大梁子水電站水輪發(fā)電機(jī)碳刷火花缺陷的處理

摘 要：大梁子水電站（以下簡(jiǎn)稱電站）設(shè)有兩臺(tái)裝機(jī)容量16MW的立式混流水輪發(fā)電機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱：機(jī)組），機(jī)組為轉(zhuǎn)速750r/min，其水輪發(fā)電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱：發(fā)電機(jī)）集電環(huán)的外徑800mm，集電環(huán)外沿的線速度31.4m/s，在同類型的機(jī)組中其轉(zhuǎn)速和集電環(huán)外沿線速度均屬較高，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中集電環(huán)與碳刷之間極易產(chǎn)生較大火花，給發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的安全隱患。

關(guān)鍵詞：碳刷;火花;安全隱患

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.143

1 安全隱患

電站自2006年投運(yùn)以來，發(fā)電機(jī)的碳刷火花一直是重點(diǎn)監(jiān)視、巡查的對(duì)象。發(fā)電機(jī)碳刷火花過大或碳刷本體溫度較高時(shí)（最高溫度達(dá)到110℃），將對(duì)集電環(huán)表面造成不同程度的灼傷。當(dāng)碳刷火花過大無(wú)法控制時(shí)，需停機(jī)處理，以確保維護(hù)人員的人身安全和集電環(huán)不被燒毀。發(fā)電機(jī)上導(dǎo)內(nèi)部因高轉(zhuǎn)速而產(chǎn)生大量油霧，與碳刷磨損產(chǎn)生的碳粉，混合附著在刷柱、集電環(huán)、轉(zhuǎn)子等設(shè)備表面上，不僅降低了轉(zhuǎn)子的繞組絕緣，還污染周邊設(shè)備的衛(wèi)生，增加了運(yùn)維人員的工作量。同時(shí)由于維護(hù)周期頻繁，致使汛期期間產(chǎn)生不必要的棄水損失，電站安全生產(chǎn)受到了極大的影響。

2 歷史數(shù)據(jù)調(diào)查

電站對(duì)2009年至2017年電站發(fā)電機(jī)碳刷火花處理次數(shù)、碳刷架和集電環(huán)清理、碳刷及碳刷彈簧更換進(jìn)行了調(diào)查與統(tǒng)計(jì)，詳見表1，表2。

通過表1、表2的數(shù)據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)可以看出，2009年每月電站運(yùn)維人員對(duì)碳刷火花的處理最高達(dá)36次（處理方法為使用白布擦拭集電環(huán)碳粉、更換碳刷彈簧、碳刷和停機(jī)配合清理碳刷架、集電環(huán)、刷柱等），且每月更換碳刷彈簧、碳刷和碳刷架及集電環(huán)清理的次數(shù)也超過電站的要求。經(jīng)2011年、2015年、2017年幾次技改后，對(duì)碳刷火花的處理頻率明顯減少，可以和電站要求的設(shè)備定期維護(hù)同步開展。

3 原因分析

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)及多年來處理發(fā)電機(jī)碳刷火花的經(jīng)驗(yàn)積累，從碳刷選型、機(jī)組振動(dòng)情況、碳刷與集電環(huán)的接觸面積、碳刷壓力分布、發(fā)電機(jī)上導(dǎo)產(chǎn)生油霧的影響、集電環(huán)表面粗糙、磨損失圓等方面分析，最終確定以下要因。

3.1 碳刷選型

目前市場(chǎng)針對(duì)發(fā)電機(jī)使用的主流產(chǎn)品分為：金屬石墨類、天然石墨類、電化石墨類。

金屬石墨類：主要材料是電解銅和石墨，電阻系數(shù)和電刷壓降較小，耐磨性能較其他類碳刷稍差，導(dǎo)電率高于其他類碳刷，磨損后碳粉量小。

天然石墨類：主要原材料是天然石墨，粘接劑采用瀝青或樹脂，電阻系數(shù)和電刷壓降較大，比較耐磨，有良好的潤(rùn)滑性能和集流性能，磨損后碳粉量過大且造價(jià)高。

