淺談紫坪鋪水電廠3號發電機集電環嚴重電化腐蝕處理及預防策略

馬躍利，馮延紅

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

淺談紫坪鋪水電廠3號發電機集電環嚴重電化腐蝕處理及預防策略

馬躍利，馮延紅

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

紫坪鋪水力發電廠對3號機組集電環嚴重電化腐蝕采取處理措施后，投入運行監測發現各碳刷電流分布均勻，碳刷、集電環運行未出現溫度偏高及碳刷打火現象。在技術不斷發展的推動下，狀態檢修管理、機網和諧等方面的需求，對設備的可靠性和自動化程度提出了更高的要求。為此，需要掌握產生事故的可能性、嚴重性以及誘發因素等具有共性的客觀規律；熟知設備的情況，抓住具有個性的特點，多角度、多層次分析，采取必要的、可操作的、有效的措施，提高設備可靠性和自動化程度，確保設備安全穩定運行。

水輪發電機；集電環；電化腐蝕；處理及預防

集電環機械磨損、電化腐蝕、碳刷冒火花、溫度升高是運行中常見的現象，由此引發的碳刷及刷握燒毀，集電環損傷、機組定轉子絕緣下降乃至發電機被迫停運的事件屢見不鮮。如何有效控制集電環、碳刷等設備異常和安全運行風險，需要深入分析原因，制定有效的措施及可行的預防策略。

1 概述

四川省紫坪鋪水力發電廠位于岷江上游，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、發電等多目標開發的水資源工程。該工程庫容11．12億m3，具有不完全年調節能力，電站裝有4臺立式混流水輪發電機組(SF190－40/10800)，單機容量190 MW，總裝機容量760 MW，設計多年平均發電量為34．17億kWh，通過一回500 kV線路接入主網，具有調峰、調頻和事故備用等重要作用。2005年10月底，首批機組(3、4號機組)同時投產，電站按照無人值班、少人值守設計，具備五遙(遙調、遙信、遙控、遙測、遙視)和AGC(自動發電控制)、AVC(自動電壓控制)等功能。

發電機組勵磁方式為可控硅全控整流橋自并勵靜止勵磁，機組額定勵磁電壓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號機組碳刷型號為NG16(上海摩根新材料)。其他機組采用SCHUNK—E468型碳刷，額定運行時，碳刷電密為8．4 A/cm2。采用的碳刷額定電流為8～11 A/ cm2，短時最大允許電流為12 A/cm2。

2 運行背景

(1)截止2013年8月20日，3號機組累計發電量57．61億kWh，利用小時數30 323．9 h，運行小時數42 688．7 h，C級檢修13次，B級檢修2次。

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

(3)水輪發電機組均按照210 MW設計制造，銘牌單機容量為190 MW，實際運行均在190 MW及以下運行。

(4)電站位于成都負荷中心，水頭變化幅度大(上游水位高程817m至877 m區間運行，不完全年調節水庫)。受供水影響，機組運行工況復雜，負荷調節較頻繁，2006年8月AGC投入運行，2013年7月31日開始AVC功能投入運行。

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

(6)2013年3月3號機C修前，1至4號發電機組均采用SCHUNK—E468型碳刷，運行中碳刷磨損消耗較快，負極滑環表面粗糙，滑環維護工作量較大。通過漫灣電站使用NG16與E468型碳刷的對比資料并咨詢主設備廠家以及設計單位，基于現場E468碳刷磨損消耗較快，滑環室碳粉粉塵堆積影響設備運行，建議更換使用NG16碳刷。2013年3月3號機C修中進行了更換。

3 故障現象

2013年8月20日5時25分，監控系統上微機報出“3號機組強勵動作、復歸”信息，此時，3號機組機端電壓為13．7 kV，勵磁電壓為245 V，勵磁電流為605 A，無其他報警信息。中控值班人員通過工業電視系統看到3號機滑環室有間斷弧光，現場巡回人員發現3號機組集電環罩內有弧光及拉弧聲響，立即執行停機。停機前，3號機有功出力為148 MW，無功出力進相為35 MVar。停機檢查發現集電環室內有刷握銅熔渣，負極8組刷握邊緣燒熔或變形，刷握內碳刷大部分發卡，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；負極碳刷粉化明顯，負極碳刷對應的集電環(以下簡稱負極集電環)嚴重電腐蝕，集電環架及絕緣塊均有灼傷痕跡，正極碳刷對應集電環(以下簡稱正極集電環)及碳刷基本完好。

