水輪發(fā)電機(jī)組集電裝置的改造及應(yīng)用

姚 耀，王永勝，劉懷龍，李兆斌

（甘肅電投大容電力有限責(zé)任公司朱岔峽水電站，甘肅 武威 733000）

0 電站概況

朱岔峽水電站位于甘肅省天祝縣與青海省互助縣交界的大通河干流扎隆口，是大通河青崗峽至金沙峽河段水電梯級(jí)開發(fā)的第三級(jí)電站。該電站為Ⅳ等小（Ⅰ）型水力發(fā)電工程，由重力式混凝土閘壩、引水隧洞、調(diào)壓井、發(fā)電廠房、升壓站等主要建筑物組成。朱岔峽水電站正常蓄水位2 211.00 m，設(shè)計(jì)水頭38 m，設(shè)計(jì)總引用流量102 m3/s，發(fā)電廠房共安裝有3臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量34 MW，年設(shè)計(jì)發(fā)電量1.434億kW·h，于2008年3月投產(chǎn)運(yùn)行，是當(dāng)?shù)刂匾碾娏敵鰡挝弧?/p>

1 水輪發(fā)電機(jī)組集電裝置的原理

轉(zhuǎn)子作為發(fā)電機(jī)的主要組成部分，作用是形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，最終在定子繞組中產(chǎn)生交流電能。要形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就必須在轉(zhuǎn)子磁極上施加電流，靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)輸出的電流是如何傳遞到旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上，答案就是發(fā)電機(jī)集電裝置。它是由刷架、刷握、碳刷、勵(lì)磁引線等固定設(shè)備與安裝在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的集電環(huán)、轉(zhuǎn)子引線等旋轉(zhuǎn)設(shè)備共同組成，讓電流由勵(lì)磁系統(tǒng)輸出，經(jīng)勵(lì)磁引線導(dǎo)入碳刷，并與旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)摩擦連接，最終通過轉(zhuǎn)子引線流入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

圖1 水輪發(fā)電機(jī)集電裝置構(gòu)件

2 發(fā)電機(jī)集電裝置存在的問題

（1）超過十二年的長(zhǎng)周期運(yùn)行，發(fā)電機(jī)碳刷與集電環(huán)之間逐漸出現(xiàn)打火，并引起電擊，造成集電環(huán)表面被電損蝕，光潔度嚴(yán)重變差，使碳刷與集電環(huán)接觸不良，加劇碳刷的磨損，夏季發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，碳刷與集電環(huán)最高溫度接近80℃；

（2）碳刷磨損嚴(yán)重，造成集電裝置各部堆積大量碳粉，如不及時(shí)清理，容易引發(fā)轉(zhuǎn)子回路接地或短路故障，甚至可能引起發(fā)電機(jī)著火等重大安全事故；

（3）受刷握形式的限制，導(dǎo)致機(jī)組在運(yùn)行過程中無法清理碳粉或更換碳刷，在機(jī)罩內(nèi)狹小的帶電空間作業(yè)，人員和設(shè)備安全都無法得到可靠保障，只能通過降低機(jī)組負(fù)荷或停機(jī)來處理，直接減少了發(fā)電量，造成經(jīng)濟(jì)效益受損；

（4）受集電環(huán)表面粗糙、機(jī)組振動(dòng)等因素的影響，碳刷磨損過快，縮短了碳刷的使用壽命，增加了碳刷更換頻次，從而造成設(shè)備材料成本上漲；

（5）清理堆積碳粉或更換碳刷的頻次增多，直接加重現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員的工作量。

3 發(fā)電機(jī)集電裝置的改造思路

（1）針對(duì)電站發(fā)電機(jī)組集電裝置的運(yùn)行狀況和改造需要，電站成立了技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，做了細(xì)致的數(shù)據(jù)對(duì)比和研究論證，最終考慮在不更換集電裝置刷架的前提下，僅對(duì)碳刷和刷握進(jìn)行改造，用最少的材料成本、最短的施工周期達(dá)到改造效果。

（2）由于原刷握為一體式，刷握和碳刷引線牢牢固定在刷架上，更換碳刷或清理碳粉時(shí)，必須停電作業(yè)。為消除這一弊端，技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)從刷握結(jié)構(gòu)上作出改變，研究設(shè)計(jì)采用組合式安裝的刷握，將碳刷引線接于刷握本體，并裝配絕緣手柄，通過操作手柄可將刷握整體拆下，換好碳刷后再整體回裝，降低帶電作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)也提高了發(fā)電經(jīng)濟(jì)效率。為了提高刷握性能，還需對(duì)刷握的表面做電鍍處理，進(jìn)一步增強(qiáng)導(dǎo)電性和抗氧化性，從而延長(zhǎng)刷握的使用壽命。

