馬躍利，馮延紅

(1．四川省紫坪鋪開發(fā)有限責(zé)任公司紫坪坪鋪水力發(fā)電廠，四川都江堰 611830；2．四川省紫坪鋪開發(fā)有限責(zé)任公司水庫調(diào)度中心，四川成都 610091)

淺談紫坪鋪水電廠3號發(fā)電機(jī)集電環(huán)嚴(yán)重電化腐蝕處理及預(yù)防策略

馬躍利，馮延紅

(1．四川省紫坪鋪開發(fā)有限責(zé)任公司紫坪坪鋪水力發(fā)電廠，四川都江堰 611830；2．四川省紫坪鋪開發(fā)有限責(zé)任公司水庫調(diào)度中心，四川成都 610091)

紫坪鋪水力發(fā)電廠對3號機(jī)組集電環(huán)嚴(yán)重電化腐蝕采取處理措施后，投入運(yùn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)各碳刷電流分布均勻，碳刷、集電環(huán)運(yùn)行未出現(xiàn)溫度偏高及碳刷打火現(xiàn)象。在技術(shù)不斷發(fā)展的推動下，狀態(tài)檢修管理、機(jī)網(wǎng)和諧等方面的需求，對設(shè)備的可靠性和自動化程度提出了更高的要求。為此，需要掌握產(chǎn)生事故的可能性、嚴(yán)重性以及誘發(fā)因素等具有共性的客觀規(guī)律；熟知設(shè)備的情況，抓住具有個(gè)性的特點(diǎn)，多角度、多層次分析，采取必要的、可操作的、有效的措施，提高設(shè)備可靠性和自動化程度，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

水輪發(fā)電機(jī)；集電環(huán)；電化腐蝕；處理及預(yù)防

集電環(huán)機(jī)械磨損、電化腐蝕、碳刷冒火花、溫度升高是運(yùn)行中常見的現(xiàn)象，由此引發(fā)的碳刷及刷握燒毀，集電環(huán)損傷、機(jī)組定轉(zhuǎn)子絕緣下降乃至發(fā)電機(jī)被迫停運(yùn)的事件屢見不鮮。如何有效控制集電環(huán)、碳刷等設(shè)備異常和安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，需要深入分析原因，制定有效的措施及可行的預(yù)防策略。

1 概述

四川省紫坪鋪水力發(fā)電廠位于岷江上游，距成都市60 km，是岷江干流梯級水電廠的最后一級，是以灌溉、供水、防洪、發(fā)電等多目標(biāo)開發(fā)的水資源工程。該工程庫容11．12億m3，具有不完全年調(diào)節(jié)能力，電站裝有4臺立式混流水輪發(fā)電機(jī)組(SF190－40/10800)，單機(jī)容量190 MW，總裝機(jī)容量760 MW，設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量為34．17億kWh，通過一回500 kV線路接入主網(wǎng)，具有調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用等重要作用。2005年10月底，首批機(jī)組(3、4號機(jī)組)同時(shí)投產(chǎn)，電站按照無人值班、少人值守設(shè)計(jì)，具備五遙(遙調(diào)、遙信、遙控、遙測、遙視)和AGC(自動發(fā)電控制)、AVC(自動電壓控制)等功能。

發(fā)電機(jī)組勵磁方式為可控硅全控整流橋自并勵靜止勵磁，機(jī)組額定勵磁電壓405 V，額定勵磁電流為1 380 A，空載勵磁電壓155 V，空載勵磁電流740 A。每臺機(jī)安裝32只碳刷，每極8組 (雙孔刷握)，每組2只碳刷，即每極16只，碳刷尺寸為64 mm×32 mm×32 mm，3號機(jī)組碳刷型號為NG16(上海摩根新材料)。其他機(jī)組采用SCHUNK—E468型碳刷，額定運(yùn)行時(shí)，碳刷電密為8．4 A/cm2。采用的碳刷額定電流為8～11 A/ cm2，短時(shí)最大允許電流為12 A/cm2。

