溧蓄發(fā)電電動機導電滑環(huán)裝置運行可靠性分析

肖先照

(江蘇國信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇常州 213334)

0 引言

導電滑環(huán)裝置是整個勵磁回路的重要組成部分。導電滑環(huán)裝置中集電環(huán)溫度過高、碳刷打火、碳刷和刷握燒毀以及碳粉過多導致集電環(huán)短路燒毀是水輪發(fā)電機組常見的問題[1-5]。此類問題時常發(fā)生，嚴重威脅到發(fā)電機組的安全可靠性。

溧陽抽水蓄能電站(簡稱“溧蓄”)裝有6臺單機容量為250 MW的混流式水泵水輪機-發(fā)電電動機組，為哈爾濱電機廠有限責任公司生產(chǎn)。發(fā)電機為立軸半傘式全空冷發(fā)電電動機，額定轉速為300 r/min，額定勵磁電壓為278.9 V，額定勵磁電流為1 576.6 A。導電滑環(huán)裝置位于頂軸上方的頂罩內(nèi)，兩極共設置34個碳刷，每極17個，碳刷尺寸為38 mm×34 mm×60 mm，型號為E468。具體結構如圖1所示。

圖1 導電滑環(huán)裝置

1 碳刷和刷握燒毀問題

溧蓄機組在調(diào)試和投入商業(yè)運行后相繼出現(xiàn)過四次導電滑環(huán)裝置中碳刷或刷握燒毀問題。第一次為5#機組調(diào)試期間，停機過程中檢查發(fā)現(xiàn)集電環(huán)下環(huán)處第8#刷握手柄著火，第7#刷握(手柄)燃燒后脫落。第二次為4#機組投入商業(yè)運行半年后，一次巡檢過程中發(fā)現(xiàn)有3個碳刷燒損，其中2個刷握手柄的絕緣部分燒毀。第三次為6#機組投入商業(yè)運行10個月時，巡檢過程中發(fā)現(xiàn)7#碳刷燒毀。第四次為1#發(fā)電機停機后第11#刷握著火，連帶第12#刷握把手燒熔，碳刷和刷握燒毀分別如圖2～4所示。溧陽電站多次出現(xiàn)碳刷刷握燒毀問題絕非偶然，關系到整個機組的運行可靠性。對四次碳刷或者刷握燒毀問題總結為：

(1)碳刷燒毀分為刷辮熔斷和刷辮的絕緣套管燒毀兩種情況。

(2)刷握的燒毀為刷握(手柄)絕緣部分燃燒后燒毀。

圖2 碳刷刷辮燒毀

圖3 刷握手柄燒毀

圖4 刷握手柄燃燒

2 碳刷和刷握燒毀原因分析

碳刷和刷握燒毀原因很多，但本質(zhì)都是碳刷過流較大，碳刷溫度過高，過高的溫度導致碳刷刷辮絕緣套管燒毀；較為嚴重的是刷辮高溫熔斷，更為嚴重的是刷辮熔斷和刷握燒毀(刷辮燃燒導致刷握絕緣部分燃燒)。從刷架裝配的設計布置、刷架的安裝等方面分析碳刷過流大的原因。

2.1 設計方面

根據(jù)設備廠家提供的相關技術資料可知，集電滑環(huán)材質(zhì)為Q345B，表面粗糙度為Ra0.8，線速度為21.2 m/s，非溝槽結構。碳刷選取E468電化石墨碳刷，碳刷的設計電流密度為0.072 A/mm2，碳刷銅刷辮的電流密度為4.6 A/mm2。然而根據(jù)設計規(guī)范及經(jīng)驗：E468碳刷電流密度應保證在0.05～0.15 A/mm2之間，最大允許圓周速度為50 m/s；集電環(huán)采用碳鋼材質(zhì)，圓周速度小于60 m/s時不用開溝槽。根據(jù)碳刷特性以及設備廠家?guī)资甑脑O計經(jīng)驗，溧蓄發(fā)電-電動機集電環(huán)的設計、碳刷型號以及碳刷電流密度的選取均在設計規(guī)范內(nèi)。因此，溧蓄幾起碳刷和刷握燒毀問題并非設計原因?qū)е隆?/p>

