800 MW水輪發電機滑環系統優化改造及運行分析

陳 鋒，李汶珈

(向家壩水力發電廠，四川宜賓644612)

800 MW水輪發電機滑環系統優化改造及運行分析

陳 鋒，李汶珈

(向家壩水力發電廠，四川宜賓644612)

滑環系統過熱故障可能導致轉子接地、極間短路、發電機失磁等故障，危及機組和電網的安全穩定運行。從滑環系統的載流密度、接觸電阻、散熱能力、布置形式、環境因素等方面，綜合分析了滑環系統產生過熱的原因，并提出了具體改造方案，并運用于實踐。

大型水輪發電機；滑環系統；過熱故障；優化改造；向家壩電廠

0 引 言

向家壩水電站安裝有8臺800 MW水輪發電機組，單機容量為世界之最?；h系統集電環環面采用阿基米德螺旋線槽結構，棱邊倒圓角45°，碳刷按單元組設計，三只一組垂直布置，每極碳刷呈半圓布置。集電環、碳刷及其組件置于密閉罩內。密閉裝置和碳粉吸收裝置共同構成碳粉收集系統。

該型式滑環系統投運以來，一直存在碳刷溫度過高、碳刷接觸面打火、碳刷載流嚴重不均衡等問題。運行中，枯水期負極碳刷平均溫度在100～120 ℃，豐水期負極碳刷溫度在150～170 ℃，個別故障碳刷溫度達到240 ℃以上。特別是在機組遲相熱穩定試驗中，當有功800 MW，無功升至288 MV·A時，正負極碳刷平均溫度超過200 ℃，最高溫度346 ℃，被迫停止試驗。日常運行中，集電環面溫度90～110 ℃?；h系統長期高溫運行，加速極間及對地的絕緣件老化，導致轉子接地、極間短路、發電機失磁及跳機等高危故障，嚴重影響機組和電網的安全穩定運行。

1 原因分析

1.1 碳刷載流密度過大

向家壩水電廠生產的E468碳刷允許載流密度為5.5～11 A/cm2，設計載流密度為9.6 A/cm2，經核算實際載流密度為13.7 A/cm2(見式1)。究其原因，集電環表面為右螺旋齒槽結構，該設計值未扣除碳刷與集電環之間非有效接觸面積。實際運行中，受集電環高速旋轉、大軸擺動、碳刷非垂直接觸及集電環面螺旋線槽阻礙等因素影響，集電環面與碳刷接觸為動態非連續接觸，碳刷實際載流密度大于13.7 A/cm2，超出碳刷允許載流密度限值。這是導致碳刷溫度高的主要原因。

(1)

式中，n為每組碳刷個數；N為碳刷組數；A為碳刷接觸面長度；B為碳刷接觸面寬度；λ為碳刷跨越槽部數；L為槽部寬度。

1.2 碳粉吸收裝置的影響

碳粉吸收裝置具有吸收碳粉和排氣冷卻功能。原密閉罩安裝時受滑環室空間限制，多處有開孔，同時風機功率較小(800 m3/h)，抽氣時密閉罩內不能形成有效負壓，冷、熱空氣交換不充分，這是導致碳刷溫度高的又一重要原因。

1.3 碳刷布置形式的影響

碳刷單元組內并聯(上、中、下)、單元組之間也采用并聯布置(見圖1)，構成雙重并聯網絡，運行中碳刷與集電環為動態接觸，每一個瞬間各分支接觸電流都在變化。碳刷的實際載流值超過允許值，單元組內碳刷并聯回路上一旦出現分支電流不平衡，則會形成惡性循環，一個碳刷首先打火，而后整個單元的碳刷打火。集電環為右螺旋齒槽結構，該結構與傳統集電環相比會增加碳刷的磨耗，碳粉堆積在中、下兩只碳刷表面，導致碳刷卡澀、過熱。

圖1 滑環系統結構

1.4 氧化膜分布的影響

氧化膜的形成對環境溫度、濕度以及空氣中雜質等有一定要求。碳刷接觸面溫度超過90 ℃、空氣中碳粉等雜質含量過高、火花電腐蝕等因素會導致氧化膜無法形成或者被破壞，無法起到潤滑作用。一方面缺少氧化膜的碳刷與集電環之間滑動干摩擦，產生的熱量導致溫度繼續升高破壞氧化膜，形成惡性循環，另一方面氧化膜具有一定電阻，受到破壞后碳刷接觸面的接觸電阻降低，分支電流增大，兩個因素累積導致碳刷溫度高。

2 改造方案

通過對向家壩水電廠滑環系統歷年故障數據分析，結合對各大電廠調研成果，確定滑環系統技術優化的總體思路：降低過流部件的發熱量，提高冷卻裝置的散熱能力，同時提高滑環系統運行環境的潔凈度，實現滑環系統全年免維護、綠色運行。

