的產(chǎn)生。

4 解決措施

2022年度機(jī)組檢修和日常維護(hù)期間,溧蓄對碳粉問題進(jìn)行了治理,保證了發(fā)電電動機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行,主要措施如下。

(1)定期檢查碳刷,對存在掉渣和氣孔的碳刷進(jìn)行更換,更換前對碳刷接觸面充分研磨,形成與集電環(huán)相應(yīng)的弧度,保證碳刷與集電環(huán)接觸面在80%以上。

(2)適當(dāng)降低恒壓彈簧壓力,改用18～20N的恒壓彈簧,減小碳刷與集電環(huán)摩擦力,進(jìn)而減小碳刷磨損,減少碳粉產(chǎn)生。

(3)定期測量碳刷、集電環(huán)及集電環(huán)室溫度,檢查碳刷銅辮子是否變色,碳刷是否出現(xiàn)偏磨或打火現(xiàn)象,對其中問題嚴(yán)重的碳刷進(jìn)行更換。

(4)結(jié)合檢修清理吸塵管路并更換收集裝置過濾袋;對頂罩內(nèi)水平環(huán)管和風(fēng)洞內(nèi)的水平直管進(jìn)行清理,防止內(nèi)部碳粉堆積造成堵塞;同時(shí)將部分軟管連接改為硬管連接,加強(qiáng)管路連接部位密封,減少吸塵口處的吸力損失。

(5)調(diào)整刷架水平度和同心度滿足要求,同時(shí)調(diào)整刷握底座,使得碳刷伸出刷盒的長度在3～5mm之間,保證碳刷與集電環(huán)良好接觸。

(6)在機(jī)組檢修期間更換集電環(huán),新集電環(huán)材質(zhì)為16Mn鍛鋼,耐磨性好,表面不容易出現(xiàn)溝槽,能夠有效降低碳刷磨損。

(7)定期清理碳粉,對集電環(huán)、刷架以及頂軸死角部位進(jìn)行吹掃清理,必要時(shí)拆卸零部件進(jìn)行清理。

(8)封堵碳粉吸塵管路、勵磁引線在頂罩內(nèi)的引出孔洞,防止碳粉進(jìn)入定轉(zhuǎn)子內(nèi)部。對頂軸上端面蓋板縫隙、勵磁引線穿軸處縫隙涂抹密封膠,防止碳粉進(jìn)入頂軸孔內(nèi),影響勵磁引線絕緣。

(9)對勵磁引線穿軸部位涂刷絕緣漆防護(hù)以此來增加爬電距離,避免碳粉堆積影響絕緣。

5 結(jié)語

碳粉的產(chǎn)生和堆積是逐漸發(fā)展的過程,并且受多方面因素影響,徹底治理難度大,因此,需要在檢修維護(hù)中加強(qiáng)對碳粉問題關(guān)注。本文碳粉問題的原因分析以及治理方法可供其他出現(xiàn)類似問題的電站參考借鑒,具有指導(dǎo)意義。.