草街電站水輪發電機集電環改造方案

熊茂林

（重慶草街航運電力開發有限公司草街航電樞紐，重慶 401572）

0 引言

草街電站位于重慶市合川區境內，是嘉陵江干流自下而上渠化開發的第二個梯級電站，裝設4 臺單機容量125 MW 軸流轉漿式機組，發電機的布置方式為上機架埋入式，集電環布置在上機架內部。

1 舊集電環存在的問題

發電機組運行過程中，碳刷與集電環摩擦會產生大量碳粉，碳粉覆蓋在集電環、碳刷、刷握、絕緣螺桿等處，影響設備絕緣，需及時清除。日前電站維護人員無法完全清除干凈，且工作量大，極不利于機組安全經濟運行。發電機組運行中多次出現刷握彈簧片脫落、斷裂的情況，在這種情況下，出現碳刷與滑環接觸不良，碳刷電流分布不均，部分碳刷出現過流、過載現象，造成碳刷發熱，從而加速設備老化與碳塵的產生。集電環是發電機轉子勵磁系統固定部分與旋轉部分的銜接部件，碳粉過多可能會造成轉子絕緣下降，增加發電機轉子接地故障的風險。2 號機組集電環因碳塵過重等原因，在2016 年12 月份發生了集電環燒損的重大事故，其他機組集電環環面也出現了不同程度的損蝕現象。草街電站每年檢修期間，都需要對集電環兩環進行加工，處理環面損蝕部分。處理后，加速了導電環等設備更換頻率，增加了機組檢修、維護成本。草街電站機組集電環室為下沉式結構，機組運行過程中，出現放電或其它原因需要更換碳刷，該結構無法做到快速帶電更換碳刷。而每次停機維護需要好幾個小時，與草街電站高效、經濟運行不符。

針對以上問題，草街電站相關技術人員經討論后，建議對集電環系統相關設備進行改造，改造內容包括：刷架與銅排、碳刷、刷握、壓簧、支撐絕緣子等設備進行技術改造與設備升級，同時增加一套碳塵收集裝置。

2 集電環改造方案

刷握采用可帶電拆卸刷握，在機組運行時，可帶電更換碳刷，刷盒使用銅材料鑄造而成，刷握導電性能與散熱性能良好；所有螺栓使用高強度螺栓，強度等級不低于8.8 級；碳刷采用優質碳刷，采用天然石墨材料制作，其硬度應適中，不會對集電環造成太大磨損，且碳刷的最大磨損量小于5 mm/1 000 h；碳刷引線采用銅編織線且不得少于2 根；刷握彈簧使用恒壓彈簧，采用優質鋼條；勵磁引線接頭采用銅質端子，表面鍍銀，厚度10～12 μm；使用模具將非金屬絕緣材料整體成型為集塵罩，有不易變形、強度大的特點；導電環使用鋼材質加工成型，基材不能有氣孔等缺陷，導電環需進行探傷，整體鍍鋅，與勵磁引線接頭接觸部位鍍銀；絕緣套管的絕緣耐熱等級為F 級絕緣；風管用耐熱、防老化的軟管制作，用支架固定住風管；吸碳粉通風散熱一體完成；每臺發電機組安裝2 臺碳粉吸收裝置，電機采用國外原裝進口電機，帶有三相電源相序自適應功能模塊；電機額定電壓為AC 380 V，單臺電機功率應不小于1.0 kW，風量滿足吸碳粉、降溫要求，風機運行噪音不得大于75 dB；碳粉收集裝置外形美觀，單臺套碳粉收集裝置的風量不小于1 200 m3/h；粉塵收集裝置的布置不影響日常巡視、檢查，帶電更換碳刷等工作的開展；碳刷和刷握的布置利于通風，確保集電環和電刷有效散熱；刷架按照國家標準GB/T 8564 進行耐壓試驗，檢測絕緣性能，絕緣電阻不低于5 MΩ。

3 控制系統技術要求

控制裝置應能手動操作和自動控制粉塵收集系統的運行，單臺套碳粉裝置配備，電動機啟動器；手動、切除、自動切換開關；紅、綠指示燈；粉塵收集系統控制所需要的繼電器、定時器和其它裝置；電氣狀態指示：系統運行；系統故障；系統停止。

4 改造后裝置參數

（1）刷握型號：HDK-1 型，可帶電拆換碳刷刷握；數量：21 只/極，共42 只。

（2）碳刷型號：HMT702，尺寸：34×38×64；數量：21 只/極，共42 只。

（3）碳粉收集裝置參數：型號：HXS－04C；數量：2 臺；功率：1.0 kW（每臺）；處理風量：1 200 m3/h（每臺）；外形尺寸：500 mm×500 mm×1 000 mm。

5 刷架及碳粉收集裝置方案

5.1 結構及功能簡介

新型刷架及碳粉收集裝置由如下5 大部份組成：

（1）密閉的碳粉收集系統

在集電環上安裝一個強度大、不易變形的非金屬絕緣材料制作的集塵罩，集塵罩與集電環組成一個封閉空間，碳粉被限制在封閉空間內。

（2）碳刷及刷握裝置

采用可帶電拆卸刷握方式，刷握彈簧使用恒壓彈簧，并使用優質碳刷。

（3）碳粉回收處理系統

每臺機組安裝 2 臺碳粉吸收器，風量滿足吸碳粉、降溫要求，風機運行噪音不得大于75 dB。

（4）管路連接系統

風管用耐熱、防老化的軟管制作，用支架固定住風管。

（5）控制系統

控制系統能夠手動和自動控制粉塵收集系統的運行，其結構包括所需要的繼電器、定時器和其它裝置。

圖1 刷架及碳粉收集裝置安裝圖

圖2 碳粉收集裝置電氣原理圖

在發電機上采用了新型刷架及碳粉收集裝置后可實現如下4 個優勢功能：

（1）有效收集集電環與碳刷摩擦產生的碳粉，避免碳粉堆積造成發電機轉子絕緣下降，降低轉子發生接地故障的風險，確保機組安全穩定運行。

（2）有效排走集電環與碳刷摩擦產生的熱空氣，機組運行時，收集裝置吸走碳粉的同時，也吸走熱空氣，降低集電環運行溫度。

（3）集電環室干凈，便于查看集電環運行情況。

（4）實現機組運行時，帶電更換碳刷。

5.2 工作原理

在集電環上安裝一個集塵罩，集塵罩與集電環組成一個封閉空間，碳粉被限制在封閉空間內。碳粉收集裝置吸出碳粉，避免碳粉堆積造成發電機轉子絕緣下降，降低轉子發生接地故障的風險，確保機組安全穩定運行。

收集裝置吸走碳粉的同時，也吸走集電環與碳刷摩擦產生的熱空氣，外部空氣不斷進入，形成循環風，降低集電環運行溫度。改造后設備示意圖3、圖4。

圖3 集塵罩碳刷及風管

圖4 集塵罩及風管

6 結語

2019～2023 年期間，草街電站完成了4 臺機組集電環系統改造。機組運行至今，通過觀察，發現集電環系統各方面性能均得到了明顯的提升。機組散熱、通風性能得到提升，降低了碳刷及集電環的磨損；集電環表面未出現附著碳粉氧化層的情況；碳粉收集效果明顯，集電環室未出現碳塵；技改后實現帶電更換碳刷，不需停機，汛期減少了停機消缺的時間，大幅提升機組高效、經濟運行時長。