圖1 3號機組集電環發生環火后接觸面灼傷，負極接觸面嚴重電化腐蝕

4 原因分析

3號機組投運近8年時間，負極集電環表面在機械摩擦、電氣腐蝕以及運行工況、油霧、碳刷、刷握、彈簧等多方面因素的綜合作用下，導致其表面粗糙并出現條痕。在運行過程中引起集電環表面與碳刷接觸不良并逐漸惡化，直至碳刷與集電環表面發生放電拉弧現象，最終導致負極集電環嚴重電腐蝕、碳刷及刷握燒損的后果。

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

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

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

(2)機組集電環的磨損情況與“陽極蒸發、陰極粉化”機理相吻合(在電弧作用下，正極(陽極)表面局部灼熱而蒸發出“金屬蒸汽”使陽極表面損蝕，也稱之為“陽極蒸發”；負極(陰極)受正離子撞擊和高溫作用發射電子，使陰極表面也遭受破壞，被稱之為“陰極粉化”。當電流由碳刷流向集電環時，碳刷作為正極其表面在高溫作用下發生微小程度的“陽極蒸發”，碳粒石墨離子遷移到集電環表面，使其形成亮滑的鏡面，機械磨損較??；當電流由集電環流向碳刷時，集電環作為正極，其表面因“陽極蒸發”而電蝕嚴重，金屬粒子粘附在碳刷接觸面上，集電環極面嚴重磨損而出現條痕，機械磨損進一步增大)。正極集電環表面比較光潔，具有亮滑的石墨鏡面，碳刷的端面也很光滑，而負極集電環表面呈現多道溝痕，深約1 mm，碳刷接觸面同樣存在條痕，碳刷消耗較快，其他因素也對滑環及碳刷的運行形成一定的影響。

①工況因素。運行工況復雜，紫坪鋪水庫為不完全年調節，機組水頭變幅大約為60 m，電站處在成都負荷中心，特別是AGC、AVC功能投入運行時，有無功調節頻繁。小負荷、振動區運行工況較多，加大了碳刷、集電環的機械磨損。

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

③碳刷因素。紫坪鋪電站機組設計制造留有一定余量，在實際運行中，碳刷電密較小，運行溫度較低，可能不利于氧化膜的形成。運行中每個碳刷的電流、溫度沒有得到有效監視和控制。各種工況下碳刷電密是否在額定范圍、運行溫度是否有利于氧化膜的形成缺乏量化數據的支撐，也是增加集電環、碳刷磨損與腐蝕的可能原因。

④刷握因素。刷握結構、刷孔加工工藝、扇熱性能、高溫變形、刷孔內局部高點和毛刺等情況容易使碳刷發卡，將影響碳刷的自由竄動。

⑤彈簧因素。恒壓彈簧長時間運行，彈性疲勞老化，可能會造成每個碳刷的壓力不均勻。壓力過小，碳刷與集電環接觸面不穩定，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表面的摩擦、機械磨損增加。

⑥位置因素。紫坪埔電站機組為立式混流機組，集電環水平安裝，上環為集電環正極，下環為集電環負極，運行中上環集電環及碳刷磨損的粉塵和顆粒沉積到下環，加大了下環的磨損和電腐蝕程度。

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

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

②電氣腐蝕。因碳刷卡澀、間斷與集電環接觸引起或碳刷的電流過大引起碳刷打火，導致碳刷結構松化，受氧化腐蝕而脫落；勵磁系統過負荷，彈簧壓力不夠，碳刷與集電環接觸面較小等導致碳刷溫度高、電氣磨損加劇。

③機械磨損、電氣腐蝕。碳刷在刷握內有卡澀現象，碳刷表面附著金屬或硬質顆粒，運行中將發生機械磨損、電氣腐蝕而損壞碳刷。

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

碳刷自身電阻發熱功率:W1=I2R碳刷接觸壓降發熱功率:W2=I△E磨擦發熱功率: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為碳刷與滑環的相對運動速度。

由表1可見，紫坪鋪水力發電廠機組長時間小負荷運行工況勵磁電流較小，滑環和碳刷運行溫度偏低，大部分時間在60℃以下運行(技術標準要求在60℃ ～90℃范圍運行為佳)，不利于集電環氧化膜的形成，加劇了碳刷的磨損(表1)。

