單文建
(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司,湖北 宜昌 443002)
在大型發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,由于勵(lì)磁碳刷維護(hù)具有維護(hù)工作量大、易發(fā)生故障、故障后果嚴(yán)重的特征,如何結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)針對(duì)勵(lì)磁碳刷溫度過(guò)高的問(wèn)題提出可行的分析解決方案,具有重要意義[1-3]。其中,文獻(xiàn)[4]針對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)碳刷過(guò)熱起火事故進(jìn)行了原因分析,提出了處理方案。文獻(xiàn)[5]則針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)滑環(huán)碳刷打火、過(guò)熱問(wèn)題進(jìn)行了探討。本文針對(duì)某發(fā)電廠水輪機(jī)投運(yùn)初期碳刷溫度過(guò)高與打火缺陷問(wèn)題進(jìn)行了分析討論,并給出了處理意見(jiàn)。
研究背景:某電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用靜止可控硅自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng),勵(lì)磁電流由發(fā)電機(jī)出口母線經(jīng)勵(lì)磁變壓器進(jìn)入勵(lì)磁盤盤柜,再由勵(lì)磁盤柜將電流輸送至刷架(導(dǎo)電環(huán)),刷架通過(guò)靜止碳刷與轉(zhuǎn)動(dòng)的集電環(huán)面摩擦接觸,將勵(lì)磁電流送入轉(zhuǎn)子繞組。電站投運(yùn)初期機(jī)組發(fā)生碳刷溫度過(guò)高與打火缺陷,嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
為實(shí)現(xiàn)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行,規(guī)避勵(lì)磁碳刷溫度過(guò)高及打火帶來(lái)的巨大維護(hù)成本與故障后果,本文對(duì)大型水輪機(jī)碳刷溫度過(guò)高及打火原因進(jìn)行了缺陷描述與分析并提出了實(shí)際可行的處理方法。
某電站自首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)以來(lái),共發(fā)生34臺(tái)次碳刷溫度過(guò)高或打火缺陷,局部溫度最高達(dá)到250℃,具體統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。
表1 某電站碳刷溫度偏高及打火缺陷統(tǒng)計(jì)表
對(duì)出現(xiàn)碳刷溫度過(guò)高、打火缺陷的機(jī)組進(jìn)行全面檢查,發(fā)現(xiàn)主要是滑環(huán)碳粉堆積多、集電環(huán)面有缺陷、碳刷與集電環(huán)接觸電阻偏大等多方面原因所致。其中,1號(hào)機(jī)組碳刷溫度過(guò)高與打火缺陷的頻次最高,檢查發(fā)現(xiàn)其主要是因?yàn)榛h(huán)表面存在缺陷,有很多連續(xù)、成片的凹坑,使碳刷與滑環(huán)面接觸不好,導(dǎo)致接觸電阻增大,而且與其他機(jī)組相比這些連續(xù)、成片的凹坑導(dǎo)致碳刷與滑環(huán)面的接觸面積變小,也使得碳刷與滑環(huán)面的接觸電阻增大,這樣各個(gè)碳刷回路的電阻也相應(yīng)增大,由Q=I2×R×t可知,機(jī)組帶滿負(fù)荷時(shí)勵(lì)磁電流I基本上是一個(gè)定值(I與機(jī)組所帶無(wú)功的多少也有關(guān),所帶無(wú)功多,機(jī)組視在功率大,I也大),當(dāng)各個(gè)碳刷回路的電阻增大后,機(jī)組碳刷回路的總電阻R也增大,導(dǎo)致機(jī)組碳刷回路的發(fā)熱量Q增大,使整臺(tái)機(jī)的碳刷溫度普遍升高。而且由于滑環(huán)面缺陷,很多碳刷運(yùn)行時(shí)與滑環(huán)面的接觸電阻很不穩(wěn)定,可能有部分碳刷由于與滑環(huán)面的接觸電阻較大,流過(guò)的電流較小,導(dǎo)致其他碳刷要分擔(dān)更大的電流,當(dāng)個(gè)別碳刷回路電阻很小時(shí),流過(guò)的電流就會(huì)很大,就有可能使該碳刷溫度過(guò)高。
7、8、9號(hào)等3臺(tái)同類型機(jī)組普遍出現(xiàn)過(guò)熱、打火現(xiàn)象,檢查分析除了滑環(huán)表面臟污、碳刷在刷握內(nèi)有輕微卡阻、彈簧壓力不正常等因素外,另外一個(gè)原因是其集電環(huán)電流接入方式設(shè)計(jì)不合理,勵(lì)磁電纜集中布置,僅通過(guò)2根銅排與集電環(huán)相連接(見(jiàn)圖1),運(yùn)行時(shí)集電環(huán)上的電流在整個(gè)圓周上的分布不均勻,易造成碳刷上通過(guò)的電流相差較大,使碳刷溫度過(guò)高。
其余機(jī)組碳刷過(guò)熱、打火缺陷主要原因是碳粉堆積較多、滑環(huán)表面臟污、碳刷在刷握內(nèi)有輕微卡阻、彈簧壓力不正常等多種因素所致。
圖1 7、8、9號(hào)機(jī)組銅排與集電環(huán)相連接圖
