水輪發電機組集電環溫度過高原因分析及技改措施

向春見，顧 軒，李友安

(四川圣達水電開發有限公司，四川樂山 614900)

0 引言

大渡河沙灣水電站水輪發電機組是東方電機有限公司生產的立軸半傘型結構的軸流轉槳式機組，混凝土蝸殼，總裝機容量為4×120 MW。機組定子額定電壓為10.75 kV，定子額定電流為5 027 A，勵磁額定電壓為400 V，勵磁額定電流為1 385 A。集電環正、負極各18個橫截面尺寸為25 mm×32 mm的摩根NCC634碳刷。運行中經常出現集電環過熱、碳刷打火等現象，1號發電機組曾出現過集電環正負極短路燒毀集電環和碳刷的事故。因此，為了保障供電的可靠性、安全性對集電環進行技改勢在必行。

1 集電環碳刷過熱的原因分析

1.1 碳刷的發熱量計算

碳刷的發熱量由4部分組成:碳刷自身電阻發熱Q1、碳刷接觸壓降發熱Q2、磨擦發熱Q3、刷辮與碳刷接觸電阻和散流電阻發熱Q4。

碳刷自身電阻發熱:Q1=I2R(I為流過碳刷的電流，R為碳刷電阻)

碳刷接觸壓降發熱:Q2=I△U(△U為接觸壓降)

磨擦發熱:Q3=Fv(F為碳刷壓緊力，v為碳刷與集電環的相對運動速度)

接觸電阻和散流電阻發熱:Q4=I2r(I為流過碳刷的電流，r為接觸電阻和散流電阻等效值)

碳刷總體發熱量為:Q=Q1+Q2+Q3+Q4

1.2 集電環的發熱量計算

集電環的發熱由3部分組成:集電環自身電阻發熱Q11、碳刷接觸壓降發熱Q22、碳刷熱傳導熱量Q33。

集電環的總體發熱量為:Q'=Q11+Q22+Q33

在集電環發熱總量中，集電環自身電阻發熱Q11所占比例甚小，可以忽略;所以集電環的發熱由碳刷的發熱量決定，隨著碳刷溫度的整體變化，集電環溫度隨之將有不同程度的變化。

1.3 集電環碳刷過熱的原因

1.3.1 集電環室通風不良

沙灣水電站水輪發電機組集電環室閉塞，風道不暢。集電環室在－X方向開設了一個60 cm×80 cm的檢修進入門，5個60 cm×22 cm的觀察窗平均分布在四周。由于觀察窗面積太小，且窗門皆在關閉狀態，沒有風扇等輔助散熱設備，室內外空氣流道狹小，空氣流通不暢，集電環室內溫度較高，嚴重影響集電環、碳刷散熱。

1.3.2 接觸電阻過大或分布不均產生的發熱

集電環和碳刷是通過相互滑動接觸導通勵磁電流的，每個集電環上分布著18只碳刷，由于接觸電阻的不同，電流分配的差異，會導致發熱不均勻，其原因有:①碳刷與集電環表面接觸電阻、碳刷與刷辮接觸電阻、刷辮與刷架引線接觸電阻過大，集電環與轉子引線接觸電阻過大。由于機組的振動，集電環與轉子的引線固定螺栓，刷握固定螺栓容易松動，接觸電阻變大。②碳刷壓力不均或不符合要求，彈簧由于過熱變軟、老化失去彈性等原因。集電環環面不同心，也會造成碳刷壓力不均。③個別碳刷材質不良、導電性能差。④集電環及刷架表面附著有大量的碳粉。⑤油霧的影響。油霧對因碳刷磨損而產生的碳粉的吸附作用較大，容易產生油性碳粉污垢。有實驗表明，在松散干燥的狀態下，石墨碳粉的絕緣電阻可達到100 MΩ以上，但是在油霧作用下絕緣電阻迅速減小為零。

1.3.3 機械及摩擦等原因造成的過熱

沙灣電站機組由于碳刷經常打火，進行了一些技改，主要是將正、負極碳刷數量增加一倍，即單極碳刷個數為36個。據東方電氣集團的技術規范得知，沙灣電站選用碳刷的額定電流密度為10 A/cm2，碳刷的電流密度為

如果將碳刷數量增加一倍，則碳刷的實際電流密度減小為額定電流密度的一半，這將導致氧化膜無法形成，碳刷與集電環間是機械摩擦，會表現出碳刷磨損大、溫度高的現象。技改后的運行情況證明，此種技改并沒有解決碳刷溫度高的問題，反而增加了碳刷和集電環的摩擦。

