大型水輪發(fā)電機(jī)滑環(huán)裝置電流分布規(guī)律研究

李汶珈，陳 鋒，張世璐，盧小琴

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

0 引言

大型水輪發(fā)電機(jī)組滑環(huán)系統(tǒng)在汛期運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種滑環(huán)裝置系統(tǒng)過熱故障，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地、極間短路、發(fā)電機(jī)失磁等故障，危及機(jī)組和電網(wǎng)的安全運(yùn)行。某電廠在汛期出現(xiàn)碳刷刷盒大面積融化故障（圖1），嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。目前滑環(huán)裝置巡檢為人工巡檢，故障發(fā)現(xiàn)并處理極為滯后，過熱故障被發(fā)現(xiàn)時(shí)往往已經(jīng)存在不可逆的損壞，機(jī)組安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)很高。

圖1 刷盒本體融化

碳刷載流密度計(jì)算時(shí)，默認(rèn)電流完全經(jīng)過刷辮流入碳刷，碳刷首尾兩端電流密度相同。但機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，電流有一部分會(huì)經(jīng)過刷盒再流入集電環(huán)，此時(shí)刷盒與碳刷之間存在放電間隙（彈跳間隙和靜態(tài)接觸間隙），導(dǎo)致碳刷出現(xiàn)故障時(shí)（碳刷卡澀或碳刷刷辮老化）會(huì)發(fā)生因間隙放電導(dǎo)致刷盒過熱融化的故障（圖1 和圖2）。因此通過對(duì)滑環(huán)裝置電流分布規(guī)律進(jìn)行探究，研究預(yù)防滑環(huán)裝置過熱故障的方法十分有必要。

圖2 刷盒邊沿融化后形成毛刺

1 碳刷電流的等效電路及過熱分析

1.1 碳刷電流等效電路

為便于分析將碳刷分為3 個(gè)部分（A、B、C），假設(shè)A 部分刷辮電流為部分電流為I1’和Ia之和，C 部分電流為之和即I1，如圖3。

電化石墨（E468）電阻率為20 μΩ·m，是銅電阻率的1 000 倍，系統(tǒng)接觸電阻遠(yuǎn)大于碳刷電阻與銅導(dǎo)體電阻，因此在等效電路中阻抗主要體現(xiàn)為接觸電阻，假設(shè)刷辮與碳刷的接觸電阻為R1，刷盒與碳刷的接觸電阻為R2，集電環(huán)環(huán)面接觸電阻為R0。并將正常碳刷電流通道分為兩條：①刷座、刷辮、碳刷至集電環(huán)即I1’；②刷座、刷盒、碳刷至集電環(huán)即Ia與Ib之和（圖4）。當(dāng)碳刷刷辮老化或斷裂時(shí)刷辮電流通路被阻斷，此時(shí)電流主要通路為Ia與Ib之和。

圖3 碳刷區(qū)域分類

圖4 正常狀態(tài)等效簡(jiǎn)化電路

1.2 碳刷過熱分析

碳刷刷辮在碳刷中為預(yù)埋件，生產(chǎn)時(shí)與碳?jí)K同時(shí)進(jìn)行壓制成型，接觸電阻R1遠(yuǎn)小于刷盒與碳刷之間接觸電阻R2。可推導(dǎo)出碳刷正常狀態(tài)時(shí)：

即：碳刷正常狀態(tài)時(shí)，電流主要流經(jīng)通路①，不會(huì)出現(xiàn)因接觸電阻大發(fā)生過熱故障。

當(dāng)碳刷故障（刷辮老化或斷裂）狀態(tài)下，接觸電阻R1增大或增大至無窮，此時(shí)電流主要流經(jīng)通路②，勵(lì)磁電流不變時(shí)，接觸電阻R增大，即發(fā)熱量Q故障大于Q正常。假設(shè)此時(shí)再出現(xiàn)刷盒與碳刷接觸間隙放電故障，將會(huì)使刷盒與碳刷接觸部位產(chǎn)生大量熱量導(dǎo)致刷盒燒融。

2 單個(gè)碳刷電流通路試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)條件

（1）試驗(yàn)前對(duì)集電環(huán)環(huán)面進(jìn)行研磨，保證環(huán)面光潔度不小于Ra1.6。

（2）集電環(huán)正負(fù)極各安裝一只碳刷進(jìn)行適配，保證碳刷與集電環(huán)動(dòng)態(tài)接觸面積不低于75%，碳刷表面無明顯劃痕。

