發電電動機碳粉問題分析與治理

楊劍,高從闖,陳忠賓,肖先照,高學洪

(江蘇國信溧陽抽水蓄能發電有限公司,江蘇常州 213334)

0 引言

溧陽抽水蓄能電站(簡稱“溧蓄”)裝有6臺單機容量為250MW的混流可逆式水泵水輪-發電電動機組,總裝機容量1500MW。其中發電機為立軸、半傘式、全空冷發電電動機。發電電動機集電裝置是重要的輔助設備之一,作為勵磁系統和發電機本體的連接部件,其作用是將勵磁電流通過碳刷導入轉子,以形成勵磁磁場[1]。本文介紹了溧蓄發電電動機集電裝置結構,介紹了碳粉問題及其危害,總結了一些治理方法和預防措施。

1 集電裝置

溧蓄發電電動機集電裝置由集電環、碳刷、恒壓彈簧、刷握、導電環、底座以及密封罩組成,結構如圖1所示。集電環通過間隙配合套裝在頂軸上,靠鍵來固定,其材料為Q345B,表面圓周速度為21.2m/s。導電環共設置40個碳刷,每極20個碳刷,其型號為E468。刷握配有恒壓彈簧,通過底座固定在導電環上,把柄為阻燃絕緣材料,可實現帶電拆卸更換碳刷。

圖1 集電裝置結構圖

密封罩上、下兩層共配有12個吸塵口,吸塵口與吸塵環管相連,吸塵環管在180°方向分別與兩個額定功率2.2kW的風機相連,運行時利用風機對吸塵口處產生負壓,將碳粉吸收至收集裝置中,形成一套碳粉吸塵裝置。

2 碳粉問題

從2021年開始,溧蓄6臺機組相繼出現碳粉增多問題,集電環、刷架、頂軸內、轉子引線、定子線棒、碳粉收集裝置內粘附著較多碳粉,對發電電動機安全運行產生了一定的危害[2～4],具體如下:(1)碳粉掉落堆積在集電環、刷架、轉子引線以及絕緣件上,降低了轉子絕緣性能,部分機組轉子絕緣阻值從2GΩ降低到5MΩ以內。(2)碳粉吸附在頂軸、上導滑轉子以及接觸式油擋上,使得發電電動機頂軸絕緣降低,軸瓦和上導滑轉子存在損傷風險。(3)碳粉吸附在集電裝置周圍,影響碳刷和集電環散熱,碳刷溫度普遍偏高,夏天運行時溫度在90℃～110℃之間,碳刷刷辮高溫變色,碳刷氧化膜難以形成,碳刷磨損量進一步加大。(4)碳粉通過縫隙和孔洞進入定轉子和頂軸內部,影響磁極、定子線棒等核心部件絕緣性能,同時也給設備清掃帶來困難,增加檢修維護工作量。(5)碳粉通過縫隙進入上導油槽內部,污染潤滑油,使得油質變差,油品檢驗不合格。

3 原因分析

碳刷和集電環之間摩擦產生碳粉是不可避免的,碳粉問題歸結為碳刷磨損過大和碳粉收集效果不佳這兩類[5～7],具體原因分析如下。

(1)碳刷產品質量問題。不同批次碳刷加工工藝存在差別,導致個別批次碳刷內部存在氣孔,使用后出現掉渣、缺角等現象。

(2)恒壓彈簧壓力選擇過大。碳刷磨損包括機械磨損和電蝕磨損,碳刷磨損與恒壓彈簧的壓力關系如圖2所示。溧蓄以往采用的恒壓彈簧壓力為22～25N,該壓力偏大,加劇了碳刷機械磨損。

圖2 碳刷磨損與彈簧壓力關系

(3)碳刷接觸面氧化膜難以形成。碳刷使用一段時間后,其接觸面會形成一層氧化膜,該氧化膜具有潤滑作用,能夠減少碳刷磨損,由于碳刷運行過程中溫度過高,該氧化膜難以形成,導致碳刷磨損增大。

(4)吸塵效果不理想。吸塵口和吸塵環管布置在頂罩內,吸塵裝置風機布置在風洞外,吸塵環管與風機之間的連接管路過長、彎曲管件較多,碳粉易堆積堵塞在管路內,并且吸塵管路段阻燃軟管連接段較長、較多,導致吸力不夠,影響吸塵效果。

(5)刷架水平和中心達不到要求。刷架導電環水平度和同心度較差,溧蓄6臺機組實際測量結果如表1所示。刷架與集電環同心度、水平度變差會造成碳刷與集電環接觸不良或碳刷偏磨,加劇碳粉產生。

表1 導電環水平度和同心度測量值/mm

(6)集電環表面不平整。溧蓄發電電動機集電環材料為Q345B,此材質偏軟,不耐磨,集電環表面出現溝槽,加大碳刷的磨損,碳粉的產生。

4 解決措施

2022年度機組檢修和日常維護期間,溧蓄對碳粉問題進行了治理,保證了發電電動機安全穩定運行,主要措施如下。

(1)定期檢查碳刷,對存在掉渣和氣孔的碳刷進行更換,更換前對碳刷接觸面充分研磨,形成與集電環相應的弧度,保證碳刷與集電環接觸面在80%以上。

(2)適當降低恒壓彈簧壓力,改用18～20N的恒壓彈簧,減小碳刷與集電環摩擦力,進而減小碳刷磨損,減少碳粉產生。

(3)定期測量碳刷、集電環及集電環室溫度,檢查碳刷銅辮子是否變色,碳刷是否出現偏磨或打火現象,對其中問題嚴重的碳刷進行更換。

(4)結合檢修清理吸塵管路并更換收集裝置過濾袋;對頂罩內水平環管和風洞內的水平直管進行清理,防止內部碳粉堆積造成堵塞;同時將部分軟管連接改為硬管連接,加強管路連接部位密封,減少吸塵口處的吸力損失。

(5)調整刷架水平度和同心度滿足要求,同時調整刷握底座,使得碳刷伸出刷盒的長度在3～5mm之間,保證碳刷與集電環良好接觸。

(6)在機組檢修期間更換集電環,新集電環材質為16Mn鍛鋼,耐磨性好,表面不容易出現溝槽,能夠有效降低碳刷磨損。

(7)定期清理碳粉,對集電環、刷架以及頂軸死角部位進行吹掃清理,必要時拆卸零部件進行清理。

(8)封堵碳粉吸塵管路、勵磁引線在頂罩內的引出孔洞,防止碳粉進入定轉子內部。對頂軸上端面蓋板縫隙、勵磁引線穿軸處縫隙涂抹密封膠,防止碳粉進入頂軸孔內,影響勵磁引線絕緣。

(9)對勵磁引線穿軸部位涂刷絕緣漆防護以此來增加爬電距離,避免碳粉堆積影響絕緣。

5 結語

碳粉的產生和堆積是逐漸發展的過程,并且受多方面因素影響,徹底治理難度大,因此,需要在檢修維護中加強對碳粉問題關注。本文碳粉問題的原因分析以及治理方法可供其他出現類似問題的電站參考借鑒,具有指導意義。.