2 運(yùn)行背景

(1)截止2013年8月20日，3號機(jī)組累計(jì)發(fā)電量57．61億kWh，利用小時(shí)數(shù)30 323．9 h，運(yùn)行小時(shí)數(shù)42 688．7 h，C級檢修13次，B級檢修2次。

(2)運(yùn)行期間經(jīng)受了2008年“5·12”汶川8．0級大地震的考驗(yàn)(電站距震中17 km，距地震斷裂帶僅9 km，地震對主輔設(shè)備造成了不同程度的破壞。)

(3)水輪發(fā)電機(jī)組均按照210 MW設(shè)計(jì)制造，銘牌單機(jī)容量為190 MW，實(shí)際運(yùn)行均在190 MW及以下運(yùn)行。

(4)電站位于成都負(fù)荷中心，水頭變化幅度大(上游水位高程817m至877 m區(qū)間運(yùn)行，不完全年調(diào)節(jié)水庫)。受供水影響，機(jī)組運(yùn)行工況復(fù)雜，負(fù)荷調(diào)節(jié)較頻繁，2006年8月AGC投入運(yùn)行，2013年7月31日開始AVC功能投入運(yùn)行。

(5)AVC運(yùn)行時(shí)，高峰時(shí)段遲相運(yùn)行，機(jī)端電壓靠上限，低谷時(shí)段進(jìn)相運(yùn)行，電壓靠下限，兩種工況大部分時(shí)間在頂值限制運(yùn)行。勵磁變、集電環(huán)、碳刷、定子鐵芯端部溫升明顯變化。

(6)2013年3月3號機(jī)C修前，1至4號發(fā)電機(jī)組均采用SCHUNK—E468型碳刷，運(yùn)行中碳刷磨損消耗較快，負(fù)極滑環(huán)表面粗糙，滑環(huán)維護(hù)工作量較大。通過漫灣電站使用NG16與E468型碳刷的對比資料并咨詢主設(shè)備廠家以及設(shè)計(jì)單位，基于現(xiàn)場E468碳刷磨損消耗較快，滑環(huán)室碳粉粉塵堆積影響設(shè)備運(yùn)行，建議更換使用NG16碳刷。2013年3月3號機(jī)C修中進(jìn)行了更換。

3 故障現(xiàn)象

2013年8月20日5時(shí)25分，監(jiān)控系統(tǒng)上微機(jī)報(bào)出“3號機(jī)組強(qiáng)勵動作、復(fù)歸”信息，此時(shí)，3號機(jī)組機(jī)端電壓為13．7 kV，勵磁電壓為245 V，勵磁電流為605 A，無其他報(bào)警信息。中控值班人員通過工業(yè)電視系統(tǒng)看到3號機(jī)滑環(huán)室有間斷弧光，現(xiàn)場巡回人員發(fā)現(xiàn)3號機(jī)組集電環(huán)罩內(nèi)有弧光及拉弧聲響，立即執(zhí)行停機(jī)。停機(jī)前，3號機(jī)有功出力為148 MW，無功出力進(jìn)相為35 MVar。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)集電環(huán)室內(nèi)有刷握銅熔渣，負(fù)極8組刷握邊緣燒熔或變形，刷握內(nèi)碳刷大部分發(fā)卡，其中5只碳刷恒壓彈簧熔接在刷握上，7只碳刷刷辮熔斷，其他刷辮絕緣層過熱碳化；負(fù)極碳刷粉化明顯，負(fù)極碳刷對應(yīng)的集電環(huán)(以下簡稱負(fù)極集電環(huán))嚴(yán)重電腐蝕，集電環(huán)架及絕緣塊均有灼傷痕跡，正極碳刷對應(yīng)集電環(huán)(以下簡稱正極集電環(huán))及碳刷基本完好。