2.1 降低滑環系統的發熱量

2.1.1 載流密度優化

發熱量與電流的平方成比例關系，現有滑環系統碳刷有效載流密度大于13.6 A/cm2，根據三峽集團投運的58臺700 MW及以上水輪發電機組滑環系統運行數據分析，碳刷最佳載流密度為7～8 A/cm2。因此，增加碳刷數量，降低碳刷載流密度，將有效載流密度由13.6 A/cm2降低至7～8 A/cm2范圍，可以降低滑環系統發熱量。

2.1.2 碳刷布置形式優化

碳刷布置方式由單元組半圓布置改為單只整圓布置如圖2所示，降低碳粉堆積引起碳刷卡澀發熱。相鄰碳刷高、中、低呈波浪型交錯布置。該布置方式可以降低碳刷與集電環滑動摩擦帶來的溫升，還可以削弱摩擦在集電環面形成凹槽，保護集電環面。

圖2 優化改造后碳刷布置

2.1.3 電流通路優化

現有滑環系統勵磁電流經導電板單向流入刷架后進入碳刷分支，由于各并聯碳刷分支接入的導電板和刷架長度不同，影響碳刷分支電阻的均衡。優化后取消導電板和刷架，勵磁電流沿導電環左右兩個方向直接流入碳刷，并增加導電環截面積，降低導電環自身電阻對各并聯分支碳刷載流能力的影響。

2.2 提高滑環系統散熱能力

滑環系統的散熱分為自然散熱和強迫散熱，兩種散熱方式即協同又排斥。一方面，兩者都能降低滑環系統溫升，另一方面，為提高散熱效果，自然散熱要求冷熱氣流充分接觸，強迫散熱要求冷熱氣流充分隔離。綜合考慮各種影響因素，本次優化改造中，碳刷接觸面和集電環以強迫散熱為主，碳刷非接觸面、導電環及滑環系統其他組件以自然散熱為主。

2.2.1 密閉罩優化

滑環系統密閉罩內外熱交換速率快慢取決于其內部負壓的大小，要求進氣總口徑和內部封閉空間要小，排氣口徑及排氣功率要大。密閉罩上下邊沿與集電環面的間隙為主要進氣口，間隙距離由原來的20 mm改為5 mm，密閉罩立面與集電環面距離由250 mm改為20 mm，密閉罩立面高度由480 mm改為440 mm。經計算，優化后的密閉罩進氣口截面積為0.065 9 m2；內部空間有效體積0.058 m3，排氣口截面積0.023 6 m2，如圖3所示。

圖3 優化改造后的密閉裝置

2.2.2 風路優化

為降低風阻，排氣口與密閉罩連接采用三通管，主管與碳粉吸收裝置相連，分管與密閉罩連接采用斜喇叭口方式。主管直徑為100 mm，兩根分管與密閉罩連接，最大直徑200 mm；主管與風機連接軟管安裝時選擇最短路徑，盡可能避免拐彎，如圖4所示。

圖4 優化改造后的三通管抽風口

2.2.3 碳粉吸收裝置優化

碳粉吸收裝置具備碳粉吸收和強迫散熱功能。通過有限元計算滑環系統單位時間發熱量，并結合密閉罩結構，布置3臺單機功率為1 500 W、風量1 200 m3/h的碳粉吸收裝置，機組滿負荷運行時，密閉罩內空氣溫度維持在30～40 ℃，有利于滑環系統各部件與罩內空氣熱交換，滿足機組穩定運行要求。

2.3 提高清潔碳粉能力

滑環系統位于上導油槽上方，滑動摩擦產生的碳粉與粉塵、油霧等結合形成粘性極強的雜質，吸附在碳刷、集電環面以及絕緣件表面，若不及時清除，會導致碳刷卡澀，導致碳刷打火、局部溫度過高、絕緣降低等故障。

2.3.1 風機優化

碳粉垂直自由下落距離為0.35 m，經過驗證，碳粉自由下落時間為1.2 s，3臺風機按照最優布置方式，水平抽氣距離為0.7 m。將風機單機風量800 m3/h提高到1 200 m3/h，數量由2臺增加至3臺，能夠及時的將密閉罩內的碳粉吸出。

2.3.2 碳粉收集優化

原有的濾袋收集碳粉時，由于靜電的原因，碳粉附著在濾袋表面，造成風路堵塞，削弱除塵效果。新設計的濾筒式碳粉收集裝置的濾網采用折疊扇葉結構，濾網通風小孔數量大幅增加，有利于降低風阻。同時，可對濾筒定期拆卸進行沖洗，提高使用效率。

