大梁子水電站水輪發電機碳刷火花缺陷的處理

摘 要：大梁子水電站（以下簡稱電站）設有兩臺裝機容量16MW的立式混流水輪發電機組（以下簡稱：機組），機組為轉速750r/min，其水輪發電機（以下簡稱：發電機）集電環的外徑800mm，集電環外沿的線速度31.4m/s，在同類型的機組中其轉速和集電環外沿線速度均屬較高，發電機在運行過程中集電環與碳刷之間極易產生較大火花，給發電機組的安全穩定運行帶來一定的安全隱患。

關鍵詞：碳刷;火花;安全隱患

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.143

1 安全隱患

電站自2006年投運以來，發電機的碳刷火花一直是重點監視、巡查的對象。發電機碳刷火花過大或碳刷本體溫度較高時（最高溫度達到110℃），將對集電環表面造成不同程度的灼傷。當碳刷火花過大無法控制時，需停機處理，以確保維護人員的人身安全和集電環不被燒毀。發電機上導內部因高轉速而產生大量油霧，與碳刷磨損產生的碳粉，混合附著在刷柱、集電環、轉子等設備表面上，不僅降低了轉子的繞組絕緣，還污染周邊設備的衛生，增加了運維人員的工作量。同時由于維護周期頻繁，致使汛期期間產生不必要的棄水損失，電站安全生產受到了極大的影響。

2 歷史數據調查

電站對2009年至2017年電站發電機碳刷火花處理次數、碳刷架和集電環清理、碳刷及碳刷彈簧更換進行了調查與統計，詳見表1，表2。

通過表1、表2的數據調查統計可以看出，2009年每月電站運維人員對碳刷火花的處理最高達36次（處理方法為使用白布擦拭集電環碳粉、更換碳刷彈簧、碳刷和停機配合清理碳刷架、集電環、刷柱等），且每月更換碳刷彈簧、碳刷和碳刷架及集電環清理的次數也超過電站的要求。經2011年、2015年、2017年幾次技改后，對碳刷火花的處理頻率明顯減少，可以和電站要求的設備定期維護同步開展。

3 原因分析

根據歷史數據調查統計及多年來處理發電機碳刷火花的經驗積累，從碳刷選型、機組振動情況、碳刷與集電環的接觸面積、碳刷壓力分布、發電機上導產生油霧的影響、集電環表面粗糙、磨損失圓等方面分析，最終確定以下要因。

3.1 碳刷選型

目前市場針對發電機使用的主流產品分為：金屬石墨類、天然石墨類、電化石墨類。

金屬石墨類：主要材料是電解銅和石墨，電阻系數和電刷壓降較小，耐磨性能較其他類碳刷稍差，導電率高于其他類碳刷，磨損后碳粉量小。

天然石墨類：主要原材料是天然石墨，粘接劑采用瀝青或樹脂，電阻系數和電刷壓降較大，比較耐磨，有良好的潤滑性能和集流性能，磨損后碳粉量過大且造價高。

電化石墨類：主要材料是炭黑、焦炭和石墨等各種碳素粉末材料組成，電阻系數和電刷壓降較大，比較耐磨，有良好的潤滑性能，磨損后碳粉量過大。

3.2 碳刷與集電環的接觸面積

根據發電機說明書規定，碳刷與集電環的接觸面積不小于80%。當碳刷與集電環接觸面積很小時，不能正常分擔勵磁電流，而通過其他碳刷電流密度必將增大（碳刷發熱量與電流的平方成正比Q=I?Rt），產生火花，致使溫度急劇上升，此情況在機組滿負荷且碳刷接觸面磨偏不規則時更為嚴重，逐步惡化形成環火。

3.3 碳刷壓力分布

根據發電機說明書規定，碳刷不發生火花的最小壓力為15–20 kPa，且各碳刷壓力應均勻。引起碳刷壓力分布不均的原因主要有以下幾種：

（1）使用質量較差或是不合格的彈簧;

（2）恒壓彈簧受熱軟化，壓力不足;

（3）個別碳刷磨擦過短，壓力彈簧無法壓緊;

（4）碳刷在刷握內的活動間隙小于規定的0.1—0.2mm，碳刷出現機械卡澀現象。

當碳刷壓力過低時，碳刷與集電環不能良好接觸，容易產生火花。。當碳刷壓力過高時，引起機械磨損致使碳刷的迅速磨損。因此碳刷上的壓力應力求均勻，否則將導致電流的分配不均，引起部分碳刷過熱或產生火花。