圖1 3號機(jī)組集電環(huán)發(fā)生環(huán)火后接觸面灼傷，負(fù)極接觸面嚴(yán)重電化腐蝕

4 原因分析

3號機(jī)組投運(yùn)近8年時(shí)間，負(fù)極集電環(huán)表面在機(jī)械摩擦、電氣腐蝕以及運(yùn)行工況、油霧、碳刷、刷握、彈簧等多方面因素的綜合作用下，導(dǎo)致其表面粗糙并出現(xiàn)條痕。在運(yùn)行過程中引起集電環(huán)表面與碳刷接觸不良并逐漸惡化，直至碳刷與集電環(huán)表面發(fā)生放電拉弧現(xiàn)象，最終導(dǎo)致負(fù)極集電環(huán)嚴(yán)重電腐蝕、碳刷及刷握燒損的后果。

(1)集電環(huán)與碳刷為動靜接觸，二者又相互影響。集電環(huán)和碳刷間接觸面的磨損分為無電流作用下的機(jī)械磨損和在電流作用下的電氣、機(jī)械磨損兩種情況。

①無電流作用下的機(jī)械磨損。集電環(huán)與碳刷接觸，二者相對運(yùn)動摩擦形成磨損消耗。若碳刷含有硬質(zhì)顆粒，必然會對集電環(huán)表面進(jìn)行擦刮，造成集電環(huán)表面不光滑，反過來對碳刷表面加大磨損；若碳刷質(zhì)量較好，碳粉易附著在集電環(huán)表面形成良好的潤滑效果，使集電環(huán)、碳刷表面亮滑，二者機(jī)械磨損較小。

②在電流作用下的電氣、機(jī)械磨損。在電弧、放電的作用下，局部高溫會使集電環(huán)極面局部熔化、脫落，碳刷也會在高溫下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)松化，因電氣腐蝕而脫落，同時(shí)，由于接觸面的損壞加大了機(jī)械磨損程度。正負(fù)極滑環(huán)表面的磨損情況表現(xiàn)出因電流方向不同出現(xiàn)極性差別。正極碳刷對應(yīng)的集電環(huán)表面電氣磨損和機(jī)械磨損都很小，極面比較光滑；負(fù)極碳刷對應(yīng)的集電環(huán)電氣磨損、機(jī)械磨損都很大，極面粗糙并呈溝痕狀。

(2)機(jī)組集電環(huán)的磨損情況與“陽極蒸發(fā)、陰極粉化”機(jī)理相吻合(在電弧作用下，正極(陽極)表面局部灼熱而蒸發(fā)出“金屬蒸汽”使陽極表面損蝕，也稱之為“陽極蒸發(fā)”；負(fù)極(陰極)受正離子撞擊和高溫作用發(fā)射電子，使陰極表面也遭受破壞，被稱之為“陰極粉化”。當(dāng)電流由碳刷流向集電環(huán)時(shí)，碳刷作為正極其表面在高溫作用下發(fā)生微小程度的“陽極蒸發(fā)”，碳粒石墨離子遷移到集電環(huán)表面，使其形成亮滑的鏡面，機(jī)械磨損較?。划?dāng)電流由集電環(huán)流向碳刷時(shí)，集電環(huán)作為正極，其表面因“陽極蒸發(fā)”而電蝕嚴(yán)重，金屬粒子粘附在碳刷接觸面上，集電環(huán)極面嚴(yán)重磨損而出現(xiàn)條痕，機(jī)械磨損進(jìn)一步增大)。正極集電環(huán)表面比較光潔，具有亮滑的石墨鏡面，碳刷的端面也很光滑，而負(fù)極集電環(huán)表面呈現(xiàn)多道溝痕，深約1 mm，碳刷接觸面同樣存在條痕，碳刷消耗較快，其他因素也對滑環(huán)及碳刷的運(yùn)行形成一定的影響。