（3）正負(fù)極各裝一只試驗(yàn)碳刷，施加100 A 直流電流，保持環(huán)境溫度在50℃～60℃之間，試驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)態(tài)運(yùn)行2 h 以上，直至建立氧化膜。

圖5 滑環(huán)裝置試驗(yàn)平臺(tái)

2.2 試驗(yàn)方法

利用試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置3 組對(duì)照試驗(yàn)，研究不同電流通路情況下集電環(huán)的發(fā)熱情況，3 組情況分別為：碳刷與刷握正常連接、刷辮與刷握斷開、刷盒與碳刷絕緣。

表1 3 組對(duì)照試驗(yàn)情況

2.3 試驗(yàn)記錄

試驗(yàn)記錄如表2 所示。

2.4 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)表2 中數(shù)據(jù)，繪制環(huán)面溫度隨電流變化趨勢(shì)圖和接觸電阻隨電流變化趨勢(shì)圖，如圖6、圖7。其中線條1 為正常工況電流流經(jīng)通路①和②，線條2 為斷開刷辮電流只流經(jīng)通路②，線條3 為刷盒絕緣電流只流經(jīng)通路①。

同種工況下（同一電流下），斷開刷辮后（電流只經(jīng)過通路②）的環(huán)面溫度遠(yuǎn)高于正常狀態(tài)下的溫度（圖6）；刷盒絕緣后（電流只經(jīng)過通路①）的環(huán)面溫度隨著電流增加由低向高逐漸趨近正常狀態(tài)下的環(huán)面溫度（圖6）；斷開刷辮后（電流只經(jīng)過通路②）的接觸電阻高于其他兩種情況（圖7），單位時(shí)間內(nèi)發(fā)熱量越大，與環(huán)面溫度變化趨勢(shì)（圖6）結(jié)果 一致。

表2 不同電流通路情況下集電環(huán)溫度記錄

圖6 環(huán)面溫度隨電流變化趨勢(shì)

由試驗(yàn)結(jié)果可知碳刷正常工況下刷盒是否絕緣對(duì)滑環(huán)裝置溫升及總阻抗影響較小，刷盒包裹絕緣時(shí)斷開刷辮，電流通路被阻斷刷盒不會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱情況。當(dāng)碳刷正常工況下斷開刷辮時(shí)環(huán)面溫度會(huì)迅速升高并遠(yuǎn)高于正常溫度。

圖7 接觸電阻隨電流變化趨勢(shì)

3 結(jié)論

碳刷正常工作時(shí)，滑環(huán)裝置系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生過熱故障。刷辮故障時(shí)，刷盒與碳刷接觸部位會(huì)產(chǎn)生大量熱量，使滑環(huán)裝置出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。經(jīng)過試驗(yàn)研究可通過以下兩種措施進(jìn)行預(yù)防：

（1）在刷盒內(nèi)壁使用絕緣耐熱材料，阻斷電流通道②，消除刷盒與碳刷接觸部位過熱故障。

（2）通過在線監(jiān)測(cè)手段對(duì)碳刷電流、溫度等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

通過方式（1）阻斷刷盒與碳刷之間的電流通路，當(dāng)單個(gè)碳刷刷辮故障時(shí)不會(huì)出現(xiàn)刷盒過熱故障，電流會(huì)平均分布到滑環(huán)裝置其他碳刷上。但出現(xiàn)大面積碳刷刷辮故障時(shí)，滑環(huán)裝置其他正常碳刷載流密度會(huì)過高，導(dǎo)致碳刷及滑環(huán)裝置過熱，惡性循環(huán)導(dǎo)致滑環(huán)裝置出現(xiàn)環(huán)面灼傷和碳刷打火等故障，不能徹底預(yù)防滑環(huán)裝置過熱故障。通過方式（2）在滑環(huán)裝置安裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)碳刷電流、碳刷溫度、集電環(huán)溫度等主要參數(shù)，設(shè)置合理的報(bào)警值，在系統(tǒng)出現(xiàn)過熱故障初始階段發(fā)出報(bào)警信號(hào)，可以將故障消除在溫度升高的初期，避免缺陷處理滯后及過熱故障擴(kuò)大。