田灣河流域金窩一號機組集電環(huán)磨損原因分析及技術改造

李朝全

（四川川投田灣河開發(fā)有限責任公司，四川 成都 610213）

0 引 言

田灣河流域金窩電站一號機組屬于高水頭沖擊式機組，最大運行水頭619.8 m，建成后屬當時亞洲最高水頭的沖擊式機組，發(fā)電機采用了廣州電器科學研究院進口瑞士ABB公司生產的UNITROL5000系列的A5S-A/U231-D2000型可控硅全控橋整流自并勵靜止勵磁裝置。機組自投產發(fā)電以來為公司、社會創(chuàng)造了良好的經濟效益，但機組勵磁系統(tǒng)集電環(huán)磨損較為嚴重，影響機組的安全穩(wěn)定運行。因此，本文對機組勵磁系統(tǒng)集電環(huán)磨損的原因進行了歸納總結，并提出了技改方案。

1 集電環(huán)磨損的原因總結、分析

第一，選用的碳刷與集電環(huán)不匹配，造成滑環(huán)工作面磨損。機組并網發(fā)電后集電環(huán)運行正常，集電環(huán)與碳刷配合研磨正常，接觸良好，經過一年春夏秋冬四個時節(jié)不同溫度環(huán)境變化的考驗以及經歷了不同工況、不同勵磁電流的情況，均運行穩(wěn)定，但自從機組檢修后開始部分更換同型號的碳刷，便出現(xiàn)了集電環(huán)及碳刷的磨損，且其相互磨損逐漸加劇，究其原因主要表現(xiàn)在兩方面。一方面，集電環(huán)材質與選用碳刷材質不匹配。選擇碳刷要以集電環(huán)材質為基礎去計算摩擦系數(shù)，從而達到理想摩擦匹配，并同時滿足載荷電流密度。由于更換的碳刷材質、工藝都進行了改進，碳刷料坯的粉末冶金成型中石墨、銅粉及紅丹粉等成份比例發(fā)生了變化，燒制工藝也發(fā)生了變化，如燒結由8溫段燒結提高到10溫段燒結，造成了二者摩擦系數(shù)增大，導致過度磨損碳粉飛揚并堆積，造成放電，在燒灼電流的不斷侵蝕下磨損加劇[1]；另一方面，彈簧的壓力過大/過小。經過觀察、統(tǒng)計，集電環(huán)部分位置出現(xiàn)了光亮的凹面或凹槽，但沒有明顯的電灼傷跡象。這是由于碳刷彈簧的壓力過大/過小造成的，即碳刷材質、工藝的改變導致了相同形成的彈簧作用在不同材質配比的碳刷上應力的改變，從而導致了集電環(huán)工作面與碳刷磨損的加劇。

第二，集電環(huán)粗糙度太低，造成集電環(huán)與碳刷的相互磨損加劇。集電環(huán)與碳刷經過長期的磨合后，集電環(huán)的粗糙度就會下降，即工作面變得很光滑。當集電環(huán)粗糙度太低時，碳刷與集電環(huán)工作面易造成相離，導致工作面長期經受小電流的電蝕傷害，同時工作面太光滑，工作面失去對碳刷的吸附性，也會產生一定背離，使碳刷底面出現(xiàn)電蝕，導致工作面磨損。

