大型抽水蓄能發電機碳粉問題分析

劉 宇，張興旺

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

大型抽水蓄能發電機碳粉問題分析

劉 宇，張興旺

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

介紹了國內某大型抽水蓄能發電機實際運行過程中，出現的碳粉多，四處飛逸的情況，從各部件的結構特點到運行的電氣特性進行了全面分析，并給出了具體的解決辦法，成功解決了問題。

集電環；刷架；彈簧；電刷；吸塵裝置

0 引言

國內某大型抽水蓄能電站2010年12月第一臺機組投入運行，2011年12月全部機組投產發電，機組運行初期，多次發生軸絕緣電阻低而報警停機事故。停機檢查時發現集電環表面、頂軸軸領處附著較多的碳粉及油霧的混合物，磁極表面及定子通風溝也附著較多的碳粉。根據此情況，廠家組織技術人員對各部件的結構進行了詳細的排查，最終解決了這個問題。

1 問題分析

發電機普遍采用靜止勵磁系統，通過勵磁電纜、電刷、集電環及轉子引線將勵磁電流傳遞至磁極線圈，在水輪機拖動下，磁極線圈產生旋轉磁場，旋轉磁場切割定子線棒產生電流；其中集電環是旋轉部件，電刷靜止部件，如配合不好，可導致碳粉較多或打火等問題，如圖1所示。現就該電站碳粉嚴重問題可能存在的原因進行分析。

圖1 集電環表面碳粉

1.1 集電環：表面粗糙度越小，摩擦系數越小，電刷磨損率越低，磨損就越小，該電站集電環表面粗糙度為Ra1.6，粗糙度偏大；另外由于該機組集電環外圓表面圓周速度約23m/s，速度較高，表面設計了螺旋溝槽，但螺旋溝槽倒0.4mmX45°直角，倒角偏小且直角邊緣鋒利，加速了電刷的磨損。

1.2 刷架：由于刷架上固定刷握孔加工偏差，使電刷中心線并非完全垂直于集電環切面，有一定的傾斜角度，傾斜角度勢必造成電刷接觸不良；同時刷架剛度若不足，在運行過程中有輕微震動，刷架的震動會影響到電刷在刷握里面的震動，也會加劇電刷的磨損。

1.3 彈簧：電刷與集電環的接觸靠彈簧壓力決定的，彈簧壓力過大，會使電刷的機械磨損增大；彈簧壓力過小，雖然電刷與集電環間摩擦力小了，但電刷與集電環接觸不良，電氣磨損將增大且容易產生火花，電刷磨損與彈簧壓力關系見圖2，可見需選擇合適的彈簧壓力。

圖2 電刷磨損和彈簧壓力的關系

1.4 刷握：電刷裝入刷握內要保證能夠自由移動，電刷與刷握內壁間隙在0.1～0.3mm之間，以避免電刷和刷握之間因間隙過大而產生擺動，如間隙過小，機組運行中電刷發熱膨脹會卡死在刷握中。

1.5 電刷：電刷的主要物理參數有電阻率、抗折強度、硬度、密度，通常抗折強度、硬度越大，電刷越耐磨。

1.6 電流極性：當電流由電刷流向集電環時，此時電刷為正極，集電環為負極，電刷面上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，電刷有電氣磨損。集電環表面有輕微的陰極粉化，并附著碳粒、石墨、成潤滑、光澤的鏡面。由于集電環表面平滑，機械磨損較小，當電流由集電環流向電刷時，此時電刷為負極，集電環為正極，電刷面上發生陰極粉化，電氣磨損小。集電環表面發生陽極蒸發。大量金屬蒸發，使其表面損蝕嚴重，表面變得粗糙，使電刷磨損增大，如圖3所示。

圖3 電流極性與電刷極性的關系

1.7 周圍環境：在空氣中氧氣、水分及環境溫度適宜的情況下，會在集電環表面形成一層金屬氧化物-氧化亞銅。氧化亞銅使電刷與集電環的接觸電阻增加，減小了電刷與集電環接觸電流的變化。同時，電刷與集電環摩擦產生的微粒及石墨薄膜層，具有潤滑作用，可減少電刷與集電環的摩擦。

1.8 吸塵裝置：吸塵裝置由吸塵器、吸塵罩、管路組成。其中吸塵器的風量、風壓是十分重要的參數，選擇合適的風量和風壓，可以達到最佳的吸塵效果；另外吸塵罩和管路也應具有一定的密封效果，減小粉塵逸出。

2 解決措施

經過現場對以上可能發生的原因逐一進行核對，提出了如下的改進措施。

2.1 重新拋光集電環表面，提高表面粗糙度至Ra0.8，同時加大螺旋溝槽的倒角并去除尖角毛刺。

2.2 更換性能參數更適合抽水蓄能機組正反轉工況的電刷，同時選用與其配套的恒壓彈簧及刷握。

2.3 集電環外圓表面圓周速度偏高，具有一定的離心風扇作用，雖然設計有刷擋，但吸塵裝置產生的負壓及流量無法與集電環的離心風扇作用相抗衡，導致部分碳粉飛逸到周圍環境中。因此在每個刷握處增加一個吸塵罩，使碳粉盡量落在一個封閉的環境，利于吸塵器吸走。

2.4 根據碳粉吸塵裝置結構，建立包括連接軟管、環形粉塵通道等風阻元件的計算網絡，重新選定合適風壓、風量的大功率吸塵器。

2.5 改善滑環室內通風散熱條件，使滑環室內各部件產生熱量及時散發出去。

2.6 加強定期檢修，主要包括：集電環和電刷運行是否平穩，有無異常噪聲，是否有污物堆積，集電環摩擦面是否有不正常的磨痕等。

3 結語

隨著發電機勵磁電流的增大和集電環旋轉線速度的增加，電刷粉塵污染和電刷磨損現象日益增多，針對國內某抽水蓄能發電機出現的碳粉四處飛逸的問題，本文進行了非常全面分析，并且制定了解決辦法，實際應用之后，成功的解決了碳粉四處飛逸的情況，排除了安全隱患，對機組的安全運行提供了可靠保障。由此可見，本文提出的分析方法亦可對其他電站類似情況的分析和處理提供幫助。

[1] 白延年.水輪發電機設計與計算.北京：機械工業出版社.1982.

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[3] 丁洪波.水輪機接力器壓緊行程試驗與調整.防爆電機，2014.3.

Analysis on Carbon Dust Problem for Large Pumped-Storage Generator

LiuYuandZhangXingwang

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

This paper introduces excessive and scattered carbon dust problems occurred in actual operation of a domestic large pumped-storage generator-motor, comprehensively analyzes all parts from structure characteristics to electrical characteristics, and gives the specific solutions to successfully solve this problem.

Slip ring；brush rocker；spring；electric brush；dust collection device

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.09

TM307+.1

B

1008-7281(2017)02-0028-002

劉宇 男 1982年生；畢業于合肥工業大學電氣工程及其自動化專業，現從事水輪發電機設計工作.

2016-10-18