電化石墨類：主要材料是炭黑、焦炭和石墨等各種碳素粉末材料組成，電阻系數(shù)和電刷壓降較大，比較耐磨，有良好的潤(rùn)滑性能，磨損后碳粉量過大。

3.2 碳刷與集電環(huán)的接觸面積

根據(jù)發(fā)電機(jī)說明書規(guī)定，碳刷與集電環(huán)的接觸面積不小于80%。當(dāng)碳刷與集電環(huán)接觸面積很小時(shí)，不能正常分擔(dān)勵(lì)磁電流，而通過其他碳刷電流密度必將增大（碳刷發(fā)熱量與電流的平方成正比Q=I?Rt），產(chǎn)生火花，致使溫度急劇上升，此情況在機(jī)組滿負(fù)荷且碳刷接觸面磨偏不規(guī)則時(shí)更為嚴(yán)重，逐步惡化形成環(huán)火。

3.3 碳刷壓力分布

根據(jù)發(fā)電機(jī)說明書規(guī)定，碳刷不發(fā)生火花的最小壓力為15–20 kPa，且各碳刷壓力應(yīng)均勻。引起碳刷壓力分布不均的原因主要有以下幾種：

（1）使用質(zhì)量較差或是不合格的彈簧;

（2）恒壓彈簧受熱軟化，壓力不足;

（3）個(gè)別碳刷磨擦過短，壓力彈簧無(wú)法壓緊;

（4）碳刷在刷握內(nèi)的活動(dòng)間隙小于規(guī)定的0.1—0.2mm，碳刷出現(xiàn)機(jī)械卡澀現(xiàn)象。

當(dāng)碳刷壓力過低時(shí)，碳刷與集電環(huán)不能良好接觸，容易產(chǎn)生火花。。當(dāng)碳刷壓力過高時(shí)，引起機(jī)械磨損致使碳刷的迅速磨損。因此碳刷上的壓力應(yīng)力求均勻，否則將導(dǎo)致電流的分配不均，引起部分碳刷過熱或產(chǎn)生火花。

3.4 發(fā)電機(jī)上導(dǎo)產(chǎn)生油霧的影響

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)各部軸承瓦溫度較高，經(jīng)透平油進(jìn)行冷卻，當(dāng)油冷卻軸承瓦的同時(shí)，易汽化而形成油霧。上導(dǎo)內(nèi)部產(chǎn)生的油霧竄至機(jī)罩內(nèi)，油霧與碳刷碳粉混合，附著碳刷、刷柱及集電環(huán)等表面上。這不但影響了碳刷散熱，還容易造成環(huán)火。

3.5 集電環(huán)表面粗糙、磨損失圓

由于碳刷不同型號(hào)、機(jī)組振動(dòng)、碳刷與集電環(huán)的接觸面積不符合規(guī)定、碳刷壓力分布不均等因素致使集電環(huán)表面粗糙度太差。而碳刷火花不僅造成碳刷的磨損，也使得集電環(huán)表面產(chǎn)生麻點(diǎn)，集電環(huán)表面粗糙度更差，從而加速碳刷和集電環(huán)的磨損，長(zhǎng)期惡性循環(huán)，造成集電環(huán)偏心失圓，從而引起碳刷與集電環(huán)接觸不穩(wěn)定，碳刷跳動(dòng)，部分碳刷過熱或出現(xiàn)火花，甚至?xí)龤妓ⅰ⑺⒓堋⒓姯h(huán)，造成轉(zhuǎn)子回路短路接地。

4 對(duì)策實(shí)施

根據(jù)確定的要因，電站進(jìn)行了以下技改：

（1）電站將原來使用的電化石墨類碳刷更換成金屬石墨類碳刷。電化石墨類碳刷在使用過程中，雖然具有良好的潤(rùn)滑性能和集流性能，比較耐磨，但是在碳刷磨損過程中，產(chǎn)生大量碳粉末，粉末極易附著在碳刷、刷柱、集電環(huán)、轉(zhuǎn)子上，不但影響轉(zhuǎn)子繞組的絕緣強(qiáng)度，而且污染了發(fā)電機(jī)及周邊設(shè)備的衛(wèi)生。而金屬石墨類碳刷導(dǎo)電率高，磨損后碳粉量小，保障了碳刷、集電環(huán)、轉(zhuǎn)子及附屬設(shè)備的清潔性。

