大型水輪發電機碳刷溫度過高、打火原因分析及處理

單文建

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

在大型發電機運行過程中，由于勵磁碳刷維護具有維護工作量大、易發生故障、故障后果嚴重的特征，如何結合實際工程經驗針對勵磁碳刷溫度過高的問題提出可行的分析解決方案，具有重要意義[1-3]。其中，文獻[4]針對汽輪發電機集電環碳刷過熱起火事故進行了原因分析，提出了處理方案。文獻[5]則針對水輪發電機滑環碳刷打火、過熱問題進行了探討。本文針對某發電廠水輪機投運初期碳刷溫度過高與打火缺陷問題進行了分析討論，并給出了處理意見。

研究背景：某電站發電機勵磁系統采用靜止可控硅自并勵勵磁系統，勵磁電流由發電機出口母線經勵磁變壓器進入勵磁盤盤柜，再由勵磁盤柜將電流輸送至刷架(導電環)，刷架通過靜止碳刷與轉動的集電環面摩擦接觸，將勵磁電流送入轉子繞組。電站投運初期機組發生碳刷溫度過高與打火缺陷，嚴重影響機組的安全穩定運行。

為實現機組的安全穩定運行，規避勵磁碳刷溫度過高及打火帶來的巨大維護成本與故障后果，本文對大型水輪機碳刷溫度過高及打火原因進行了缺陷描述與分析并提出了實際可行的處理方法。

1 缺陷描述

某電站自首臺機組投產以來，共發生34臺次碳刷溫度過高或打火缺陷，局部溫度最高達到250℃，具體統計見表1。

表1 某電站碳刷溫度偏高及打火缺陷統計表

2 缺陷分析

對出現碳刷溫度過高、打火缺陷的機組進行全面檢查，發現主要是滑環碳粉堆積多、集電環面有缺陷、碳刷與集電環接觸電阻偏大等多方面原因所致。其中，1號機組碳刷溫度過高與打火缺陷的頻次最高，檢查發現其主要是因為滑環表面存在缺陷，有很多連續、成片的凹坑，使碳刷與滑環面接觸不好，導致接觸電阻增大，而且與其他機組相比這些連續、成片的凹坑導致碳刷與滑環面的接觸面積變小，也使得碳刷與滑環面的接觸電阻增大，這樣各個碳刷回路的電阻也相應增大，由Q=I2×R×t可知，機組帶滿負荷時勵磁電流I基本上是一個定值(I與機組所帶無功的多少也有關，所帶無功多，機組視在功率大，I也大)，當各個碳刷回路的電阻增大后，機組碳刷回路的總電阻R也增大，導致機組碳刷回路的發熱量Q增大，使整臺機的碳刷溫度普遍升高。而且由于滑環面缺陷，很多碳刷運行時與滑環面的接觸電阻很不穩定，可能有部分碳刷由于與滑環面的接觸電阻較大，流過的電流較小，導致其他碳刷要分擔更大的電流，當個別碳刷回路電阻很小時，流過的電流就會很大，就有可能使該碳刷溫度過高。

7、8、9號等3臺同類型機組普遍出現過熱、打火現象，檢查分析除了滑環表面臟污、碳刷在刷握內有輕微卡阻、彈簧壓力不正常等因素外，另外一個原因是其集電環電流接入方式設計不合理，勵磁電纜集中布置，僅通過2根銅排與集電環相連接(見圖1)，運行時集電環上的電流在整個圓周上的分布不均勻，易造成碳刷上通過的電流相差較大，使碳刷溫度過高。