3 運行分析

3.1 優化改造后初期運行情況

7號機滑環系統優化改造后，于2015年4月2日下午開機試驗，試驗過程中滑環系統無異響，各部件振動小，碳刷與環面接觸良好，碳刷在刷盒內彈跳規律且彈跳幅值小，碳刷無明顯擺動，密閉系統內空氣流速足以將碳粉及時吸出。7號機機組滿負荷運行一個星期后，連續3次測量每個碳刷接觸面溫度，單個碳刷3次測溫數據的加權平均值作為縱坐標，每極的51只碳刷為橫坐標，溫度曲線如圖5所示。

圖5 7F滑環系統優化改造后碳刷接觸面溫度

(1)碳刷溫度曲線中(枯水期)，最高溫度為71 ℃，最低溫度為55 ℃，正極碳刷平均溫度59 ℃、負極碳刷平均溫度65 ℃，102個碳刷溫度均滿足要求，平均溫度較改造前降低60 ℃左右。

(2)正負極集電環面溫度分別為54 ℃和59 ℃，較改造前降低45 ℃左右。

(3)新碳刷采用人工靜態研磨后與集電環面適配，受限于人工研磨的精度水平，運行一星期后碳刷與環面的有效接觸面積差異較大，導致各碳刷的溫度差異較大，后期各碳刷溫差將逐步縮小。

(4)改造后，滑環室環境溫度、環境濕度、環境潔凈度，以及碳刷接觸面溫度等條件有利于碳刷接觸面氧化膜的建立。

3.2 滑環系統優化改造前后溫度比較

7號機滑環系統運行一個月后，碳刷與集電環面達到100%貼合，碳刷接觸面氧化膜均勻，碳刷溫度趨于動態穩定。以8號機滑環系統(未優化改造)作為參照機組，在勵磁電流和環境溫度相近的條件下，連續一個星期測量 7號機和8號機碳刷溫度，碳刷日平均溫度曲線如圖6所示。圖中滑環室環境溫度、碳刷溫度參考左軸縱坐標，勵磁電流參考右縱坐標。根據曲線可以得出以下結論：

(1)7號機正極碳刷平均溫度比8F正極碳刷平均溫度低40～50 ℃，7號機負極碳刷平均溫度比8號機負極碳刷平均溫度低50 ～60 ℃，優化改造后碳刷溫度大幅度降低。

(2)當勵磁電流升高時(5月7日～5月9日)，7F碳刷溫升速率低于8號機碳刷溫升速率，表明優化改造后，滑環系統應對大勵磁電流和頻繁負荷調整的能力更強，可靠性得到提高。

圖6 7F與8F滑環系統碳刷溫度比較

3.3 與國內同型式滑環系統比較

(1)滑環系統各部件溫度指標大幅度領先國內同型式機組，達到了國際先進水平，特別是對負極碳刷接觸面溫度表現優異。

(2)機組負荷調整、頻繁開停機、環境溫度變化等不利因素對滑環系統溫升影響較小，對溫升的冗余度更大，滑環系統的可靠性更高。

(3)濾筒式碳粉收集裝置在國內屬于首次使用，徹底解決了碳粉污染給滑環系統安全運行帶來的一系列問題，滑環系統內、外部環境更清潔，實現了環境友好、綠色運行。

(4)技術優化后的滑環系統，布局合理、結構緊湊、美觀大方、便于維護，實現了設備可靠性和人性化的完美結合。

(5)技術優化后投入運行至今，已運行一年多時間，滑環系統沒有發生過局部過熱、碳刷打火、碳刷卡澀、單只碳刷寬幅脈沖電流大幅度波動等頻發故障，實現了滑環系統全年免維護運行。

[1]GB50170—92 電氣裝置安裝工程旋轉電機施工及驗收規范[S].

[2]余維坤. 大型水輪發電機機組滑環裝置安全運行與分析[J]. 水力發電， 2014， 40(10)： 26-28.

[3]李廣. 大型水輪發電機集電環裝置環面損蝕探究[J]. 中國電力， 2014(8)： 116-118．

[4]楊大貴. 水輪發電機集電環系統改造[J]. 電力系統裝備， 2010(10)： 72-74．

(責任編輯 高 瑜)

Optimizing Modification and Operation Analysis of Slip Ring System of 800MW Hydro-generator

CHEN Feng, LI Wenjia

(Xiangjiaba Hydropower Plant, Yibin 644612, Sichuan, China)

The overheating fault of slip ring system of generator may cause rotor grounding, short circuit between positive and negative poles, magnetic loss of generator and other failures, and then endanger the safe and stable operations of hydro-generators and power grid. From the aspects of current density, contact resistance, heat-sinking capability and arrangement form of slip ring system, and environmental factors, the causes of slip ring system overheating are comprehensively analyzed, and the modification program is also proposed. The modification program has been successfully applied in practice．

large hydro-generator; slip ring system; overheating fault; optimizing modification; Xiangjiaba Hydropower Plant

2016-05-31

陳鋒(1981—)，男，四川廣安人，工程師，長期從事水電站電氣一次設備管理工作．

TM312

A

0559-9342(2016)11-0084-04