溧蓄發電電動機導電滑環裝置運行可靠性分析

肖先照

(江蘇國信溧陽抽水蓄能發電有限公司，江蘇常州 213334)

0 引言

導電滑環裝置是整個勵磁回路的重要組成部分。導電滑環裝置中集電環溫度過高、碳刷打火、碳刷和刷握燒毀以及碳粉過多導致集電環短路燒毀是水輪發電機組常見的問題[1-5]。此類問題時常發生，嚴重威脅到發電機組的安全可靠性。

溧陽抽水蓄能電站(簡稱“溧蓄”)裝有6臺單機容量為250 MW的混流式水泵水輪機-發電電動機組，為哈爾濱電機廠有限責任公司生產。發電機為立軸半傘式全空冷發電電動機，額定轉速為300 r/min，額定勵磁電壓為278.9 V，額定勵磁電流為1 576.6 A。導電滑環裝置位于頂軸上方的頂罩內，兩極共設置34個碳刷，每極17個，碳刷尺寸為38 mm×34 mm×60 mm，型號為E468。具體結構如圖1所示。

圖1 導電滑環裝置

1 碳刷和刷握燒毀問題

溧蓄機組在調試和投入商業運行后相繼出現過四次導電滑環裝置中碳刷或刷握燒毀問題。第一次為5#機組調試期間，停機過程中檢查發現集電環下環處第8#刷握手柄著火，第7#刷握(手柄)燃燒后脫落。第二次為4#機組投入商業運行半年后，一次巡檢過程中發現有3個碳刷燒損，其中2個刷握手柄的絕緣部分燒毀。第三次為6#機組投入商業運行10個月時，巡檢過程中發現7#碳刷燒毀。第四次為1#發電機停機后第11#刷握著火，連帶第12#刷握把手燒熔，碳刷和刷握燒毀分別如圖2～4所示。溧陽電站多次出現碳刷刷握燒毀問題絕非偶然，關系到整個機組的運行可靠性。對四次碳刷或者刷握燒毀問題總結為：

(1)碳刷燒毀分為刷辮熔斷和刷辮的絕緣套管燒毀兩種情況。

(2)刷握的燒毀為刷握(手柄)絕緣部分燃燒后燒毀。

圖2 碳刷刷辮燒毀

圖3 刷握手柄燒毀

圖4 刷握手柄燃燒

2 碳刷和刷握燒毀原因分析

碳刷和刷握燒毀原因很多，但本質都是碳刷過流較大，碳刷溫度過高，過高的溫度導致碳刷刷辮絕緣套管燒毀；較為嚴重的是刷辮高溫熔斷，更為嚴重的是刷辮熔斷和刷握燒毀(刷辮燃燒導致刷握絕緣部分燃燒)。從刷架裝配的設計布置、刷架的安裝等方面分析碳刷過流大的原因。

2.1 設計方面

根據設備廠家提供的相關技術資料可知，集電滑環材質為Q345B，表面粗糙度為Ra0.8，線速度為21.2 m/s，非溝槽結構。碳刷選取E468電化石墨碳刷，碳刷的設計電流密度為0.072 A/mm2，碳刷銅刷辮的電流密度為4.6 A/mm2。然而根據設計規范及經驗：E468碳刷電流密度應保證在0.05～0.15 A/mm2之間，最大允許圓周速度為50 m/s；集電環采用碳鋼材質，圓周速度小于60 m/s時不用開溝槽。根據碳刷特性以及設備廠家幾十年的設計經驗，溧蓄發電-電動機集電環的設計、碳刷型號以及碳刷電流密度的選取均在設計規范內。因此，溧蓄幾起碳刷和刷握燒毀問題并非設計原因導致。

2.2 安裝方面

集電環處的擺度滿足規范要求、刷架的水平度好、碳刷與集電環接觸要隨形。安裝環節是碳刷與集電環接觸良好、碳刷磨損均勻以及各碳刷電流分布均布的前提保證。相關數據表明：

(1)集電環處擺度值滿足安裝規范[6]要求。

(2)刷架水平度不合格，不平度達4 mm。刷架不水平導致碳刷與集電環接觸不好，有的碳刷接觸面積不到碳刷總截面積的1/5。這也是碳刷打火、集電環室環境溫度較高的主要原因。

(3)刷盒距離集電環外圓距離沒有調整，不均勻。距離不均勻導致彈簧片壓力不一致，碳刷與集電環接觸力不一致。

(4)安裝前，碳刷表面沒有磨出與集電環外圓配合的圓弧形。碳刷與集電環表面接觸不好，電流分布不均勻，電流密度變大。

2.3 其它方面

碳刷在刷盒內運動時發生卡塞、碳刷與滑環接觸不良、碳刷電流分配不均勻也會導致碳刷溫度偏高。另外，集電環室內通風不好、環境溫度較高，產生的熱量不能很好地散熱也會導致集電環和碳刷溫度偏高。碳刷銅辮子絕緣套管和刷握絕緣部分采用易燃材料，銅辮子電流密度過大(沒有充分考慮使用環境)也是碳刷和刷握燒毀的另一重要原因。

3 處理措施

針對上述分析原因，采取如下處理措施：

(1)調整刷架的水平，保證平面度不大于1 mm。

(2)用專用工具將碳刷與集電環接觸面打磨成圓弧，保證碳刷與集電環貼合緊密。

(3)調整刷盒在刷架上的位置，保證彈簧壓力均勻，碳刷與集電環接觸良好。

(4)保證集電環室通風良好，改善運行環境。

(5)定期巡檢，對碳刷和集電環檢查。

(6)運用阻燃刷握，杜絕刷握的燃燒。

(7)運用碳刷在線實時監測裝置。

(8)每極增加三套碳刷起降低電流密度作用。

上述措施在6臺機組中實施一年來，沒有再次出現碳刷和刷握燒毀問題。定期巡檢測得碳刷溫度在70～105 ℃之間(冬天溫度低一些，夏天高一些)，集電環的溫度略低于碳刷溫度，集電環室環境溫度在42 ℃左右，隨著機組運行的時間長短略有變化。

4 結論

通過對溧蓄機組發電電動機四次碳刷和刷握燒毀問題的分析和處理，對阻燃刷握在機組的運用情況的跟蹤，對碳刷在線測溫裝置監測數據的分析以及其它措施實施前后數據對比，了解到了碳刷溫度偏高、刷握燒毀的本質原因。檢修人員總結了一些碳刷和導電滑環裝置檢修和維護的經驗和方法，這對提高導電滑環裝置的安全可靠性起到了很大的理論和經驗支撐作用?？偨Y如下：

(1)目前碳刷與滑環接觸表面氧化膜良好，碳刷磨損情況良好，也無碳粉導致轉子接地問題。雖然碳刷溫度偏高一些，但從實際情況來看并未影響到氧化膜的形成，也不影響導電滑環裝置的可靠性。

(2)阻燃刷握的應用可以避免溫度過高導致刷握及刷架燒毀事故，提高滑環裝置運行可靠性。

(3)加強碳刷紅外測溫和碳刷在線實時監測，裝置實施可以掌握碳刷溫度變化規律，提前預防，降低事故發生的概率。

(4)嚴格把控刷架、刷盒、碳刷、恒壓彈簧的安裝質量，這也是提高滑環裝置運行可靠性的有效措施。