猴子巖水輪發(fā)電機(jī)組碳刷溫度異常分析及處理

陳 偉 林， 秦 知 了， 鐘 斌

(國電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

1 概 述

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是大渡河干流水電規(guī)劃調(diào)整推薦22級開發(fā)方案的第9個梯級電站，上游為丹巴水電站，下游為長河壩水電站。猴子巖水電站總裝機(jī)容量1 700 MW(425 MW×4)。

該站4號機(jī)組自2017年1月投運(yùn)以來，碳刷溫度水平良好，2018年7月1日，運(yùn)行人員在對機(jī)組例行巡回檢查過程中發(fā)現(xiàn)部分碳刷溫度驟升，部分達(dá)到了110 ℃。2018年7月2日，檢修人員利用紅外成像儀對該機(jī)組所有碳刷溫度進(jìn)行了測試，溫度記錄見表1。

2 問題分析

2.1 技術(shù)數(shù)據(jù)及參數(shù)

型號TYPE：SF425-48/13500

額定功率P:425 MW

額定容量S：472.22 MW

額定電壓Ug：18 kV

額定電流Ig：15 146.5 A

額定勵磁電壓Ufn：371 V

額定勵磁電流Ifn：2 980 A

空載勵磁電壓Ufo：146 V

空載勵磁電流Ifo：1 666 A

2.2 現(xiàn)象分析

一般情況機(jī)組碳刷溫度升高有以下5個方面的原因：

(1)碳刷質(zhì)量不高，滿足不了通過電流的要求；

(2)碳刷安裝工藝不佳，致使運(yùn)行過程中碳刷與滑環(huán)接觸不好，接觸面溫度升高，碳刷和集電環(huán)溫度均有升高[1]；

(3)集電環(huán)表面不平整，同時造成碳刷接觸面研磨不平整，接觸不好使溫度升高；

(4)無碳粉收集裝置，或者碳粉收集裝置效果差，研磨下來的碳粉附著，致使接觸面清潔度低使溫度升高；

(5)集電環(huán)、碳刷運(yùn)行環(huán)境中油霧嚴(yán)重，油霧與碳粉形成油污使接觸不好造成溫度升高，通常還會伴隨碳刷打火現(xiàn)象[2]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

從2018年7月2日的數(shù)據(jù)看，當(dāng)時機(jī)組負(fù)荷404W M，2 231 A，接近滿負(fù)荷，勵磁電流較高，通過碳刷溫度對比反應(yīng)了2個突出現(xiàn)象：

(1)碳刷溫度區(qū)間較大，碳刷最低溫度53 ℃，最高溫度119.4 ℃；

(2)處于集電環(huán)下環(huán)的碳刷溫度整體較上環(huán)的碳刷溫度高，下環(huán)碳刷溫度平均值為82.56 ℃，上環(huán)碳刷溫度平均值為61.44 ℃，平均值的的差值在21.22 ℃。

鑒于此，將多次測試的數(shù)據(jù)對比分析，依舊呈以上現(xiàn)象，同時也發(fā)現(xiàn)溫度差值隨著負(fù)荷的增加愈加明顯，在勵磁電流達(dá)到1 800 A后出現(xiàn)碳刷溫度超過100 ℃的情況，因而判定溫度變化呈現(xiàn)以上的規(guī)律性。

2.4 原因排除

從現(xiàn)象分析中，結(jié)合現(xiàn)場情況，能夠初步排除2.2第(4)、(5)兩點，該機(jī)組上導(dǎo)密封良好，運(yùn)行過程中不存在油霧，碳粉收集裝置運(yùn)行情況良好，碳粉堆積現(xiàn)象較弱，并沒有形成油污。

表1 4號機(jī)組碳刷溫記錄(2018年7月2日)

與該站其他機(jī)組相同負(fù)荷下對比，也基本能夠排除碳刷質(zhì)量問題，因為其他機(jī)組同樣在高負(fù)荷下運(yùn)行時未出現(xiàn)碳刷溫度驟升的情況。

結(jié)合數(shù)據(jù)分析，不難看出，溫度較高的碳刷主要出現(xiàn)在下環(huán)，且下環(huán)碳刷溫度整體較上環(huán)碳刷溫度高，問題集中在下環(huán)，下環(huán)碳刷安裝問題、集電環(huán)問題的可能性極大，這給處理問題提供了一些理論依據(jù)。

3 問題處理

3.1 初步判斷

根據(jù)以上情況，檢修人員建議適當(dāng)降低該機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行，以確保碳刷不持續(xù)保持在高溫水平，保障設(shè)備安全運(yùn)行，擇機(jī)對機(jī)組停運(yùn)檢查處理。

2018年7月7日，該站申請了4號機(jī)組停止運(yùn)行，檢修人員對所有58只碳刷全部拆卸，逐一對比檢查發(fā)現(xiàn)，1～29號碳刷(上環(huán))碳刷接觸面光滑平整，30～58號(下環(huán))碳刷局部有橫向溝槽(如圖2)，現(xiàn)象進(jìn)一步指向問題主要集中在下環(huán)。

進(jìn)一步對上下集電環(huán)進(jìn)行了檢查，對比發(fā)現(xiàn)，上集電環(huán)光滑平整，氧化膜色澤光亮，下集電環(huán)表面粗糙，色澤暗淡，氧化膜已嚴(yán)重破壞甚至局部不存在氧化膜(如圖1)。