①工況因素。運(yùn)行工況復(fù)雜，紫坪鋪水庫為不完全年調(diào)節(jié)，機(jī)組水頭變幅大約為60 m，電站處在成都負(fù)荷中心，特別是AGC、AVC功能投入運(yùn)行時(shí)，有無功調(diào)節(jié)頻繁。小負(fù)荷、振動區(qū)運(yùn)行工況較多，加大了碳刷、集電環(huán)的機(jī)械磨損。

②油霧因素。運(yùn)行中上導(dǎo)油槽油霧溢出，油霧與碳粉混合成碳泥，集聚在刷握內(nèi)及集電環(huán)表面，將影響碳刷的自由竄動和集電環(huán)表面光滑，加大了碳刷的消耗，同時(shí)也影響其散熱，形成惡性循環(huán)。

③碳刷因素。紫坪鋪電站機(jī)組設(shè)計(jì)制造留有一定余量，在實(shí)際運(yùn)行中，碳刷電密較小，運(yùn)行溫度較低，可能不利于氧化膜的形成。運(yùn)行中每個(gè)碳刷的電流、溫度沒有得到有效監(jiān)視和控制。各種工況下碳刷電密是否在額定范圍、運(yùn)行溫度是否有利于氧化膜的形成缺乏量化數(shù)據(jù)的支撐，也是增加集電環(huán)、碳刷磨損與腐蝕的可能原因。

④刷握因素。刷握結(jié)構(gòu)、刷孔加工工藝、扇熱性能、高溫變形、刷孔內(nèi)局部高點(diǎn)和毛刺等情況容易使碳刷發(fā)卡，將影響碳刷的自由竄動。

⑤彈簧因素。恒壓彈簧長時(shí)間運(yùn)行，彈性疲勞老化，可能會造成每個(gè)碳刷的壓力不均勻。壓力過小，碳刷與集電環(huán)接觸面不穩(wěn)定，易起弧，加大了電氣腐蝕；壓力過大，刷面的硬粒加重會使集電環(huán)表面的摩擦、機(jī)械磨損增加。

⑥位置因素。紫坪埔電站機(jī)組為立式混流機(jī)組，集電環(huán)水平安裝，上環(huán)為集電環(huán)正極，下環(huán)為集電環(huán)負(fù)極，運(yùn)行中上環(huán)集電環(huán)及碳刷磨損的粉塵和顆粒沉積到下環(huán)，加大了下環(huán)的磨損和電腐蝕程度。

(3)碳刷磨損消耗和集電環(huán)損蝕原理相同，各種影響因素相互作用，同樣存在機(jī)械磨損和電氣腐蝕問題。

①機(jī)械磨損。集電環(huán)表面的光潔度、碳刷的材質(zhì)、彈簧壓力等因素都可能影響碳刷機(jī)械的磨損程度。

②電氣腐蝕。因碳刷卡澀、間斷與集電環(huán)接觸引起或碳刷的電流過大引起碳刷打火，導(dǎo)致碳刷結(jié)構(gòu)松化，受氧化腐蝕而脫落；勵磁系統(tǒng)過負(fù)荷，彈簧壓力不夠，碳刷與集電環(huán)接觸面較小等導(dǎo)致碳刷溫度高、電氣磨損加劇。

③機(jī)械磨損、電氣腐蝕。碳刷在刷握內(nèi)有卡澀現(xiàn)象，碳刷表面附著金屬或硬質(zhì)顆粒，運(yùn)行中將發(fā)生機(jī)械磨損、電氣腐蝕而損壞碳刷。

④另外，受運(yùn)行溫度影響，溫度過高過低都會加大碳刷磨損。而引起碳刷發(fā)熱的因素由三部分組成:碳刷自身電阻發(fā)熱，碳刷接觸壓降發(fā)熱和磨擦發(fā)熱。