3.4 發電機上導產生油霧的影響

發電機運行時各部軸承瓦溫度較高，經透平油進行冷卻，當油冷卻軸承瓦的同時，易汽化而形成油霧。上導內部產生的油霧竄至機罩內，油霧與碳刷碳粉混合，附著碳刷、刷柱及集電環等表面上。這不但影響了碳刷散熱，還容易造成環火。

3.5 集電環表面粗糙、磨損失圓

由于碳刷不同型號、機組振動、碳刷與集電環的接觸面積不符合規定、碳刷壓力分布不均等因素致使集電環表面粗糙度太差。而碳刷火花不僅造成碳刷的磨損，也使得集電環表面產生麻點，集電環表面粗糙度更差，從而加速碳刷和集電環的磨損，長期惡性循環，造成集電環偏心失圓，從而引起碳刷與集電環接觸不穩定，碳刷跳動，部分碳刷過熱或出現火花，甚至會燒毀碳刷、刷架、集電環，造成轉子回路短路接地。

4 對策實施

根據確定的要因，電站進行了以下技改：

（1）電站將原來使用的電化石墨類碳刷更換成金屬石墨類碳刷。電化石墨類碳刷在使用過程中，雖然具有良好的潤滑性能和集流性能，比較耐磨，但是在碳刷磨損過程中，產生大量碳粉末，粉末極易附著在碳刷、刷柱、集電環、轉子上，不但影響轉子繞組的絕緣強度，而且污染了發電機及周邊設備的衛生。而金屬石墨類碳刷導電率高，磨損后碳粉量小，保障了碳刷、集電環、轉子及附屬設備的清潔性。

（2）碳刷投入使用前，使用“800目”精細砂紙對碳刷表面手動打磨至平整、光滑，加大了碳刷與集電環的接觸面積，均衡分配各個碳刷的勵磁電流。

（3）碳刷彈簧投入使用前，篩選質量較好且恒壓的。同一批生產的碳刷彈簧相互間均存在差異，根據碳刷彈簧的外徑、長度、垂直度及表面有無加工的毛邊選擇壓力較為均衡的碳刷彈簧。在運行中，碳刷彈簧長期受熱會軟化，定期進行更換并時時監測碳刷彈簧的強度，達不到要求的及時更換，使碳刷壓力分布均勻。

（4）根據發電機上導產生的油霧排放位置進行分析，通常油霧由軸承中心位置排出，極易與碳刷磨損的碳粉混合，附著在碳刷、刷柱、集電環轉子及附屬設備上。電站根據這一特點，在上機罩兩側增設呼吸器（油霧排放口），在軸承中心位置增設油霧擋板，使上機罩內大部分油霧通過兩側呼吸器排出，減小軸承中心位置油霧的排放量。

（5）根據電站設備定期維護要求，在每月的設備定期維護時（汛期根據實際情況開展），清掃碳刷、集電環、刷柱，檢查刷握、更換較短的碳刷（運行時同一極碳刷一次更換不允許超過兩塊），檢查集電環表面的磨損情況，在所有檢查均正常的情況下，碳刷火花情況仍然沒有較大改善，需要對集電環厚度、偏心度進行檢測。

5 效果檢查

2017年1月份電站歲修后完成了針對發電機碳刷火花缺陷的所有技改。技改后監測了7月-12月的數據，詳見表3、表4。

6 制定鞏固措施

（1）將發電機碳刷火花作為重點監察、監測對象，做好相關記錄，并加強機動性巡查。

（2）制定發電機碳刷火花處理方法、發電機碳刷維護標準，并納入電站運行規程、檢修規程的修訂中。

7 結束語

有刷勵磁作為勵磁系統的重要環節之一，其運行時的穩定性直接影響機組運行時勵磁響應速度、磁場的產生。經幾次技改后，有效的控制了碳刷火花這一缺陷，為電站的安全穩定運行及“無人值班，少人值守”奠定了堅實的基礎。

參考文獻：

[1]劉云.水輪發電及故障處理與檢修[M].北京：中國水利水電出版社，2002（2007重印）.

[2]IEC 60773 測定電刷運行特性的試驗方法和設備[S].

作者簡介：楊巍（1986-），男，遼寧北票人，本科，助理工程師，研究方向：水電站動力設備與管理。