通過逐一對比檢查，發(fā)現(xiàn)集電環(huán)下環(huán)接觸面存在局部高點，運(yùn)行過程中，集電環(huán)轉(zhuǎn)動，高點碳刷劃過形成溝槽，碳刷接觸面不平整，不平整的碳刷與集電環(huán)接觸不良好，機(jī)組負(fù)荷上升，勵磁電流增加，接觸面發(fā)熱明顯，碳刷溫度驟升。

圖1 表面不平整的集電環(huán)

圖2 接觸面有溝槽的碳刷

3.2 處理過程

隨后分兩個方面做了處理：

(1)將溝槽嚴(yán)重的碳刷用細(xì)砂紙進(jìn)行了打磨處理，確保接觸面光滑平整，更換了磨損嚴(yán)重的的碳刷，消除碳刷帶來的影響；

(2)機(jī)組保持空載運(yùn)行，轉(zhuǎn)速調(diào)整至額定轉(zhuǎn)速的17%，用天然油石對下集電環(huán)接觸面進(jìn)行打磨，打磨初期，能夠聽見規(guī)律撞擊聲，也進(jìn)一步反應(yīng)出下集電環(huán)接觸面存在局部高點的問題，隨著打磨進(jìn)行，聲音逐漸消失。打磨1 h左右，檢查下集電環(huán)接觸面光滑平整，回裝所有碳刷，集電環(huán)部分整體清潔后機(jī)組投入運(yùn)行。

3.3 處理結(jié)果

根據(jù)處理前的情況，溫度驟升問題主要出現(xiàn)在負(fù)荷時，為了檢驗處理效果，2018年7月11日，將負(fù)荷調(diào)整至420 MW，用紅外成像儀測溫，數(shù)據(jù)如表2。

表2 4號機(jī)組碳刷溫記錄(2018年7月11日)

從2018年7月11日的數(shù)據(jù)看，前期測得溫度較高的碳刷溫度下降明顯，溫度驟升問題基本得到了解決，而且上環(huán)與下環(huán)碳刷整體溫度差異不大，之后多次在機(jī)組近于滿負(fù)荷時該機(jī)組碳刷溫度進(jìn)行測試，也未見溫度驟升情況，隨著機(jī)組運(yùn)行，集電環(huán)對碳刷進(jìn)一步研磨，接觸面日趨平整光滑，形成色澤光亮的氧化膜，整體溫度保持在良好范圍，上環(huán)、下環(huán)碳刷溫度差異逐漸減小，問題得到了根本解決。

4 建 議

碳刷溫度驟升，對碳刷及集電環(huán)的破環(huán)明顯，特別是對接觸面的氧化膜破壞，而氧化膜對接觸面的保護(hù)極為重要，氧化膜的存在也是接觸面良好的一個重要標(biāo)志，氧化膜破壞后，持續(xù)大電流情況下溫度會進(jìn)一步上升，溫度、接觸面、氧化膜三者之間關(guān)系密切，相輔相成，溫度升高得不到有效控制，會造成嚴(yán)重后果，如碳刷打火、滑環(huán)燒毀、轉(zhuǎn)子接地、機(jī)組非停等情況，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，特提出以下建議：

(1)一旦發(fā)現(xiàn)碳刷溫度驟升情況應(yīng)立即采取相應(yīng)措施，降低機(jī)組負(fù)荷并實時監(jiān)控，若溫度持續(xù)不降或者過高，應(yīng)立即停止機(jī)組運(yùn)行，避免造成事故。

(2)綜合分析判斷，從機(jī)組負(fù)荷、勵磁電流大小，結(jié)合溫度趨勢進(jìn)行初步判斷，充分分析外部環(huán)境，排除外部干擾，進(jìn)一步分析設(shè)備本身問題，從而鎖定故障原因，分析處理問題要先易后難，充分考慮問題處理的風(fēng)險性和經(jīng)濟(jì)性。

(3)建立設(shè)備數(shù)據(jù)系統(tǒng)，將每次測溫數(shù)據(jù)以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)記錄在同一套系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)取資料對比分析，利用大數(shù)據(jù)，快速判斷[3]。

(4)開闊思路，充分利用智慧檢修理論成果體系，應(yīng)用新手段監(jiān)測溫度，利用紅外成像儀等外部設(shè)備實時性差，可以考慮在碳刷本體或者碳刷周圍建立實時溫度監(jiān)測系統(tǒng)以確保隨時監(jiān)控到碳刷溫度[4]。

5 結(jié) 論

通過處理前后設(shè)備運(yùn)行情況對比分析，該發(fā)電機(jī)組碳刷溫度異常問題已得到有效解決，充分證實了集電環(huán)及碳刷之間的相輔相成的關(guān)系，集電環(huán)異常會引起碳刷異常，碳刷異常會引起集電環(huán)異常，造成局部碳刷溫度異常，破壞集電環(huán)表面氧化膜，使運(yùn)行環(huán)境進(jìn)一步惡化，碳刷溫度異常更加明顯。

要從根本解決碳刷溫度異常問題，應(yīng)從3個方面出發(fā)。一是提升集電環(huán)加工精度，目前從技術(shù)上提高精度并不困難，主要在工藝流程實施的過程中要嚴(yán)格把關(guān)。二是改進(jìn)碳刷材料，在滿足導(dǎo)電要求的前提下，試驗研究新材料的碳刷硬度及耐磨程度。三是收集各類機(jī)組運(yùn)行中碳刷溫度情況及相應(yīng)的碳刷壓緊力，找到合適的刷握恒力卷簧力度，讓碳刷與集電環(huán)之間的壓力始終保持在最佳值。