碳刷自身電阻發(fā)熱功率:W1=I2R碳刷接觸壓降發(fā)熱功率:W2=I△E磨擦發(fā)熱功率:W3=Fv

式中 I為流過碳刷的電流；R為碳刷電阻；△E為接觸壓降；F為碳刷壓緊力；V為碳刷與滑環(huán)的相對運(yùn)動速度。

由表1可見，紫坪鋪水力發(fā)電廠機(jī)組長時(shí)間小負(fù)荷運(yùn)行工況勵磁電流較小，滑環(huán)和碳刷運(yùn)行溫度偏低，大部分時(shí)間在60℃以下運(yùn)行(技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求在60℃ ～90℃范圍運(yùn)行為佳)，不利于集電環(huán)氧化膜的形成，加劇了碳刷的磨損(表1)。

表1 3號機(jī)組勵磁系統(tǒng)測溫記錄

5 處理措施

(1)將集電環(huán)裝配整體返廠進(jìn)行車削處理，裝夾牢固，偏心盡可能小，車削過程中控制進(jìn)刀量和切削速度。車完后進(jìn)行磨光、拋光工藝處理，表面粗糙度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)對集電環(huán)溝型槽槽邊進(jìn)行倒角處理，返回現(xiàn)場后，再次修磨，剔除局部高點(diǎn)或毛刺，清除研磨碎屑，集電環(huán)散熱溝槽及槽邊光潔無殘留物。

(3)對集電環(huán)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和絕緣測試，5 000 V耐壓1 min，正極集電環(huán)絕緣電阻為500 MΩ，負(fù)極集電環(huán)絕緣電阻為400 MΩ，數(shù)據(jù)合格。

(4)更換全部碳刷、刷握、恒壓彈簧，用白布蘸酒精擦拭集電環(huán)、支架。

(5)碳刷安裝時(shí)修磨刷握內(nèi)表面，使之光滑平整，檢查并調(diào)整碳刷與集電環(huán)接觸良好，碳刷在刷握內(nèi)無卡阻。

(6)檢查勵磁引線，穿軸引線牢固，刷架間連接螺栓緊固可靠，采取防松動措施。

(7)轉(zhuǎn)子引線接引后徹底清掃滑環(huán)室，對轉(zhuǎn)子絕緣進(jìn)行整體絕緣測試，1 000 V搖表測試絕緣電阻為646 MΩ，數(shù)據(jù)合格(標(biāo)準(zhǔn)≮0．5 MΩ)。

6 預(yù)防策略

6．1 技術(shù)層面

(1)嚴(yán)格碳刷安裝工藝。禁止同時(shí)使用不同廠家、不同型號、不同批次的碳刷。否則碳刷阻值偏差較大，會使電流分配不均，導(dǎo)致個(gè)別碳刷電流超限，加速磨損，也會使其它的碳刷運(yùn)行更加惡劣；對每個(gè)碳刷及刷握進(jìn)行檢查，保證碳刷裝入刷握內(nèi)能夠自由移動，各方向均不能有卡死現(xiàn)象。碳刷與刷握內(nèi)壁的間隙在0．1～0．3 mm之間，以避免碳刷和刷握之中因間隙過大產(chǎn)生擺動；調(diào)整恒壓彈簧，保證每個(gè)碳刷的壓力基本一致(160－200 g/cm2)；檢查碳刷與集電環(huán)接觸情況，保證碳刷與集電環(huán)為垂直接觸或逆向傾斜2．5°。

(2)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)勵磁電流低于額定值時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況在保證碳刷電密在允許范圍內(nèi)，允許適量減少碳刷，但須保證碳刷額定電流在允許范圍。集電環(huán)氧化膜形成的溫度在60℃ ～90℃為佳，氧化膜有助于減緩碳刷的磨損。