第三，使用環(huán)境特別惡劣。潮氣+導電粉塵密度很大時，集電環(huán)與碳刷間的小電弧灼燒加劇二者磨損，加之金窩一號機組由120 MW增容至140 MW，隨著勵磁電流的增加，加劇了二者的磨損。絕緣材料密度不足，電性能欠佳，或表面憎水性不好。金窩電站位于高山區(qū)域，年平均氣溫較低，凝露或潮濕致使絕緣阻值降低，造成相間小電弧不斷放電。金窩機組又屬于高水頭、高轉速機組，在高轉速下碳刷的磨損加劇后，碳粉堆積嚴重，再次降低了絕緣性能，進一步加大了小電弧灼燒的能力，使集電環(huán)與碳刷的磨損加劇。金窩機組由120 MW增容至140 MW，隨著勵磁電流的增加，集電環(huán)運行電流長期在大電流情況下運行，超過了碳刷原來設計的額定電流，會使集電環(huán)表面金屬蒸發(fā)加劇。隨著金屬蒸發(fā)加劇，集電環(huán)表面機械磨損增大，同時發(fā)生表面退火，集電環(huán)硬度就會下降，形成惡性循環(huán)[2]。因此，超碳刷集電環(huán)的額定運行電流是造成集電環(huán)磨損嚴重的主要原因。

第四，集電環(huán)正、負極性對調頻率太低。按照發(fā)電機運行規(guī)程及檢修維護規(guī)程要求，發(fā)電機集電環(huán)極性應視機組運行工況的不同，至少每年對調一次，以使集電環(huán)兩端磨損基本一致。集電環(huán)磨損，既有機械磨損，也有電氣磨損。因電弧的高溫和放電等因素作用，使集電環(huán)極面材料受損壞的電氣磨損存在，從而使集電環(huán)的接觸面受損，進而產生摩擦的機械磨損。碳刷和滑環(huán)的接觸面流過勵磁電流時，導電的位置不斷變化，加上電流密度很大，就會使一些位置點溫度升高較快，進而形成局部高溫；高溫又會使集電環(huán)極面熔化、脫落，金屬變成金屬蒸汽，碳刷結構被破壞，并因氧化腐蝕而脫落。勵磁電流作用下，集電環(huán)正極表面局部因高溫、電弧灼熱而蒸發(fā)出金屬蒸汽，使正極表面受損，即正極蒸發(fā)；負極因受高溫作用和正離子的撞擊而發(fā)射電子，使負極表面也遭受損壞，即負極粉化。因為正極蒸發(fā)和負極粉化的存在，當電流由碳刷流向滑環(huán)時，使得碳刷接觸面不斷地發(fā)生微小程度的陽極蒸發(fā)，碳粒、石墨離子游離到滑環(huán)表面，碳刷呈現(xiàn)出電氣磨損的表現(xiàn)；隨著陰極粉化在滑環(huán)表面的不斷發(fā)生，使得滑環(huán)表面附著越來越多的碳粒、石墨，光澤的鏡面變得粗糙，從而產生了長期的機械磨損。

2 提出解決方案取得理想的效果

為徹底解決了金窩一號機組自投及產以來一直存在的集電環(huán)、碳刷磨損嚴重的問題，采取了更換絕緣性能更好的帶碳粉吸收裝置的按140 MW運行勵磁電流設計的全封閉式集電環(huán)，采用了以集電環(huán)材質為基礎計算摩擦系數(shù)且滿足載荷電流密度的碳刷進行匹配，也特意選擇了更加適合高轉速機組、更耐磨的微粉塵型碳刷，合理安排集電環(huán)對調周期等措施進行綜合處理，技術改造方案如下。

（1）采用了東方電機股份有限責任公司的以行業(yè)標準《大型交流電機集電環(huán)與刷架》為基礎按照140 MW機組額度勵磁電流并保留一定裕度設計的集電環(huán)，并提出將新集電環(huán)改造成螺旋通風槽結構形式，便于通風散熱，并防止產生氣墊效應；將上、下集電環(huán)支撐絕緣子距離加大，絕緣加厚，結構形式采用凹弧形便于維護擦拭；根據(jù)原導環(huán)設計，增加導電環(huán)導電截面積，降低導電環(huán)電密，導電環(huán)結構應考慮運行安全可靠、檢修維護方便；集電環(huán)能提供刷架吊桿和絕緣桿，刷架吊桿絕緣墊圈改成帶裙邊結構，絕緣墊厚度及絕緣套長度均應增加，以增加刷架吊桿絕緣強度；提出廠家對對集電環(huán)表面粗糙度進行預處理，將粗糙度調整為Ra0.8，新集電環(huán)自帶兩臺碳粉吸收裝置，以最大可能地減少碳刷磨損以及集電環(huán)磨損后粉塵加重集電環(huán)、碳刷的再磨損形成的惡性循環(huán)，并減小維護工作量，節(jié)約人力及設備成本。

