發(fā)電機(jī)改造集電環(huán)極性倒換裝置

王攀登 楊濤

摘要：介紹了發(fā)電機(jī)組集電環(huán)磁極長期未倒換產(chǎn)生不均勻磨損，以及不均勻磨損的危害及其原因，通過在集電環(huán)前安裝一套極性倒換裝置通過定期倒換磁極，解決了碳刷集電環(huán)磨損不均勻問題，提高了設(shè)備可靠性，以期為有此類問題同行提供參考。

關(guān)鍵詞：集電環(huán);極性倒換

一、緒論

某水利樞紐工程一座以灌溉和供水為主，兼有發(fā)電、防洪、環(huán)境保護(hù)、旅游等綜合效益的大型水利樞紐工程，電站總庫容11億m3，裝有4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)190MW，由東方電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈電流、電壓是通過滑環(huán)室內(nèi)導(dǎo)電環(huán)、刷握、碳刷、滑環(huán)到轉(zhuǎn)子線圈將旋轉(zhuǎn)的電流、電壓和靜止的電流電壓相連。電廠投運(yùn)以來，4臺(tái)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，碳刷與集電環(huán)摩擦產(chǎn)生大量碳粉，滑環(huán)室為封閉空間，碳粉無法有效排除，集電環(huán)、刷握、勵(lì)磁引線、螺桿等部位碳粉堆集現(xiàn)象十分嚴(yán)重;碳刷的磨損產(chǎn)生粉塵導(dǎo)致轉(zhuǎn)子絕緣下降，不得不經(jīng)常停機(jī)清掃碳粉，從而影響機(jī)組利用小時(shí)數(shù)，和機(jī)組的可靠運(yùn)行，對(duì)電廠免維護(hù)運(yùn)行和安全可靠生產(chǎn)極為不利。

二、不進(jìn)行過勵(lì)磁極性倒換帶來的危害

電廠發(fā)電機(jī)組投運(yùn)以來，因現(xiàn)場線纜長度局限等客觀原因，未進(jìn)行過集電環(huán)極性倒換，多年的運(yùn)行造成碳刷集電環(huán)磨損不均勻，負(fù)極所接觸的集電環(huán)磨損嚴(yán)重，已出現(xiàn)輕微溝痕。給安全運(yùn)行造成了不可預(yù)期的隱患，2013年曾發(fā)生3#機(jī)滑環(huán)與碳刷拉弧導(dǎo)致集電環(huán)和刷握嚴(yán)重?zé)龘p，集電環(huán)返廠處理并更換全部碳刷和刷握，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。事后對(duì)其它三臺(tái)機(jī)的集電環(huán)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)集電環(huán)表面（正、負(fù)極）凹凸不平、有紋道、表面氧化膜已磨損，負(fù)極比正極嚴(yán)重，進(jìn)行了返廠處理。2016年1#、3#、4#機(jī)組碳刷打火現(xiàn)象加劇，多次停機(jī)處理排查故障原因，無較大好轉(zhuǎn)。如果不更換磁極長此以往，可能出現(xiàn)不可預(yù)期的后果，為徹底解決碳刷打火缺陷，防止集電環(huán)短路事故，減少汛期停機(jī)清掃集電環(huán)次數(shù)，對(duì)發(fā)電機(jī)集電環(huán)進(jìn)行相應(yīng)改造。

三、碳刷滑環(huán)磨損不均勻產(chǎn)生的原因

碳刷與滑環(huán)主要磨損，除相對(duì)運(yùn)動(dòng)中摩擦力產(chǎn)生的機(jī)械磨損外，還有電化學(xué)腐蝕。滑環(huán)在運(yùn)行中處于旋轉(zhuǎn)態(tài)，碳刷靜止態(tài)，其中碳刷有大電流正極流入、負(fù)極流出滑環(huán)表面，傳導(dǎo)的部位不斷變化，電流密度大，電弧的高溫作用下，滑環(huán)金屬會(huì)變成金屬蒸汽，碳刷則結(jié)構(gòu)松化，受氧化腐蝕而脫落，產(chǎn)生電氣化學(xué)腐蝕。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滑環(huán)輸入為直流電流，滑環(huán)有正負(fù)之分，即極性不同。經(jīng)長期觀察，滑環(huán)表面磨損情況也不一樣。在電流作用下，正極表面局部灼熱而蒸發(fā)出金屬蒸汽，使陽極表面損蝕，即所謂的陽極蒸發(fā);負(fù)極因受正離子撞擊和高溫作用發(fā)射電子，使陰極表面也遭受破壞，這就是陰極粉化。當(dāng)電流由碳刷流向滑環(huán)時(shí)，此時(shí)碳刷為正極，滑環(huán)為負(fù)極，則結(jié)果是：碳刷面上發(fā)生微小程度的陽極蒸發(fā)，碳粒離子遷移到滑環(huán)表面，碳刷有電氣磨損。當(dāng)電流由滑環(huán)流向碳刷時(shí)，此時(shí)碳刷為負(fù)極，滑環(huán)為正極，則結(jié)果是：碳刷面上發(fā)生陰極粉化，電氣磨損小，機(jī)械磨損大，對(duì)于滑環(huán)，正環(huán)磨損小。

如果定期進(jìn)行極性倒換可以使集電環(huán)的正負(fù)極磨損相對(duì)均勻，能夠延長集電環(huán)的使用壽命，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

