水輪發(fā)電機組滑環(huán)打火原因分析

向天航，謝紅波，薛長奎，薛小明

(1. 中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002；2. 東方電機有限公司，四川 德陽 618000； 3. 淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

發(fā)電機組滑環(huán)裝置由勵磁電纜、刷架、電刷、刷握和集電環(huán)等部件構(gòu)成，其作用是通過靜止的電刷與集電環(huán)環(huán)面接觸，將勵磁電流送入轉(zhuǎn)子繞組，該裝置的性能好壞直接影響到勵磁電流能否順利地送入轉(zhuǎn)子繞組，從而影響發(fā)電機的穩(wěn)定運行。

滑環(huán)裝置打火是發(fā)電機滑環(huán)裝置運行過程中常見的缺陷之一，若不及時消除，可導(dǎo)致發(fā)電機滑環(huán)大面積打火，對發(fā)電機組安全運行造成直接威脅，嚴重時還會被迫停機。就大型發(fā)電機而言，緊急停機不僅造成系統(tǒng)出力下降，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行，而且對發(fā)電機組本身也將產(chǎn)生危害[1]。

1 滑環(huán)裝置近年運行情況簡介

統(tǒng)計某大型水電站22臺機組從2008年至2019年滑環(huán)打火次數(shù)，統(tǒng)計情況如圖1所示。

圖1 滑環(huán)裝置打火次數(shù)統(tǒng)計圖

根據(jù)圖1可看出，發(fā)電機滑環(huán)打火次數(shù)從2008年的48次降低到2011年以后每年10次以下，這說明對滑環(huán)裝置進行的設(shè)備改造和日常維護等工作，在降低滑環(huán)打火次數(shù)、保障發(fā)電機組穩(wěn)定運行等方面發(fā)揮了良好的作用。

2 滑環(huán)裝置改造

滑環(huán)裝置的性能主要由集電環(huán)面的光潔程度、勵磁電流的分布、恒壓彈簧的壓力、電刷的物理特性，電刷和集電環(huán)面接觸的緊密程度等因素決定。

碳刷選型、碳粉堆積較多、受油器滴油、碳刷與集電環(huán)表面接觸不良等缺陷是導(dǎo)致機組滑環(huán)打火、臨檢次數(shù)增加的主要原因。針對機組滑環(huán)裝置的缺陷，歷年的設(shè)備改造和技術(shù)革新解決了滑環(huán)裝置上出現(xiàn)的不少問題，大大降低了設(shè)備臨檢次數(shù)，所做的工作主要有以下幾個方面。

1)刷架絕緣件改造。滑環(huán)室空間狹小，內(nèi)部風路零亂，且刷架絕緣件設(shè)計爬電距離很小。滑環(huán)裝置在長時間投運后，碳粉堆積在集電環(huán)和刷架上的絕緣件上，由于爬電很容易造成滑環(huán)極間或?qū)Φ囟搪贰８鼡Q機組刷架的絕緣件(傘裙狀)后，增加了碳粉堆積的爬電距離，從而解決了碳粉堆積問題。

2)選擇天然石墨碳刷。原選用的摩根NCC634碳刷，其碳刷材料固有特性決定了電刷不能有效抑制打火發(fā)生。基于這種原因，將碳刷更換為摩根D172，并在設(shè)備改造過程中，逐步將其更換為廣東SHUNK-E468碳刷，該碳刷采用天然石墨材質(zhì)，具有密度小、氣孔率大，所以能夠有效地抑制打火現(xiàn)象的發(fā)生[2]。

3)加裝擋油杯。由于該電站機組的受油器安裝在滑環(huán)裝置上部，且滑環(huán)裝置的下端又是上導(dǎo)油槽，所以整個滑環(huán)室存在有嚴重的油霧及油滴情況。加裝擋油杯主要目的是接擋受油器通過基礎(chǔ)通心螺孔流出的滴油，可有效降低油霧及油滴對滑環(huán)裝置的影響。

4)勵磁電纜引入點改造。勵磁電流靠刷架的導(dǎo)電環(huán)傳遞，這就造成了電刷間電位分布不均勻，尤其是勵磁電纜引入點附近的電刷磨損的非常快。對東方廠機組勵磁電纜引入點由一點改為二點后，相對減少電刷間的電位差，使電刷的電流分布更均勻。

5)勵磁電纜改造。在滑環(huán)室比較惡劣的條件下運行了10多年的勵磁電纜(BX-185)普遍絕緣損壞，現(xiàn)已在機組A級和B級檢修中全部更換新勵磁電纜(JHGX-185)，該電纜為硅橡膠電纜，具有更高的絕緣耐壓水平，可適應(yīng)滑環(huán)室內(nèi)運行條件。

6)恒壓彈簧更換。該電站未增容改造機組滑環(huán)裝置使用的恒壓彈簧壓力為：1.2～1.6 kg。但在運行20年來恒壓彈簧已疲勞，恒壓彈簧壓力不符合標準，現(xiàn)隨機組增容改造正在逐步更換。

7)集電環(huán)削磨。在多年的運行中集電環(huán)表面有嚴重的麻點和凹溝，它將導(dǎo)致運行中電刷在刷握中跳動或卡滯，可能導(dǎo)致接觸不良產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)火花和起火等嚴重后果，對檢修機組集電環(huán)的實際情況進行削磨處理，可使接觸面更加平滑，降低接觸電阻，防止出現(xiàn)打火。

8)對刷架接觸面采取鍍銀技術(shù)。為徹底解決碳刷電流分布不均和刷架接觸面過熱問題，采用了在刷架接觸面實施鍍銀技術(shù)，以提高接觸面的導(dǎo)電性、抗氧化性能及抗腐蝕性，創(chuàng)新地解決了鋼件作為導(dǎo)流件接觸電阻過大的問題，實施后效果良好，極大地降低了刷架、碳刷、集電環(huán)的運行溫度，保證了機組長期安全穩(wěn)定運行。該項技術(shù)創(chuàng)新榮獲了集團公司職工技術(shù)創(chuàng)新成果二等獎。

