330MW汽輪發(fā)電機(jī)高速集電環(huán)電刷過熱原因分析與處理

吳 昊

（廣州恒運(yùn)熱電（D）廠有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510730）

某電廠使用東方汽輪機(jī)機(jī)組，額定負(fù)荷330MW，水氫氫方式冷卻，設(shè)計(jì)采用機(jī)端變-靜止可控硅自并勵(lì)勵(lì)磁方式。額定參數(shù)如表1所示。

表1 勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)一覽表

本公司采購(gòu)的碳刷型號(hào)是NCC634，其尺寸為25*38.1*102，額定電流密度為10A/cm2，肖式硬度為20，摩擦系數(shù)為0.29，接觸壓降為2.50V。

1 集電環(huán)作用和原理

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流經(jīng)由靜止的碳刷通過旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)正級(jí)流入轉(zhuǎn)子繞組，再由集電環(huán)負(fù)極平均分成32份通過32個(gè)負(fù)極碳刷導(dǎo)入勵(lì)磁整流負(fù)極，形成閉合回路。勵(lì)磁電流流向順序?yàn)椋簞?lì)磁間直流正極→32個(gè)靜止碳刷正極→集電環(huán)正極→轉(zhuǎn)子繞組正極→轉(zhuǎn)子繞組負(fù)極→集電環(huán)負(fù)極→32個(gè)靜止碳刷負(fù)極→勵(lì)磁間直流負(fù)極。其中集電環(huán)又稱為滑環(huán)，隨轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動(dòng)，它的作用是收集勵(lì)磁中的直流電并導(dǎo)入轉(zhuǎn)子繞組中，為定子繞組創(chuàng)造高速旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)電磁場(chǎng)。

集電環(huán)密封罩均勻分布有通風(fēng)孔，通風(fēng)孔與表面呈30°傾角，如圖1所示。在冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)過程中，可以在滑環(huán)表面形成負(fù)壓，對(duì)碳刷進(jìn)行冷卻，并吸走摩擦產(chǎn)生的碳粉，防止滑環(huán)集粉，冒火。碳刷安裝在刷架上，通過恒壓彈簧的壓迫，碳刷可以與集電環(huán)有效的接觸。如圖2所示。

圖1 集電環(huán)冷卻風(fēng)扇

圖2 碳刷

2 碳刷過熱的影響因素

根據(jù)熱平衡原理可知，碳刷的發(fā)熱因素有碳刷電流產(chǎn)生的電熱效應(yīng)以及機(jī)械摩擦產(chǎn)生的機(jī)械熱；同時(shí)碳刷也存在散熱效應(yīng)，主要為自然散熱方式和冷卻風(fēng)散熱方式。

式中，P——總的發(fā)熱功率；Pi——電流熱功率；Pj——機(jī)械產(chǎn)生的熱功率；Ps——散熱功率。

2.1 碳刷的載流大小直接影響到碳刷的熱效應(yīng)

根據(jù)焦耳定律，每個(gè)碳刷的發(fā)熱功率Pi與通過碳刷的電流以及碳刷的內(nèi)阻有關(guān)。

式中，I——流經(jīng)碳刷的電流；R——碳刷的內(nèi)阻。

由公式可知，碳刷的電熱功率與流過碳刷的電流平方成正比關(guān)系。

其中：α為載流密度；A為碳刷與滑環(huán)接觸面面積。

可以看出，在載流密度為定值的情況下，發(fā)熱功率與碳刷和滑環(huán)的接觸面積的平方成正比關(guān)系。在理論運(yùn)行過程中，每個(gè)碳刷與滑環(huán)都有效接觸，則每個(gè)碳刷被均勻地分配了相等的電流，它們溫升也是相等的，便不會(huì)出現(xiàn)某個(gè)碳刷溫度異常升高的現(xiàn)象。而在實(shí)際運(yùn)行中，每個(gè)碳刷與滑環(huán)的接觸面都不相等，則所分配到的電流也不相同，而且有的相差很大，那么它們的溫升也就不會(huì)相等。