（2）碳刷選用上海摩根碳刷股份有限公司生產的符合本次技改碳刷材質、額度電流、電流密度及耐磨要求的優(yōu)質產品EGOR，額定電流密度0.1 A/mm2，為天然石墨碳刷，長度100 mm，電刷為32 mm×25 mm×100 mm，并適合高轉速機組且耐磨性能高，碳粉污垢少；因帶電拆卸刷握具有在帶電運行狀態(tài)下可方便更換電刷的功能，且具有鎖定電刷和指示電刷磨損情況的功能，所以本次技術改造方案特別提出將碳刷刷握改為帶電拆卸形式；提出刷握彈簧對電刷的規(guī)定壓力滿足國標要求同時滿足機組增容后電磁應力作用要求；要求提供相應配套刷握、彈簧卡、插拔及絕緣套備件各15個，以便在日后運行過程中更換時能保證碳刷的材質、彈簧應力屬于相同標準。

（3）根據(jù)機組的運行情況、大小修安排定制合理的集電環(huán)正、負極性對調頻率及計劃。如果按照發(fā)電機運行規(guī)程及檢修維護規(guī)程要求，發(fā)電機集電環(huán)正、負極應視工況每年進行不低于一次對調。由于發(fā)電機的實際運行工況變化較大，按要求每年對集電環(huán)正負極進行不低于一次調換較難實現(xiàn)，況且不同時間間隔進行的調換統(tǒng)計的誤差也較大，因此本次技改方案采用了按大修計劃來對換集電環(huán)正、負極性，實際執(zhí)行更容易實現(xiàn)，且大修周期時間間隔相對比較固定，可使兩端集電環(huán)磨損比較平衡，有利于設備管理。

（4）再次明確集電環(huán)和碳刷的運行監(jiān)視要求及維護工作。運行中，集電環(huán)應保持清潔，必要時增加擦滑環(huán)的次數(shù)及頻率，使滑環(huán)粗糙度應不低于Ra0．80 ixm，偏心度誤差不能大于0．041Tlln；運行中要監(jiān)視、測量及調整發(fā)電機整流橋的均流度和碳刷溫度，運行人員次巡檢均需要檢查發(fā)電機整流橋的均流度和碳刷、滑環(huán)溫度，發(fā)現(xiàn)異常和超標時應及時處理；運行中要定時檢查和調整碳刷彈簧的力度，使彈簧受力基本一致，無太緊或太松情況，發(fā)現(xiàn)彈力不合格的彈簧應及時更換。調整碳刷和刷架之間的空間，使碳刷在刷架內跳動靈活、無卡澀；刷架與集電環(huán)之間的距應保持在2～3 cm；若距離不夠，刷架及集電環(huán)表面均易磨損；若距離偏大，碳刷易出現(xiàn)大幅擺動或跳動，使磨損加劇。

經過三年的運行觀察，經本次技改后金窩一號機組集電環(huán)、碳刷磨損嚴重的問題得到了較好地控制，三年僅更換了三根碳刷，且轉子一點接地電阻值長期保持在500 kΩ以上較好絕緣狀態(tài)運行，達到了本次技改的目的。

3 結 論

發(fā)電機集電環(huán)與碳刷的磨損問題原因眾多，且較為復雜，也存在著定量分析較困難的問題。要徹底控制集電環(huán)與碳刷的磨損需要從設計、選材、匹配及運維等多方面共同治理，且需要長期地跟蹤、改進，才能起到較好的效果。