2.2 安裝方面

集電環(huán)處的擺度滿足規(guī)范要求、刷架的水平度好、碳刷與集電環(huán)接觸要隨形。安裝環(huán)節(jié)是碳刷與集電環(huán)接觸良好、碳刷磨損均勻以及各碳刷電流分布均布的前提保證。相關數(shù)據(jù)表明：

(1)集電環(huán)處擺度值滿足安裝規(guī)范[6]要求。

(2)刷架水平度不合格，不平度達4 mm。刷架不水平導致碳刷與集電環(huán)接觸不好，有的碳刷接觸面積不到碳刷總截面積的1/5。這也是碳刷打火、集電環(huán)室環(huán)境溫度較高的主要原因。

(3)刷盒距離集電環(huán)外圓距離沒有調(diào)整，不均勻。距離不均勻?qū)е聫椈善瑝毫Σ灰恢?，碳刷與集電環(huán)接觸力不一致。

(4)安裝前，碳刷表面沒有磨出與集電環(huán)外圓配合的圓弧形。碳刷與集電環(huán)表面接觸不好，電流分布不均勻，電流密度變大。

2.3 其它方面

碳刷在刷盒內(nèi)運動時發(fā)生卡塞、碳刷與滑環(huán)接觸不良、碳刷電流分配不均勻也會導致碳刷溫度偏高。另外，集電環(huán)室內(nèi)通風不好、環(huán)境溫度較高，產(chǎn)生的熱量不能很好地散熱也會導致集電環(huán)和碳刷溫度偏高。碳刷銅辮子絕緣套管和刷握絕緣部分采用易燃材料，銅辮子電流密度過大(沒有充分考慮使用環(huán)境)也是碳刷和刷握燒毀的另一重要原因。

3 處理措施

針對上述分析原因，采取如下處理措施：

(1)調(diào)整刷架的水平，保證平面度不大于1 mm。

(2)用專用工具將碳刷與集電環(huán)接觸面打磨成圓弧，保證碳刷與集電環(huán)貼合緊密。

(3)調(diào)整刷盒在刷架上的位置，保證彈簧壓力均勻，碳刷與集電環(huán)接觸良好。

(4)保證集電環(huán)室通風良好，改善運行環(huán)境。

(5)定期巡檢，對碳刷和集電環(huán)檢查。

(6)運用阻燃刷握，杜絕刷握的燃燒。

(7)運用碳刷在線實時監(jiān)測裝置。

(8)每極增加三套碳刷起降低電流密度作用。

上述措施在6臺機組中實施一年來，沒有再次出現(xiàn)碳刷和刷握燒毀問題。定期巡檢測得碳刷溫度在70～105 ℃之間(冬天溫度低一些，夏天高一些)，集電環(huán)的溫度略低于碳刷溫度，集電環(huán)室環(huán)境溫度在42 ℃左右，隨著機組運行的時間長短略有變化。

4 結論

通過對溧蓄機組發(fā)電電動機四次碳刷和刷握燒毀問題的分析和處理，對阻燃刷握在機組的運用情況的跟蹤，對碳刷在線測溫裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析以及其它措施實施前后數(shù)據(jù)對比，了解到了碳刷溫度偏高、刷握燒毀的本質(zhì)原因。檢修人員總結了一些碳刷和導電滑環(huán)裝置檢修和維護的經(jīng)驗和方法，這對提高導電滑環(huán)裝置的安全可靠性起到了很大的理論和經(jīng)驗支撐作用。總結如下：

(1)目前碳刷與滑環(huán)接觸表面氧化膜良好，碳刷磨損情況良好，也無碳粉導致轉子接地問題。雖然碳刷溫度偏高一些，但從實際情況來看并未影響到氧化膜的形成，也不影響導電滑環(huán)裝置的可靠性。

(2)阻燃刷握的應用可以避免溫度過高導致刷握及刷架燒毀事故，提高滑環(huán)裝置運行可靠性。

(3)加強碳刷紅外測溫和碳刷在線實時監(jiān)測，裝置實施可以掌握碳刷溫度變化規(guī)律，提前預防，降低事故發(fā)生的概率。

(4)嚴格把控刷架、刷盒、碳刷、恒壓彈簧的安裝質(zhì)量，這也是提高滑環(huán)裝置運行可靠性的有效措施。