2.2 集電環(huán)散熱能力的影響

集電環(huán)散熱方式分為自然散熱和強(qiáng)迫散熱，自然散熱則表現(xiàn)為刷架、支架等與周圍空氣的自然換熱。強(qiáng)迫散熱則通過強(qiáng)制通風(fēng)表現(xiàn)：集電環(huán)支架均勻分布有通風(fēng)孔，通風(fēng)孔與表面呈30°傾角，在調(diào)整旋轉(zhuǎn)過程中，可以在滑環(huán)表面形成負(fù)壓，對(duì)碳刷進(jìn)行通風(fēng)冷卻。當(dāng)通風(fēng)所帶走的熱量與碳刷的發(fā)熱量相等的時(shí)候，便形成了一個(gè)熱平衡，此時(shí)碳刷溫度將會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)溫升范圍內(nèi)。負(fù)荷低的時(shí)候，因?yàn)樘妓⒌陌l(fā)熱量較小，溫升也會(huì)相應(yīng)的減??；而在負(fù)荷高的情況下，碳刷的發(fā)熱量會(huì)大幅提高，那么在通風(fēng)冷卻能力沒有提高的情況下，溫升則會(huì)平衡在一個(gè)比較高的范圍。在長(zhǎng)期運(yùn)行中，通風(fēng)孔的工作環(huán)境為溫度高、粉塵濃度高的集電環(huán)室。因?yàn)榉蹓m的黏附力與濃度、空氣溫度、空氣濕度成正比關(guān)系，與流速成反比關(guān)系。而在運(yùn)行過程中，通風(fēng)孔會(huì)被粉塵附著，導(dǎo)致通風(fēng)能力下將，流過通風(fēng)孔的壓力差降低，也會(huì)加重粉塵的黏附情況，導(dǎo)致惡性循環(huán)。

2.3 機(jī)械發(fā)熱的影響

在碳刷的發(fā)熱中電阻發(fā)熱與電流有關(guān)，而機(jī)械發(fā)熱則與摩擦、跳動(dòng)、擺動(dòng)等機(jī)械因素有關(guān)。碳刷的肖式硬度比集電環(huán)的合金肖式硬度小很多，幾乎不對(duì)集電環(huán)造成磨損。但是集電環(huán)上偶爾附著的粉塵顆?？赡軐?duì)集電環(huán)造成一定的磨損，而且對(duì)碳刷的磨損更大，所以一部分的機(jī)械發(fā)熱是由于接觸面的磨損造成的。碳刷的跳動(dòng)和擺動(dòng)會(huì)使碳刷與集電環(huán)的接觸情況惡化，可能會(huì)出現(xiàn)接觸面不整潔，邊緣不整齊，甚至于崩角的現(xiàn)象，會(huì)更加惡化碳刷的工作環(huán)境，使機(jī)械發(fā)熱和電流熱效應(yīng)加大，從而帶來碳刷過熱隱患。

2.4 氧化膜的影響

在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，集電環(huán)與碳刷的摩擦也會(huì)使接觸面形成氧化膜，可以減小摩擦系數(shù)，降低摩擦帶來的熱量。然而當(dāng)碳刷溫度過高超過90℃時(shí)，會(huì)影響氧化膜的形成，甚至使接觸面沒法形成氧化膜，這種情況下碳刷的摩擦系數(shù)會(huì)增大，從而使碳刷的摩擦發(fā)熱量增大。同時(shí)氧化膜具有一定的電阻，被破壞后接觸面電阻降低，導(dǎo)致碳刷分流大，熱效應(yīng)大，溫度更高，從而導(dǎo)致惡性循環(huán)。

3 碳刷過熱的處理措施

3.1 防止碳刷載流不均勻

在運(yùn)行過程中，應(yīng)對(duì)碳刷的溫度嚴(yán)密監(jiān)控，定期巡查并用紅外溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)全部碳刷的溫度把控，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)個(gè)別碳刷過熱的情況，如表2所示。從表2可以看出12C碳刷的溫度最高，其溫度達(dá)到120℃。取下12號(hào)碳刷，發(fā)現(xiàn)接觸面（如圖3所示），碳刷與集電環(huán)的接觸面不均勻，并出現(xiàn)有邊緣不齊、崩角現(xiàn)象。檢驗(yàn)得出刷架彈簧壓力正常，但碳刷四周表面有很明顯的摩擦痕跡，可知碳刷的上下滑動(dòng)受到阻礙，動(dòng)作不靈活，所以碳刷與集電環(huán)的接觸不良好，導(dǎo)致摩擦不均勻，摩擦力增大，有硬性碰撞，機(jī)械發(fā)熱增大。所以對(duì)12號(hào)碳刷用砂紙進(jìn)行細(xì)磨：對(duì)接觸面契合集電環(huán)的弧面打磨；對(duì)四周進(jìn)行表面打磨；對(duì)棱角進(jìn)行圓滑打磨，保證碳刷和刷架的間隙為1~2mm。表面吹灰再次安裝后，溫度下降到67℃。

圖3 12號(hào)碳刷磨損情況實(shí)物圖

表2 240MW負(fù)荷每個(gè)碳刷的溫度匯總表

3.2 保證新舊碳刷型號(hào)的一致性

新舊碳刷型號(hào)的一致性可以保證每個(gè)碳刷的載流密度和尺寸相同，根據(jù)公式，通過碳刷的電流也相同均勻。則電流的熱效應(yīng)平均。不同批次的碳刷也會(huì)存在導(dǎo)電性能和物理結(jié)構(gòu)不同而導(dǎo)致載流能力和耐磨能力不同。近期新更換的碳刷在運(yùn)行過程中出現(xiàn)過熱現(xiàn)象較多，磨損，崩角的情況頻繁出現(xiàn)，針對(duì)這種情況，我們更換了同型號(hào)碳刷，溫度也得到一定的降低。