表1 3號機組勵磁系統測溫記錄

5 處理措施

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

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

(3)對集電環進行耐壓試驗和絕緣測試，5 000 V耐壓1 min，正極集電環絕緣電阻為500 MΩ，負極集電環絕緣電阻為400 MΩ，數據合格。

(4)更換全部碳刷、刷握、恒壓彈簧，用白布蘸酒精擦拭集電環、支架。

(5)碳刷安裝時修磨刷握內表面，使之光滑平整，檢查并調整碳刷與集電環接觸良好，碳刷在刷握內無卡阻。

(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)轉子引線接引后徹底清掃滑環室，對轉子絕緣進行整體絕緣測試，1 000 V搖表測試絕緣電阻為646 MΩ，數據合格(標準≮0．5 MΩ)。

6 預防策略

6．1 技術層面

(1)嚴格碳刷安裝工藝。禁止同時使用不同廠家、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，導致個別碳刷電流超限，加速磨損，也會使其它的碳刷運行更加惡劣；對每個碳刷及刷握進行檢查，保證碳刷裝入刷握內能夠自由移動，各方向均不能有卡死現象。碳刷與刷握內壁的間隙在0．1～0．3 mm之間，以避免碳刷和刷握之中因間隙過大產生擺動；調整恒壓彈簧，保證每個碳刷的壓力基本一致(160－200 g/cm2)；檢查碳刷與集電環接觸情況，保證碳刷與集電環為垂直接觸或逆向傾斜2．5°。

(2)發電機運行時勵磁電流低于額定值時，可根據實際情況在保證碳刷電密在允許范圍內，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)根據集電環表面的磨損腐蝕情況可定期或不定期倒換極性，避免負極集電環表面磨損、腐蝕的惡化。

(4)運行中集電環表面如果出現劃痕，應及時采取措施對集電環表面進行精加工、打磨、拋光。檢修中需要對集電環及刷架部件絕緣(C級檢修)和交流耐壓(B級及以上檢修)進行隱患排查治理。

(5)當碳刷磨損至1/3碳刷長度時需要更換碳刷，新碳刷需要進行預安裝，過松過緊均不允許；運維中還需注意刷握松動情況，避免碳刷出現卡阻，導致接觸電阻增大而過熱；對于恒壓彈簧疲勞、壓力減小，使碳刷接觸不穩定，易出現打火、拉弧時需要及時更換。

6．2 管理層面

(1)完善維護管理、檢修管理、日常巡檢等方面的管理制度。

(2)注重技術培訓，提高從業人員業務技能。

(3)加強監視、監測、檢查，及時消除隱患和缺陷。

(4)優化運行方式，盡可能避開振動區運行。

(5)在產品采購環節嚴控碳刷、刷握、彈簧質量；選擇具有良好集流性能、硬度適中、損耗小、能在集電環表面能較快形成一層均勻、適度和穩定氧化膜、使用壽命長的碳刷。

(6)制定應急處置預案。

(7)注重運行數據的收集整理分析，掌握設備安全運行規律，為維護、檢修提供決策依據。

6．3 運行環境

(1)可安裝碳粉收集裝置，隨時清理磨損掉的碳粉，改善運行環境。

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

(3)還可在集電環室內設計安裝上導油槽吸排油霧裝置，減少油霧附著在碳刷集電環工作面及刷握內。

7 結語

紫坪鋪水力發電廠對3號機組集電環嚴重電化腐蝕采取處理措施后，投入運行監測發現各碳刷電流分布均勻，碳刷、集電環運行未出現溫度偏高及碳刷打火現象。在技術不斷發展的推動下，狀態檢修管理、機網和諧等方面的需求，對設備的可靠性和自動化程度提出了更高的要求。為此，需要掌握產生事故的可能性、嚴重性以及誘發因素等具有共性的客觀規律；熟知設備的情況，抓住具有個性的特點，多角度、多層次分析，采取必要的、可操作的、有效的措施，提高設備可靠性和自動化程度，確保設備安全穩定運行。

TV7;TM312

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1001-2184(2015)05-0144-04

馬躍利(1970-)，男，山東莒縣人，畢業于東北水利水電?？菩ｋ娏こ虒I，廠長，高級工程師，現于四川省紫坪鋪水力發電廠從事生產管理；

(責任編輯:卓政昌)

2015-09-23

馮延紅(1970-)，女，青海西寧人，結業于東北水利水電專科學校電力工程專業，助理工程師，現于四川省紫坪鋪開發公司水庫調度中心從事水庫調度．