1.3.4 氧化膜無法形成

正常情況下，碳刷在集電環上運行時，在其接觸面上形成一層均勻、適度、穩定的氧化膜，因為這層氧化膜的存在，改變了碳刷與集電環的接觸特性，減少了摩擦，降低磨損，延長使用壽命。影響氧化膜形成的原因:①溫度過高。碳刷的氧化膜一般在70℃左右較易形成，沙灣電站個別碳刷溫度高達120℃以上，氧化膜不易形成，無法起到潤滑作用，碳刷磨損將加劇，導致溫度繼續升高，形成惡性循環。②冷卻空氣中有污染性雜質。由于碳刷摩擦大，碳粉多，且沒有碳粉收集裝置，大量的碳粉附著在集電環表面，會影響氧化膜的形成。③空氣濕度太低或含氧量太低。碳刷表面氧化膜的形成需要空氣中有一定的水分含量，即空氣濕度不能太低，也不能太高。氧化膜的形成主要與空氣中的氧氣發生氧化作用而產生，當含氧量過低時也不利于氧化膜的形成。

2 改進方案

通過對沙灣電站水輪發電機組集電環、碳刷發熱原因的分析，根據現有的不足，提出如下整改方案。

2.1 集電環的改造

集電環的改造包括:①加寬集電環寬度。現有集電環寬度為40 mm，將集電環寬度增加為80 mm。增大集電環的寬度可以提高集電環的散熱性能，且有利于碳刷和刷握安裝方式的改造。②改集電環環面為螺旋溝槽環面。現有集電環環面均為平面結構，容易導致碳刷表面形成微小的氣膜，不利于碳刷和集電環環面的充分接觸。集電環環面采用螺旋溝槽環面，增加了集電環環面和碳刷之間的透氣性，有利于碳刷與集電環環面的充分接觸。這種結構已經在三峽機組和葛洲壩增容機組上得到成功應用。③增加上下集電環的間距。現有集電環間距為55 mm，將集電環間距增加到100 mm。增加集電環間距的主要目的在于防止機組突然抬機和機組振動導致上下集電環之間短路，減小集電環環面燒蝕的概率。

2.2 合理配置碳刷數量

由于沙灣電站機組勵磁電流長期運行在1 000 A左右，遠小于額定勵磁電流1 385 A，碳刷密度j=1 000/(18 ×25 ×32)=6.94 A/cm2，比正常值偏小，可能會影響氧化膜的形成，建議正負極各拔掉5個碳刷(由18支變為13支)，此時碳刷密度j=1 000/(13 ×25 ×32)=9.615 A/cm2，接近額定電流密度 10 A/cm2。

2.3 減少發熱源

集電環室除了集電環、碳刷會產生大量熱量外，集電環室內還布置了兩臺吸排油霧泵，吸排油霧泵長期運行時，泵體溫度可達60～70℃，有時甚至高達80℃，提高了集電環室內的溫度，增加了散熱難度。可將吸排油霧泵電機布置在集電環室外，減少室內的發熱量。

2.4 改善通風條件

在集電環室四周增設通風窗口。沙灣電站機組在集電環室的－X方向布置有一個寬60 cm、高80 cm的檢修進入門，集電環室四周平均分布有五個寬60 cm、高22 cm的觀察窗口。可將5個觀察窗口的高度都擴展到60 cm，同時可考慮安裝風扇輔助散熱，這將很好地改善集電環室內外的通風條件，提高散熱能力。

2.5 安裝碳粉收集系統

有實驗表明碳粉在油霧的影響下，絕緣電阻可以由100 MΩ迅速降低到零。因此油性碳粉污垢是造成集電環室內各絕緣件絕緣性能下降的主要原因之一，所以有必要安裝碳粉收集系統，及時帶走碳粉，使之與油霧隔離，提高集電環以及碳刷之間的絕緣。

2.6 安裝紅外線測溫系統

在集電環室內安裝紅外線測溫系統，將信號接入監控系統，運行人員可隨時監測機組集電環及每個碳刷溫度的變化情況，能及時準確地找出溫度異常的碳刷，消除缺陷。

3 沙灣電站集電環技改項目及結果分析

3.1 技改項目

根據沙灣水電站碳刷溫度過高的原因，在年度檢修過程中對集電環及碳刷進行了技改:①擴大集電環室通風窗口尺寸，通風窗口高度由原來的22 cm增加到60 cm，寬度不變;②集電環寬度由原來的4 cm增加到6 cm;③集電環返廠重新校圓打磨，表面更光滑;④使用質量更好的碳刷。

3.2 技改效果

技改后經過長期運行，集電環和碳刷的溫度較技改前明顯降低，見表1。

4 結語

發電機勵磁碳刷及集電環發熱現象運行中時有發生，嚴重威脅發電機的安全運行。因此，對集電環和碳刷的監視、維護并及時處理其發生的故障和損傷，改善集電環運行環境，是保證發電機長期穩定運行的重要工作之一。所提出的改造方案中的集電環部分，在葛洲壩125 MW機組已有相似的改造應用，效果明顯，具有一定的借鑒作用。

表1 技改前后溫度對比 單位:℃

［1］國家技術監督局.電炭材料及產品專用名詞術語［M］.北京:國家技術監督局出版，1997.

［2］張廣溢，郭前崗.電機學［M］.重慶:重慶大學出版社出版，2002.