吉牛水電站水輪發電機碳刷、集電環的運行隱患分析與治理

李 政， 李 巍， 卿 啟 維

(四川革什扎水電開發有限責任公司，四川 丹巴 626302)

1 設備概況

吉牛水電站安裝有兩臺由哈爾濱電機廠生產的120 MW沖擊式水輪發電機組，額定轉速300 r/min，其勵磁系統是廣州擎天EXC9000型靜止整流柜勵磁系統。額定勵磁電壓227 V，額定勵磁電流1 479 A。發電機集電環采用了耐磨性好的合金鍛鋼制造，表面無螺旋溝，集電環直徑是1 030 mm， 其圓周速度為16.17 m/s，截面尺寸為75 mm×40 mm。發電機碳刷共60塊，正負極各30塊，采用壓力為180 cN/cm2彈簧提供所需壓力。使用D172型碳刷，規格是25 mm×32 mm×60 mm。碳刷及集電環的冷卻靠自然風冷卻。

2 發電機碳刷、集電環的運行隱患分析

2.1 存在的問題

吉牛水電站兩臺機組均在2014年1月投產，自投產以來發電機碳刷運行中存在的問題有：

(1)碳刷發熱嚴重，尤其在夏天情況更甚，環境溫度升高使碳刷及集電環溫度更高，超過120 ℃，而D172型碳刷允許運行溫度為120 ℃[1]，運行中為降低環境溫度，臨時增添鼓風機加強通風冷卻。

(2)碳刷電流分配不均。經多次現場檢測電流最大值達200 A，最小值僅為10 A；碳刷接觸電阻不均，在集電環高速運轉中，造成碳刷與集電環接觸處打火，經調整后，短時碳刷打火現象消除；約4h后會重復出現電流不均，溫度升高物理現象，長期運行導致發電機集電環磨損嚴重。

(3)集電環擺度過大，集電環偏心，刷握固定不正，造成碳刷磨損過甚，碳刷磨損出現斜角。

(4)碳刷在刷握中過緊，適應不靈活，運行中刷握和壓簧有損壞和變形現象。

(5)集電環表面因運行工況惡化。集電環表面磨損不均勻，產生凹凸不平的棱，出現整排碳刷跳動現象。

2.2 運行情況分析

(1)機組額定轉速300 r/min，其圓周速度為16.17 m/s，易在碳刷與集電環之間產生氣墊，造成碳刷接觸不良，加之個別碳刷安裝或自身質量問題與集電環接觸不好，會加重碳刷與集電環打火現象，電火花會灼傷集電環，造成集電環表面不光滑。反之，不光滑的集電環又加速碳刷的磨損和發熱，而發熱的碳刷更加容易與集電環之間發生打火現象，如此惡性循環使集電環表面和碳刷磨損越發嚴重，碳刷溫度越來越高，高溫導致碳刷脆化，以及長期未經打掃的碳粉會導致各碳刷間的參數差異性越來越嚴重，導致負載嚴重失衡。

(2)碳刷電流分布不均，發熱差異大，電流大、溫度高的碳刷長時間運行后，造成碳刷與集電環接觸面的氧化膜損壞、刷辮過熱，引起碳刷與集電環接觸電阻增大。同時，壓簧經高溫后壓力降低，碳刷接觸電阻增加，最后導致碳刷電流減小，其結果又導致其它接觸好的碳刷過流，進一步造成碳刷運行工況惡化。

(3)2017年7月31日，吉牛水電站2F機組發生集電環燒毀事故，導致事故停機。后經現場監測2F機組的集電環擺度為0.7 mm，1F機組的集電環擺度為0.5 mm。經分析認為：集電環的擺度過大導致碳刷與集電環之間的壓力隨擺動的周期增大或減小，更為嚴重的是，碳刷瞬間跳離集電環從而使碳刷與集電環之間產生火花，火花使接觸點產生瞬間高溫，嚴重時，在接觸點造成集電環環面的灼傷。長時間運行灼傷點周圍出現凸起，這種凸起再次導致集電環和碳刷接觸面之間的尖端放電，從而再次引起火花，再次灼傷環面，如此往復導致環面損蝕的惡性循環，嚴重時出現環火，燒毀集電環， 發電機被迫事故停機。

3 發電機碳刷、集電環的改造

3.1 改造措施

3.1.1 降低集電環擺度

對2F機組進行盤車，盤車數據如表1所示。經盤車處理后集電環的擺度值由原0.7 mm降到0.4 mm。

表1 2F機組盤車數據

3.1.2 增加集電環的導電截面積

集電環原截面尺寸為75 mm×40 mm，改為85 mm×40 mm，以降低集電環電密。集電環外圓周表面呈螺旋狀溝槽結構，有利于集電環通風散熱，并防止碳刷與集電環之間產生氣墊效應[2]，增強碳刷與集電環的可靠接觸，降低電刷與集電環的接觸電阻。