9)增加碳粉吸收裝置。收集碳粉是碳粉收集裝置的主要作用，將碳粉收集于指定位置，以便在不停機的狀態(tài)下對所收集的碳粉進行處理。碳粉收集系統(tǒng)應(yīng)具備一定的密閉性，這樣可以將油霧和碳粉隔離，從而避免油性碳粉污垢的形成，使發(fā)電機滑環(huán)室內(nèi)各絕緣部件的絕緣性能得到一定程度的保護。碳粉收集裝置的隔離腔可以隔離滑環(huán)室內(nèi)的油霧和碳粉，起到了保護集電環(huán)裝置的作用。碳粉收集裝置是通過控制空氣的流向帶走碳粉，通風系統(tǒng)還有利于集電環(huán)系統(tǒng)的散熱[3]。

現(xiàn)該電站增容改造后機組均采用了碳粉吸收裝置，該裝置對吸收碳粉和隔離油霧起到了一定的作用。增容機組采用了阿基米德螺旋線槽的集電環(huán)，集電環(huán)表面開線槽可以消除接觸面的氣膜，有利于滑環(huán)整體散熱，使電氣接觸達到最佳狀態(tài)。采用了帶絕緣手柄的電刷，方便了對電刷的檢查和維護工作。在后續(xù)的機組的增容改造工作中，可以采用這些改進措施。

3 日常維護改進

要避免發(fā)電機滑環(huán)打火，同樣離不開日常的巡檢維護工作。巡檢工作安排為汛期一周巡檢2次，每周測溫1次，非汛期一周巡檢1次，每月測溫1次，對溫度較高的發(fā)電機組會增加巡檢和測溫次數(shù)，并進行重點檢查。

在日常巡檢中，需要特別關(guān)注碳刷磨損長度和刷辮是否有斷股情況，當碳刷長度小于總長度的1/2或電刷有1/4刷辯斷股時，需要及時更換碳刷。巡檢時需檢查所有電刷接觸情況，判斷電刷在刷握里運行是否發(fā)澀、電刷磨損是否過大、壓緊彈簧是否存在安裝位置不對、脫落或壓力不夠，檢查新電刷接觸面是否達到3/4以上。通過電筒反光初步判斷集電環(huán)表面凹槽及清潔情況，判斷滑環(huán)污染等級，檢查滑環(huán)裝置運行情況，記錄設(shè)備運行狀況，并根據(jù)需要對滑環(huán)裝置及時進行清掃。

以上這些檢查工作，使滑環(huán)裝置在良好的工況下穩(wěn)定運行，保證同一滑環(huán)每個碳刷與集電環(huán)的接觸良好，減小每個碳刷的阻值偏差，使勵磁電流均勻的通過每個電刷，從而避免個別碳刷出現(xiàn)溫度過高甚至打火的情況。

在汛期發(fā)電高峰時，還需要在深夜用電負荷較低時對滑環(huán)裝置進行清掃，參與清掃工作人員克服滑環(huán)室內(nèi)高溫，在炙熱的工作環(huán)境下保質(zhì)保量的完成了每一次的清掃工作，有效的減少了滑環(huán)打火次數(shù)，為發(fā)電機組穩(wěn)定運行，付出了不少的幸苦和努力。

根據(jù)發(fā)電機滑環(huán)裝置維護工作總結(jié)，發(fā)電分部編寫了發(fā)電機滑環(huán)裝置打火帶電處理作業(yè)指導(dǎo)書，確保了在帶電情況下，安全正確的處理滑環(huán)裝置出現(xiàn)的缺陷。

4 進一步改進建議

1)受油器漏油問題凾待解決。由于該電站機組存在著受油器安裝在滑環(huán)裝置上部，而且滑環(huán)裝置的下端又是上導(dǎo)油槽，所以整個滑環(huán)室存在有嚴重的油霧或油滴情況。在這種環(huán)境下運行，尤其是電刷的安裝是采用圓周平鋪方式，刷架的上方又正好有受油器的基礎(chǔ)通心螺孔，電刷、勵磁電纜集油情況是相當普遍的，運行的后果是電刷磨損較快和嚴重，碳粉堆積穩(wěn)固并能形成油膩，降低了滑環(huán)裝置的絕緣性能，是造成滑環(huán)打火的主要原因之一[4]。

建議增加滑環(huán)室油霧吸收裝置，避免油霧或油滴影響滑環(huán)裝置正常運行，同時方便進行檢查和維修。

2)加裝油霧分離裝置。目前僅14F、15F、20F機組安裝了油霧分離裝置，但是效果一般，原因是接收油滴的范圍較小，未能覆蓋整個滑環(huán)裝置正上方，建議對油霧分離裝置進一步優(yōu)化，改善滑環(huán)裝置運行環(huán)境。

3)作業(yè)規(guī)程修改。國家能源局發(fā)布的新版“二十五項反措”中規(guī)定不得在滑環(huán)裝置帶電時作業(yè)，給日常維護工作帶來許多不便之處，例如更換碳刷，建議在不違背規(guī)定的情況下，制定出相應(yīng)的作業(yè)規(guī)程，保證日常維護工作安全順利的進行[5]。

5 結(jié) 語

通過對發(fā)電機滑環(huán)裝置的改造，以及維護工作的改進，目前該電站發(fā)電機滑環(huán)裝置運行穩(wěn)定，打火情況已經(jīng)很少發(fā)生，這也進一步保證了機組安全可靠運行。