其余機組碳刷過熱、打火缺陷主要原因是碳粉堆積較多、滑環表面臟污、碳刷在刷握內有輕微卡阻、彈簧壓力不正常等多種因素所致。

圖1 7、8、9號機組銅排與集電環相連接圖

3 缺陷處理

3.1 常規處理措施

水輪發電機出現碳刷溫度過高、打火等缺陷時，優先處理措施是：檢查故障碳刷(如果是碳刷溫度過高，還要檢查非故障碳刷在刷握中活動是否靈活，彈簧壓力是否過小等導致碳刷中流過電流較小)在刷握中活動是否靈活，彈簧壓力是否正常以及是否有別的異常情況(比如滑環面有缺陷、碳粉吸收裝置過濾元件臟污嚴重影響碳粉吸收等)，如果碳刷卡塞, 打磨碳刷各側面壓痕，保證碳刷刷體與刷握內壁有0.1～0.2 mm的間隙(間隙也不能太大，否則碳刷在刷握中容易跳動)，防止刷體受熱膨脹卡阻；如果彈簧壓力不正常, 更換新彈簧。如果都沒有問題，就將臨近的碳刷裝置取下，把120目剛玉砂紙沿長度方向剪成比碳刷稍寬的長條狀，用砂紙包住碳刷，利用木夾將砂紙與碳刷的刷辮夾住(固定砂紙并防止砂紙被旋轉的滑環卷走)，將碳刷裝置回裝，通過碳刷彈簧對碳刷的壓力，使砂紙對旋轉的滑環面打磨15～20 min，把滑環面上的臟污清除掉，通常能將缺陷消除，并能保持一段時間(見圖2)，用紅外熱成像儀檢查溫度正常后或者不打火后，將砂紙取下，回裝碳刷裝置。

采用上述砂紙打磨的辦法可以消除缺陷，但是過一段時間又會出現，不能根本消除缺陷。

3.2 優化處理措施

利用機組停機狀態，電廠維護人員針對發現的異常問題，采取了系列措施，逐一進行解決，具體處理方式如下。

1)針對集電環表面的凹坑，判斷是由于制造缺陷引起，需對集電環表面進行車削處理，因加工量大，加工要求精度高，生產現場不具備集電環表面車削的條件，將集電環拆除后，運往生產廠家對集電環面進行加工，加工在保證集電環圓度與同軸度的同時，保證環面粗糙度達到R2.5的標準要求。

圖2 用砂紙對滑環進行打磨圖

2)針對刷握座與刷架接觸電阻偏大現象，對所有刷握座接觸電阻進行普查，對接觸電阻有偏大現象的均進行處理，對其余的刷握座緊固螺栓均進行緊固檢查處理。

3)針對集電環表面及刷架表面碳粉堆積較多，引起碳刷與集電環接觸電阻增大現象，判定是由于安裝的碳粉吸收裝置沒有起到應有的作用所引起，在機組進行檢修過程中，對碳粉吸收裝置進行優化(見圖3將HXS-03A型碳粉吸收裝置改為HXS-04C型)。主要優化措施包括：將原碳粉吸收裝置的濾袋和振打電機結構改造為濾筒結構(見圖4)，清掃、維護更加方便；增大碳粉吸收裝置電機的功率，使碳粉吸收裝置的風量增大，從而為集電環裝置帶來更多的冷卻空氣，以降低集電環裝置的溫度；在刷握座與碳粉吸收裝置密封罩合縫位置增加密封圈，形成一個更加封閉的碳粉吸收空間，以增強碳粉吸收裝置的吸收能力；將碳粉吸收裝置單吸口方式改為上、下環同時吸氣方式，使碳粉吸收裝置吸收碳粉的能力更強。

圖3 HXS-04C型碳粉吸收裝置圖

圖4 HXS-04C型碳粉吸收裝置濾筒圖

4)為了進一步的降低集電環裝置的溫度，將機組原來設計安裝的備用碳刷改為了運行碳刷(將不通電流的絕緣塑料刷握座更換為金屬刷握座)，從而進一步降低流過每個碳刷的電流。

經過上述措施處理后，經過一段時間的跟蹤運行，集電環裝置運行穩定，碳刷打火與溫度偏高現象再也沒有出現，并且集電環裝置表面碳粉堆積現象明顯改觀，碳粉堆積現象基本消失。

4 結 語

碳刷溫度過高、打火是大型水輪發電機常發性缺陷，高于機組其他部件發生缺陷的次數和頻率，嚴重影響安全穩定運行。當出現碳刷溫度過高、打火缺陷時，用砂紙對滑環進行打磨是最常用也是最有效的辦法，但要徹底解決問題，還需要根據具體原因分別進行優化處理，其中進行必要的設備升級也是消除設備缺陷的一個很好的思路，比如碳粉吸收裝置換型改造，既減少了清掃滑環的工作量，又起到了防止機組碳刷溫度過高或者打火的作用，對大型水電站運行維護具有很好的借鑒意義。