（3）技術(shù)改造團(tuán)隊(duì)通過調(diào)研分析，基于接觸力學(xué)機(jī)理的磨損方程計(jì)算得出式（1）：

其中：W—磨損體積；S—滑動(dòng)距離；P—施加功率；Pm—材料的流動(dòng)壓力（約為材料硬度）；K—磨損系數(shù)（炭—石墨約為0.471×10-9mm3/N·m）。

在其他條件不變的理想狀況下，磨損量與材料硬度成反比，提高材質(zhì)硬度就可以降低磨損。經(jīng)過與設(shè)備制造廠家充分溝通改造意見，由制造商生產(chǎn)制作專用的新碳刷，合理增加長(zhǎng)度、提高硬度、降低摩擦系數(shù)和圓周速度等，使碳刷完全適用于低轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)組。結(jié)合以上因素，綜合計(jì)算碳刷的理論使用壽命可提高4 倍以上（式2）、長(zhǎng)度增加1.6倍、硬度增加1.5 倍、弧度增加2.3 倍。

A—綜合計(jì)算結(jié)果；k—可靠系數(shù)，取0.8。

（4）為進(jìn)一步優(yōu)化集電裝置性能，研究將平壓式雙卡簧換為均壓式單卡簧，并要求制造單位對(duì)卡簧材質(zhì)做真空退火處理，在其彈力均衡性、抗疲勞強(qiáng)度、使用壽命等方面都要優(yōu)于原卡簧，能夠有效的對(duì)碳刷進(jìn)行制壓，使碳刷與刷握和集電環(huán)的貼合力更加均勻和平穩(wěn)，降低振動(dòng)，進(jìn)一步延長(zhǎng)集電裝置的使用壽命。

4 發(fā)電機(jī)集電裝置的改造內(nèi)容

（1）利用冬季檢修期，在不影響水量利用率的前提下開展2 號(hào)發(fā)電機(jī)組集電裝置技術(shù)改造工作。

（2）綜合考慮設(shè)備的安全性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，結(jié)合改造前期的準(zhǔn)備工作，充分利用數(shù)據(jù)支持，大膽改用長(zhǎng)度、強(qiáng)度、硬度、摩擦系數(shù)、圓周速度等關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化制造后的定制新碳刷（表1）和便于拆裝的新形式刷握（圖2）。

表1 兩款碳刷性能參數(shù)對(duì)比

圖2 兩款刷握的整體形式對(duì)比

（3）技術(shù)人員對(duì)集電環(huán)表面損蝕斑印進(jìn)行車削、磨削、拋光處理，徹底修復(fù)表面光潔度，最大程度減小接觸面的摩擦力，提高集電裝置的導(dǎo)電效率和使用壽命。要求處理后的集電環(huán)表面粗糙度Ra在1.6 μm～3.2 μm 范圍內(nèi)，保證集電環(huán)的抗疲勞強(qiáng)度和防腐性，并在運(yùn)行中提高間隙配合的穩(wěn)定性。

（4）在安裝刷握時(shí)，必須調(diào)整好每一個(gè)刷握的前后位置和左右間距，使其均勻分布，保證轉(zhuǎn)子回路正、負(fù)極電流均衡，避免放電現(xiàn)象的發(fā)生。刷握應(yīng)當(dāng)垂直正對(duì)集電環(huán)，并與之保持3 mm～4 mm 的間隙，可以有效減小振動(dòng)現(xiàn)象。

（5）安裝碳刷前要用800 目金相砂紙對(duì)每一塊的表面進(jìn)行研磨處理，使其與集電環(huán)的弧度相吻合，貼合面積可達(dá)到90%以上，且摩擦順滑，確保每塊碳刷傳導(dǎo)的電流大小基本一致。每組碳刷的卡簧壓力調(diào)整在1.4 kg～1.6 kg 之間，受力均勻，保證每塊碳刷的磨損程度基本一致。調(diào)整碳刷與刷握內(nèi)壁的間隙時(shí)，應(yīng)當(dāng)控制在0.1 mm～0.2 mm 之間，間隙過大會(huì)引起振動(dòng)加劇，損傷碳刷與卡簧；間隙過小會(huì)造成碳刷受力不均，接觸不良，容易發(fā)生打火。