水輪發(fā)電機(jī)出現(xiàn)碳刷溫度過(guò)高、打火等缺陷時(shí),優(yōu)先處理措施是:檢查故障碳刷(如果是碳刷溫度過(guò)高,還要檢查非故障碳刷在刷握中活動(dòng)是否靈活,彈簧壓力是否過(guò)小等導(dǎo)致碳刷中流過(guò)電流較小)在刷握中活動(dòng)是否靈活,彈簧壓力是否正常以及是否有別的異常情況(比如滑環(huán)面有缺陷、碳粉吸收裝置過(guò)濾元件臟污嚴(yán)重影響碳粉吸收等),如果碳刷卡塞, 打磨碳刷各側(cè)面壓痕,保證碳刷刷體與刷握內(nèi)壁有0.1~0.2 mm的間隙(間隙也不能太大,否則碳刷在刷握中容易跳動(dòng)),防止刷體受熱膨脹卡阻;如果彈簧壓力不正常, 更換新彈簧。如果都沒(méi)有問(wèn)題,就將臨近的碳刷裝置取下,把120目剛玉砂紙沿長(zhǎng)度方向剪成比碳刷稍寬的長(zhǎng)條狀,用砂紙包住碳刷,利用木夾將砂紙與碳刷的刷辮夾住(固定砂紙并防止砂紙被旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)卷走),將碳刷裝置回裝,通過(guò)碳刷彈簧對(duì)碳刷的壓力,使砂紙對(duì)旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)面打磨15~20 min,把滑環(huán)面上的臟污清除掉,通常能將缺陷消除,并能保持一段時(shí)間(見(jiàn)圖2),用紅外熱成像儀檢查溫度正常后或者不打火后,將砂紙取下,回裝碳刷裝置。
采用上述砂紙打磨的辦法可以消除缺陷,但是過(guò)一段時(shí)間又會(huì)出現(xiàn),不能根本消除缺陷。
利用機(jī)組停機(jī)狀態(tài),電廠維護(hù)人員針對(duì)發(fā)現(xiàn)的異常問(wèn)題,采取了系列措施,逐一進(jìn)行解決,具體處理方式如下。
1)針對(duì)集電環(huán)表面的凹坑,判斷是由于制造缺陷引起,需對(duì)集電環(huán)表面進(jìn)行車削處理,因加工量大,加工要求精度高,生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不具備集電環(huán)表面車削的條件,將集電環(huán)拆除后,運(yùn)往生產(chǎn)廠家對(duì)集電環(huán)面進(jìn)行加工,加工在保證集電環(huán)圓度與同軸度的同時(shí),保證環(huán)面粗糙度達(dá)到R2.5的標(biāo)準(zhǔn)要求。
圖2 用砂紙對(duì)滑環(huán)進(jìn)行打磨圖
2)針對(duì)刷握座與刷架接觸電阻偏大現(xiàn)象,對(duì)所有刷握座接觸電阻進(jìn)行普查,對(duì)接觸電阻有偏大現(xiàn)象的均進(jìn)行處理,對(duì)其余的刷握座緊固螺栓均進(jìn)行緊固檢查處理。
3)針對(duì)集電環(huán)表面及刷架表面碳粉堆積較多,引起碳刷與集電環(huán)接觸電阻增大現(xiàn)象,判定是由于安裝的碳粉吸收裝置沒(méi)有起到應(yīng)有的作用所引起,在機(jī)組進(jìn)行檢修過(guò)程中,對(duì)碳粉吸收裝置進(jìn)行優(yōu)化(見(jiàn)圖3將HXS-03A型碳粉吸收裝置改為HXS-04C型)。主要優(yōu)化措施包括:將原碳粉吸收裝置的濾袋和振打電機(jī)結(jié)構(gòu)改造為濾筒結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4),清掃、維護(hù)更加方便;增大碳粉吸收裝置電機(jī)的功率,使碳粉吸收裝置的風(fēng)量增大,從而為集電環(huán)裝置帶來(lái)更多的冷卻空氣,以降低集電環(huán)裝置的溫度;在刷握座與碳粉吸收裝置密封罩合縫位置增加密封圈,形成一個(gè)更加封閉的碳粉吸收空間,以增強(qiáng)碳粉吸收裝置的吸收能力;將碳粉吸收裝置單吸口方式改為上、下環(huán)同時(shí)吸氣方式,使碳粉吸收裝置吸收碳粉的能力更強(qiáng)。
圖3 HXS-04C型碳粉吸收裝置圖
圖4 HXS-04C型碳粉吸收裝置濾筒圖
4)為了進(jìn)一步的降低集電環(huán)裝置的溫度,將機(jī)組原來(lái)設(shè)計(jì)安裝的備用碳刷改為了運(yùn)行碳刷(將不通電流的絕緣塑料刷握座更換為金屬刷握座),從而進(jìn)一步降低流過(guò)每個(gè)碳刷的電流。
經(jīng)過(guò)上述措施處理后,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的跟蹤運(yùn)行,集電環(huán)裝置運(yùn)行穩(wěn)定,碳刷打火與溫度偏高現(xiàn)象再也沒(méi)有出現(xiàn),并且集電環(huán)裝置表面碳粉堆積現(xiàn)象明顯改觀,碳粉堆積現(xiàn)象基本消失。
碳刷溫度過(guò)高、打火是大型水輪發(fā)電機(jī)常發(fā)性缺陷,高于機(jī)組其他部件發(fā)生缺陷的次數(shù)和頻率,嚴(yán)重影響安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)碳刷溫度過(guò)高、打火缺陷時(shí),用砂紙對(duì)滑環(huán)進(jìn)行打磨是最常用也是最有效的辦法,但要徹底解決問(wèn)題,還需要根據(jù)具體原因分別進(jìn)行優(yōu)化處理,其中進(jìn)行必要的設(shè)備升級(jí)也是消除設(shè)備缺陷的一個(gè)很好的思路,比如碳粉吸收裝置換型改造,既減少了清掃滑環(huán)的工作量,又起到了防止機(jī)組碳刷溫度過(guò)高或者打火的作用,對(duì)大型水電站運(yùn)行維護(hù)具有很好的借鑒意義。