3.1.3 增加絕緣環 防止放電

在上集電環下部、下集電環上部增加絕緣環，以防止上下環間產生火花放電。上、下集電環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。

3.1.4 碳刷選型及數量

碳刷選用NCC634型，尺寸25 mm×32 mm×100 mm，額定電流密度0.1 A/mm2，為天然石墨炭刷，適合高轉速機組且耐磨性能高，減少碳粉污垢。選用25個碳刷，使電流密度達0.07 A/mm2接近額定電流密度，有利于建立氧化膜[3]。原機30個碳刷，電流密度為0.058 A/mm2偏低，磨損量偏大，所以減少碳刷數量。當機組長期進相運行時，使電刷的電密在0.85 A/mm2左右。電刷電密計算公式如式(1)所示[4]。

(1)

式中If為勵磁電流；n為每極碳刷個數；A為碳刷接觸面長度；B為碳刷接觸面寬度；λ為碳刷跨越的槽數；L為集電環表面螺旋槽的寬度。

3.1.5 降低電密

導電環由半環改為整環，減少出現電流不均勻現象，加大導電環的尺寸，原機組導電環截面尺寸是16 mm×80 mm，改為20 mm×100 mm，降低導電環電密。

3.1.6 增加可靠性

采用帶電可拆卸刷握，具有在帶電運行狀態下可方便更換的功能，且具有鎖定電刷和指示電刷磨損情況的功能，增加機組運行可靠性。

3.2 改造結果

革什扎公司在2018年3月，2019年3月大修期間分別對2F機組、1F機組進行了集電環及刷架的整體改造。改造后運行效果較好，運行中存在的問題全部解決。現對2F機組改造及改造后的運行情況進行分析。

改造后集電環的工作環境得到改善，油霧現象消除，環境相對干燥，集電環的擺度值由改造前的0.7 mm降到0.4 mm，略高于標準[5]要求的0.3 mm，碳刷與集電環之間無火花產生。豐水期帶120 MW，機組進相運行勵磁電流小于1 100 A工況下和勵磁電流大于1 100 A工況下，碳刷溫度在65 ℃附近波動，集電環溫度在72 ℃附近波動；枯水期帶70 MW有功滯相運行勵磁電流約900 A工況下，碳刷溫度在60 ℃附近波動，集電環溫度在66 ℃附近波動，碳刷溫度受運行方式和負荷大小影響較小。

4 安裝與維護

碳刷在安裝之前不能有明顯卡滯現象，如有需要進行打磨，打磨過程中嚴禁使用金相砂紙，以防止金剛砂嵌入碳刷中。安裝時確保刷握與集電環表面的間隙為2～3 mm，各碳刷與集電環表面的間隙盡量一致，可以使用工具墊塊控制碳刷與集電環之間的距離。

碳刷磨損余量為原長度1/3時進行更換，也可根據機組實際運行情況做適當調整，如機組振動、擺度大，造成碳刷與刷握之間的磨損比較嚴重，兩者之間的間隙變大，碳刷搖擺度大，與集電環接觸不好易發生打火現象，那么可以盡早更換。每次更換數量不能大于總數的1/10，且碳刷新舊牌號須一致。待新換碳刷經過一段時間磨合，測量通過的電流與其他未更換的電刷電流差異不大之后，再更換其他碳刷。如果在大修時一次更換的碳刷較多，應當在投運沖轉時，為碳刷表面形成氧化膜留夠充足的時間。更換電刷之前，需對新電刷端面進行打磨，使電刷端面形狀與集電環外圓形狀一致，保證碳刷與集電環有不小于75%碳塊截面積的接觸面。

及時消除碳刷打火現象。零星打火影響集電環環面的粗糙度，因此，發現集電環碳刷打火應及時處理，盡量減少集電環環面受到電火花腐蝕。

定期測量碳刷、刷辮、集電環的溫度，對溫度較高的碳刷及時查找原因并處理；使用鉗形電流表測量單只碳刷的流通電流，及時調整和更換電流過大或過小的碳刷，使得每個碳刷的電流分擔差別不要過大；定期清掃，不要使碳粉堆積太多。

5 結 語

吉牛水電站水能發電機組運行中碳刷、集電環溫度過高，碳刷打火，集電環灼傷產生凹凸不平的棱，粉塵、油污較重，碳刷、集電環運行溫度較高，運行工況較差，出現整排碳刷跳動等異常現象。筆者對集電環結構、布局方式、集電環的導電截面積進行了科學剖析；依據機組最大運行方式下的勵磁電流，對機組碳刷電流密度進行科學計算，并按計算結果對碳刷進行了重新選型；依據機組震動、擺渡大小選擇合理的刷握及安裝間距，保證運行中每個碳刷電流的均衡。通過多次現場監測、電氣物理量的分析計算，對吉牛1F、2F機組集電環、導電環、發電機碳刷、刷握進行了改造，改造后機組碳刷、集電環的運行效果較好，改造前存在的異常現象徹底解決。