（6）安裝后，對(duì)集電環(huán)、刷架、引線電纜的正負(fù)極之間、對(duì)地分別做絕緣電阻測(cè)試，數(shù)據(jù)全部合格，大于5 MΩ。

（7）全部設(shè)備安裝完成后開機(jī)測(cè)試。控制機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)行觀察，在低轉(zhuǎn)速下仔細(xì)檢查碳刷與集電環(huán)的摩擦情況；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速逐步上升時(shí)，檢查集電裝置有無異音；當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，運(yùn)行2 h 以上，使碳刷與集電環(huán)之間充分形成氧化膜，并檢查碳粉散落情況，集電環(huán)表面溫度不得超過75℃；當(dāng)空轉(zhuǎn)運(yùn)行穩(wěn)定后，采取勵(lì)磁系統(tǒng)遞升加壓方式，逐步使發(fā)電機(jī)達(dá)到額定電壓，再次檢查集電裝置運(yùn)行正常；發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行后，再額定功率下，全面檢查確認(rèn)集電裝置各部無異音、無打火、無劇烈振動(dòng)等情況，集電環(huán)表面溫度不得超過85℃。

5 改造后的應(yīng)用效果

（1）安全效果：此次技術(shù)改造工作完成后，電站2 號(hào)發(fā)電機(jī)組已安全穩(wěn)定運(yùn)行超過8 000 h，經(jīng)過詳細(xì)的數(shù)據(jù)記錄和工況對(duì)比，改造后的集電裝置再未發(fā)生放電打火現(xiàn)象，機(jī)罩內(nèi)幾乎沒有碳粉。徹底消除了因碳粉堆積過多造成的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地短路或著火的事故風(fēng)險(xiǎn)。夏季高溫天氣，2 號(hào)發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，集電環(huán)表面最高溫度記錄56.3℃。基本穩(wěn)定在50℃左右，有效的保證了機(jī)組運(yùn)行的安全性，安全效益穩(wěn)固保障。

（2）運(yùn)行成本：設(shè)備改造后經(jīng)過一年的運(yùn)行，新碳刷的磨損量均未超過3 mm，綜合計(jì)算考慮（按年利用小時(shí)數(shù)達(dá)到5 000 h），預(yù)計(jì)新碳刷可至少使用6年。通過比對(duì)技改前后兩款碳刷的采購價(jià)格、更換頻次和數(shù)量（表2）可以發(fā)現(xiàn)，改造后平均每年可為企業(yè)節(jié)省材料成本1 萬元左右。

表2 設(shè)備改造前后材料成本使用對(duì)比表

（3）經(jīng)濟(jì)效益：改造后，2 號(hào)發(fā)電機(jī)未發(fā)生因清理碳粉、更換碳刷而造成的降負(fù)荷或停機(jī)情況。通過對(duì)比設(shè)備改造前后停機(jī)的頻次和時(shí)長(zhǎng)（表3），可以明顯發(fā)現(xiàn)改造后的設(shè)備利用率更高，平均每年可以為企業(yè)減少電量損失約40～49 萬kW·h，折合經(jīng)濟(jì)效益約10～12.3 萬元。

表3 設(shè)備改造前后經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比表

經(jīng)過對(duì)朱岔峽電站2 號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組集電裝置的技術(shù)改造，并通過較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行驗(yàn)證和全面復(fù)查，確定集電環(huán)和碳刷再無打火現(xiàn)象，集電環(huán)表面未見損蝕痕跡，各部位的測(cè)溫貼片均未達(dá)到70℃；碳刷磨損量均不足3 mm，機(jī)罩內(nèi)幾乎沒有碳粉散落，也無需更換碳刷；刷握未受到機(jī)組振擺的影響，全部穩(wěn)定牢靠，為保障電力企業(yè)長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

本文從朱岔峽水電站水輪發(fā)電機(jī)組集電裝置的原理和存在問題入手，詳細(xì)闡述了2 號(hào)發(fā)電機(jī)組集電裝置改造及實(shí)際應(yīng)用后所取得的效果。通過合理的設(shè)備改造，完全可以降低發(fā)電機(jī)發(fā)生事故的概率，避免企業(yè)不必要的經(jīng)濟(jì)損失，合理減少職工的勞動(dòng)量，此項(xiàng)改造取得的成效，可以在中小型水輪發(fā)電機(jī)組中起到借鑒作用。