四、安裝集電環(huán)極性倒換裝置

將原每臺(tái)機(jī)組風(fēng)洞內(nèi)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁引線連接的轉(zhuǎn)接端子箱、勵(lì)磁電纜拆除;敷設(shè)新電纜，重新裝入極性倒換裝置箱。箱體進(jìn)出線孔按現(xiàn)場實(shí)際位置開孔，更換新電纜按原勵(lì)磁電纜的走向布線和原電纜極性接線。通過定期切換刀閘來倒換勵(lì)磁電纜極性使集電環(huán)正負(fù)極表面磨損均勻，延長集電環(huán)的使用壽命，保證設(shè)備運(yùn)行可靠。

極性倒換裝置刀形隔離器安裝在滅磁開關(guān)FMK的下方分流器之后。這樣滑環(huán)極性倒換后不用倒換測量表計(jì)的極性，使得操作方便、簡潔統(tǒng)一。如圖：

（1）將風(fēng)洞內(nèi)發(fā)電機(jī)原勵(lì)磁電纜和轉(zhuǎn)接端子箱拆除，在原轉(zhuǎn)接端子箱處重新安裝極性倒換裝置箱。按現(xiàn)在極性倒換裝置箱位置敷設(shè)新電纜。箱體固定以原安裝位置鉆孔配螺栓固定。箱內(nèi)布置：箱體內(nèi)下端距箱體底部140mm處安裝進(jìn)線正、負(fù)極匯流銅排各1根，正極匯流銅排接入滅磁開關(guān)正極電源電纜4根;負(fù)極匯流銅排接入滅磁開關(guān)負(fù)極電源電纜4根。箱體內(nèi)上端距箱體頂部140mm安裝出線正、負(fù)極匯流銅排各1根。將勵(lì)磁引線至轉(zhuǎn)子線圈正極電纜線4根接入正極匯流銅排，將勵(lì)磁引線至轉(zhuǎn)子線圈負(fù)極電源電纜線4根接入負(fù)極匯流銅排。正、負(fù)極匯流銅排長度800mm，橫式安裝，正、負(fù)極匯流排間距80mm。用絕緣柱體子SM76支撐用螺栓固定在極性倒換裝置箱底板上。箱內(nèi)配置2把刀形隔離器QS1、QS2，安裝在進(jìn)、出線匯流銅排中央位置，QS1與QS2間距100mm;與上下匯流銅排間距240mm。安裝時(shí)將QS1、QS2刀形隔離器底座與極性倒換裝置的底板相距40mm，用FR-4環(huán)氧絕緣板支撐螺栓固定。QS1上下端部用銅排與匯流銅排配套鉆孔制作成形，用螺栓固定依次與匯流銅排的正、負(fù)極相連接。QS2上端部第1極（進(jìn)線側(cè)負(fù)極）用銅排與匯流銅排正極相連接。第2極（進(jìn)線側(cè)正極）用銅排與匯流銅排負(fù)極相連接。QS2下端第1極用銅排與匯流銅排的負(fù)極相連接，第2極用銅排與匯流銅排的正極相連接。如圖：

（2）極性倒換裝置箱進(jìn)出線開孔處用“U”形密封膠條卡入后穿線。箱體門要嵌入密封膠條;安裝人員在銅排成形鉆孔后進(jìn)行搪錫處理再安裝。安裝時(shí)，銅排連接處應(yīng)涂導(dǎo)電膏，再用螺栓緊固。設(shè)備編號(hào)應(yīng)準(zhǔn)確、清晰。所有工作完成后對(duì)進(jìn)出線開孔處進(jìn)行防火板和防火泥封堵。

（3）操作流程：刀形隔離器QS1投入“合閘”工作狀態(tài)，刀形隔離器QS2應(yīng)在“分閘”狀態(tài);反之倒換QS2投入“合閘”工作狀態(tài)，刀形隔離器QS1應(yīng)在“分閘”狀態(tài)。倒換操作必需停電。

（4）改造施工要求：改造后應(yīng)符合IEC947-3標(biāo)準(zhǔn)的要求;符合GB14048-3標(biāo)準(zhǔn)的要求;符合防護(hù)等級(jí)GB4208-93要求。極性倒換裝置箱安裝固定應(yīng)牢固、平穩(wěn)，倒換刀形隔離器的電壓、電流容量、機(jī)械強(qiáng)度要達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求對(duì)新電纜先進(jìn)行極性校對(duì)和絕緣電阻測試、樹脂絕緣柱子進(jìn)行絕緣電阻測試，刀形隔離器進(jìn)行絕緣和直流電阻測試。對(duì)刀形隔離器操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，各項(xiàng)檢查合格后方可接線。

五、結(jié)語

發(fā)電機(jī)組集電環(huán)極性倒換裝置安裝后，通過定期切換，經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行觀察，滑環(huán)室內(nèi)：碳刷能在刷握內(nèi)能自由滑動(dòng)、無卡澀、搖擺現(xiàn)象;“V”彈簧壓力正常;刷辮絕緣軟管無變色和硬化、與導(dǎo)電環(huán)接觸良好;集電環(huán)上無斑點(diǎn)、無刷痕、無灼傷、無凹凸不平等現(xiàn)象、碳刷表面光潔、無粗糙的溝痕，與集電環(huán)表面吻合面積達(dá)到80%以上。通過改造實(shí)施應(yīng)用，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，人員操作快捷，維護(hù)方便。將集電環(huán)正、負(fù)極性定期倒換，能保證集電環(huán)正、負(fù)極磨損均勻，延長集電環(huán)使用壽命。達(dá)到了最大化利用現(xiàn)場設(shè)備的安裝空間，從根源上解決了發(fā)電機(jī)集電環(huán)磨損不均勻造成的設(shè)備安全隱患。最大程度提高了設(shè)備利用率，延長了設(shè)備的檢修工期，減少了設(shè)備的生產(chǎn)投入成本，有效保證了設(shè)備可靠性、安全性及操控性。

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