（2）碳刷投入使用前，使用“800目”精細(xì)砂紙對(duì)碳刷表面手動(dòng)打磨至平整、光滑，加大了碳刷與集電環(huán)的接觸面積，均衡分配各個(gè)碳刷的勵(lì)磁電流。

（3）碳刷彈簧投入使用前，篩選質(zhì)量較好且恒壓的。同一批生產(chǎn)的碳刷彈簧相互間均存在差異，根據(jù)碳刷彈簧的外徑、長(zhǎng)度、垂直度及表面有無(wú)加工的毛邊選擇壓力較為均衡的碳刷彈簧。在運(yùn)行中，碳刷彈簧長(zhǎng)期受熱會(huì)軟化，定期進(jìn)行更換并時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)碳刷彈簧的強(qiáng)度，達(dá)不到要求的及時(shí)更換，使碳刷壓力分布均勻。

（4）根據(jù)發(fā)電機(jī)上導(dǎo)產(chǎn)生的油霧排放位置進(jìn)行分析，通常油霧由軸承中心位置排出，極易與碳刷磨損的碳粉混合，附著在碳刷、刷柱、集電環(huán)轉(zhuǎn)子及附屬設(shè)備上。電站根據(jù)這一特點(diǎn)，在上機(jī)罩兩側(cè)增設(shè)呼吸器（油霧排放口），在軸承中心位置增設(shè)油霧擋板，使上機(jī)罩內(nèi)大部分油霧通過兩側(cè)呼吸器排出，減小軸承中心位置油霧的排放量。

（5）根據(jù)電站設(shè)備定期維護(hù)要求，在每月的設(shè)備定期維護(hù)時(shí)（汛期根據(jù)實(shí)際情況開展），清掃碳刷、集電環(huán)、刷柱，檢查刷握、更換較短的碳刷（運(yùn)行時(shí)同一極碳刷一次更換不允許超過兩塊），檢查集電環(huán)表面的磨損情況，在所有檢查均正常的情況下，碳刷火花情況仍然沒有較大改善，需要對(duì)集電環(huán)厚度、偏心度進(jìn)行檢測(cè)。

5 效果檢查

2017年1月份電站歲修后完成了針對(duì)發(fā)電機(jī)碳刷火花缺陷的所有技改。技改后監(jiān)測(cè)了7月-12月的數(shù)據(jù)，詳見表3、表4。

6 制定鞏固措施

（1）將發(fā)電機(jī)碳刷火花作為重點(diǎn)監(jiān)察、監(jiān)測(cè)對(duì)象，做好相關(guān)記錄，并加強(qiáng)機(jī)動(dòng)性巡查。

（2）制定發(fā)電機(jī)碳刷火花處理方法、發(fā)電機(jī)碳刷維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，并納入電站運(yùn)行規(guī)程、檢修規(guī)程的修訂中。

7 結(jié)束語(yǔ)

有刷勵(lì)磁作為勵(lì)磁系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一，其運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性直接影響機(jī)組運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁響應(yīng)速度、磁場(chǎng)的產(chǎn)生。經(jīng)幾次技改后，有效的控制了碳刷火花這一缺陷，為電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行及“無(wú)人值班，少人值守”奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉云.水輪發(fā)電及故障處理與檢修[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2002（2007重印）.

[2]IEC 60773 測(cè)定電刷運(yùn)行特性的試驗(yàn)方法和設(shè)備[S].

作者簡(jiǎn)介：楊巍（1986-），男，遼寧北票人，本科，助理工程師，研究方向：水電站動(dòng)力設(shè)備與管理。