3.3 對(duì)載流能力低的碳刷進(jìn)行更換，減小“油霧”影響

在分析每個(gè)碳刷的溫度時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一些碳刷的溫升不正常的小。而這些碳刷具有以下特征：a.這些碳刷都很長(zhǎng)時(shí)間沒有更換過；b.這些碳刷的長(zhǎng)度都不長(zhǎng)，小于1/4。這些碳刷在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，集電環(huán)負(fù)極與發(fā)電機(jī)軸承距離小，而發(fā)電機(jī)軸承處潤(rùn)滑油以“油霧”的形式微量外漏；集電環(huán)冷卻風(fēng)扇引起的負(fù)壓效應(yīng)，會(huì)使這些“油霧”吸附到集電環(huán)負(fù)極表面，導(dǎo)致接觸面鏡面，從而大大降低其載流能力，分配到的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于平均電流，以致于電流熱效應(yīng)降低，所以溫升不正常的小。鏡面也大大降低與接觸面的摩擦，所以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常的磨損，故長(zhǎng)度長(zhǎng)時(shí)間不縮短。但這些碳刷的載流降低，大大增加了其他碳刷的載流，導(dǎo)致其他碳刷的電流熱效應(yīng)增大。針對(duì)這些情況，我們對(duì)溫升較低的2A碳刷進(jìn)行更換，2A碳刷也上升到了正常值，同時(shí)其他碳刷的溫升也有了一定的下降。

3.4 改善冷卻風(fēng)通風(fēng)環(huán)境

冷卻通風(fēng)風(fēng)量的大小直接影響了碳刷的散熱效率，通風(fēng)口積灰堵塞，造成通風(fēng)口的通流面積減小，根據(jù)公式

其中v是流速，A是通風(fēng)口截面積。

風(fēng)量越大，攜帶粉塵的能力越大，冷卻和清灰的能力就越大。所以保證通風(fēng)口的清潔也可以降低碳刷的溫升。于是對(duì)通風(fēng)口用壓縮空氣進(jìn)行清灰處理，減小了冷卻風(fēng)的流通阻力，同時(shí)增大了冷卻風(fēng)的有效通流面積。提高了碳刷散熱效率。

4 成效檢查

根據(jù)理論分析并結(jié)合該廠實(shí)際運(yùn)行情況，實(shí)施以下臨時(shí)措施：（1）對(duì)彈簧壓力過低的刷架進(jìn)行更換，提高碳刷與滑環(huán)表面貼合的可靠性。（2）對(duì)崩角的碳刷進(jìn)行更換，對(duì)摩擦面不均勻的碳刷進(jìn)行矯正性的打磨，增大碳刷與滑環(huán)表面的接觸面積。（3）對(duì)冷卻通風(fēng)孔、滑環(huán)表面以及碳刷進(jìn)行清灰，使散熱效率大大提升。（4）全面性地對(duì)每個(gè)碳刷進(jìn)行紅外線測(cè)溫，對(duì)溫升不正常低的碳刷進(jìn)行接觸面打磨，減小碳刷表面油膜影響。在進(jìn)行了全面的施策之后，再次對(duì)#2、#5、#11、#12碳刷進(jìn)行溫度測(cè)量，如表3所示?？梢钥闯觯拜d流能力低，溫升不正常小的2A、11B、11C、11D碳刷，溫度明顯上升至平均水平，而之前過熱的12B和12C碳刷溫度也降至正常。

表3 施策前后碳刷溫度對(duì)比情況

5 碳刷過熱的預(yù)防措施

通過理論分析與實(shí)際情況，現(xiàn)可提出以下幾點(diǎn)預(yù)防措施：（1）針對(duì)實(shí)際情況，集控增配直流鉗表，用于對(duì)碳刷分流情況的測(cè)量和掌握，主動(dòng)預(yù)防分流不均現(xiàn)象的出現(xiàn)，及時(shí)采取相關(guān)措施。（2）建立碳刷臺(tái)賬制度，對(duì)碳刷更換日期和頻次進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)因無明顯缺陷而長(zhǎng)期未換碳刷現(xiàn)象的發(fā)生。（3）碳刷更換的長(zhǎng)度為1/3，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行，防止長(zhǎng)度過短導(dǎo)致彈簧壓迫力不足引起的電熱效應(yīng)和機(jī)械熱效應(yīng)。

6 結(jié)論

集電環(huán)和碳刷過熱制約機(jī)組的帶負(fù)荷能力，給電廠帶來經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重的將危及機(jī)組的安全運(yùn)行和電網(wǎng)的穩(wěn)定。通過以上對(duì)集電環(huán)和碳刷過熱的原因分析和應(yīng)對(duì)措施，可以幫助運(yùn)行人員更高效地找出問題原因和采取有效措施。