(3)根據(jù)集電環(huán)表面的磨損腐蝕情況可定期或不定期倒換極性，避免負(fù)極集電環(huán)表面磨損、腐蝕的惡化。

(4)運(yùn)行中集電環(huán)表面如果出現(xiàn)劃痕，應(yīng)及時(shí)采取措施對集電環(huán)表面進(jìn)行精加工、打磨、拋光。檢修中需要對集電環(huán)及刷架部件絕緣(C級檢修)和交流耐壓(B級及以上檢修)進(jìn)行隱患排查治理。

(5)當(dāng)碳刷磨損至1/3碳刷長度時(shí)需要更換碳刷，新碳刷需要進(jìn)行預(yù)安裝，過松過緊均不允許；運(yùn)維中還需注意刷握松動情況，避免碳刷出現(xiàn)卡阻，導(dǎo)致接觸電阻增大而過熱；對于恒壓彈簧疲勞、壓力減小，使碳刷接觸不穩(wěn)定，易出現(xiàn)打火、拉弧時(shí)需要及時(shí)更換。

6．2 管理層面

(1)完善維護(hù)管理、檢修管理、日常巡檢等方面的管理制度。

(2)注重技術(shù)培訓(xùn)，提高從業(yè)人員業(yè)務(wù)技能。

(3)加強(qiáng)監(jiān)視、監(jiān)測、檢查，及時(shí)消除隱患和缺陷。

(4)優(yōu)化運(yùn)行方式，盡可能避開振動區(qū)運(yùn)行。

(5)在產(chǎn)品采購環(huán)節(jié)嚴(yán)控碳刷、刷握、彈簧質(zhì)量；選擇具有良好集流性能、硬度適中、損耗小、能在集電環(huán)表面能較快形成一層均勻、適度和穩(wěn)定氧化膜、使用壽命長的碳刷。

(6)制定應(yīng)急處置預(yù)案。

(7)注重運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集整理分析，掌握設(shè)備安全運(yùn)行規(guī)律，為維護(hù)、檢修提供決策依據(jù)。

6．3 運(yùn)行環(huán)境

(1)可安裝碳粉收集裝置，隨時(shí)清理磨損掉的碳粉，改善運(yùn)行環(huán)境。

(2)也可對油槽的密封進(jìn)行改進(jìn)，可采用無間隙密封，減少油槽油霧溢出量，減輕油霧對碳刷、集電環(huán)的影響。

(3)還可在集電環(huán)室內(nèi)設(shè)計(jì)安裝上導(dǎo)油槽吸排油霧裝置，減少油霧附著在碳刷集電環(huán)工作面及刷握內(nèi)。

7 結(jié)語

紫坪鋪水力發(fā)電廠對3號機(jī)組集電環(huán)嚴(yán)重電化腐蝕采取處理措施后，投入運(yùn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)各碳刷電流分布均勻，碳刷、集電環(huán)運(yùn)行未出現(xiàn)溫度偏高及碳刷打火現(xiàn)象。在技術(shù)不斷發(fā)展的推動下，狀態(tài)檢修管理、機(jī)網(wǎng)和諧等方面的需求，對設(shè)備的可靠性和自動化程度提出了更高的要求。為此，需要掌握產(chǎn)生事故的可能性、嚴(yán)重性以及誘發(fā)因素等具有共性的客觀規(guī)律；熟知設(shè)備的情況，抓住具有個(gè)性的特點(diǎn)，多角度、多層次分析，采取必要的、可操作的、有效的措施，提高設(shè)備可靠性和自動化程度，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

TV7;TM312

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1001-2184(2015)05-0144-04

馬躍利(1970-)，男，山東莒縣人，畢業(yè)于東北水利水電專科校電力工程專業(yè)，廠長，高級工程師，現(xiàn)于四川省紫坪鋪水力發(fā)電廠從事生產(chǎn)管理；

(責(zé)任編輯:卓政昌)

2015-09-23

馮延紅(1970-)，女，青海西寧人，結(jié)業(yè)于東北水利水電?？茖W(xué)校電力工程專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)于四川省紫坪鋪開發(fā)公司水庫調(diào)度中心從事水庫調(diào)度．