李香華，耿乾坤，單文建（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

?

水輪發(fā)電機刷架裝置過熱缺陷分析及優(yōu)化改造

李香華，耿乾坤，單文建
（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

摘要：針對某水電站水輪發(fā)電機刷架裝置過熱缺陷，從設(shè)備結(jié)構(gòu)和故障現(xiàn)象分析其原因，研究提出了通流鋼導(dǎo)體接觸面鍍銀技術(shù)，并在電站全部機組刷架裝置進行了刷架鍍銀等全面優(yōu)化改造，通過改造前后刷架主要性能對比分析，對改造實施效果進行了驗證，對高溫導(dǎo)電接觸面性能改善有較高的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：刷架；過熱；鍍銀

0前言

水輪發(fā)電機滑環(huán)裝置由集電環(huán)、電刷、刷握、刷架等構(gòu)成，其作用是通過靜止的電刷和旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)環(huán)面的接觸，將勵磁電流送入轉(zhuǎn)子繞組?；h(huán)裝置性能的好壞直接影響到發(fā)電機勵磁電流是否能順利送入轉(zhuǎn)子繞組，從而影響發(fā)電機的穩(wěn)定運行。國內(nèi)某水電站裝有我國20世紀80年代初期自行設(shè)計、自行生產(chǎn)的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，為典型立軸半傘式結(jié)構(gòu)，其滑環(huán)裝置布置在導(dǎo)軸承上面，上方裝有受油器。近年來，多臺機組刷架接觸面出現(xiàn)過熱缺陷，嚴重影響發(fā)電機安全穩(wěn)定運行。

1集電環(huán)刷架過熱缺陷原因分析

1.1發(fā)電機刷架結(jié)構(gòu)及過熱理論分析

電站機組刷架采用分瓣結(jié)構(gòu)，上下環(huán)各分為3瓣，每瓣之間用帶絕緣的螺栓進行緊固，刷架連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1發(fā)電機刷架連接結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)電流流過導(dǎo)體時發(fā)熱量計算 可以看出，在單位時間內(nèi)導(dǎo)體發(fā)熱量與其通過的電流及導(dǎo)體的電阻有關(guān)，而對于發(fā)電機勵磁系統(tǒng)而言，發(fā)電機運行狀態(tài)保持穩(wěn)定的情況下，勵磁電流變化不大，因此，刷架過熱的主要原因在于刷架電阻偏大，缺陷發(fā)生在刷架連接處，其主要原因在于刷架連接處接觸電阻過大。當刷架接觸面接觸電阻由于某種因素如接觸表面狀況不良、氧化程度嚴重、接觸壓力較小、有效接觸面積減小而增大時，其發(fā)熱量（溫度）將相應(yīng)增大，電阻由于熱效應(yīng)也會相應(yīng)增大，電阻增大又使溫度增加，如此惡性循環(huán)，將使接觸面的溫升過高，出現(xiàn)過熱缺陷。

1.2刷架連接處接觸電阻過大原因分析

電氣設(shè)備接頭的接觸電阻除與環(huán)境溫度和通過的電流有關(guān)外，還與接觸面的接觸材料、接觸表面狀況（粗糙程度）、接觸面積的大小、接觸表面氧化程度以及接觸壓力等因素有關(guān)。由刷架連接結(jié)構(gòu)可以初步分析，刷架接頭處的接觸電阻大與刷架搭接面光潔度不夠、刷架搭接處螺栓松動、絕緣件強度不夠等原因有關(guān)。

1.2.1刷架搭接面光潔度不夠

刷架通常用Q235鋼板制作，在長期通電情況下，在刷架搭接處可能會存在局部氧化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致搭接面的接觸電阻增大。同時環(huán)境中的碳粉油膩、塵埃、潮氣等也可能會使刷架接觸面產(chǎn)生較大的膜

1.2.2刷架搭接處固定方式的設(shè)計缺陷

由圖1可以看出，兩片分瓣刷架連接處緊固件的主要受力點為下端的緊固螺帽和螺栓上端的絕緣柱止口，而整段螺栓絕緣柱作用在刷架及絕緣平墊上的面積較小，且止口內(nèi)外徑材料均為環(huán)氧絕緣材料，環(huán)氧絕緣材料的強度及耐磨程度遠小于刷架的金屬材料，因此，在機組長期運行的情況下，由于機組的振動擺動等原因，導(dǎo)致螺栓絕緣柱止口逐漸磨損，可引起分瓣刷架之間緊固力減弱，搭接面不能完全接觸，從而導(dǎo)致接觸電阻增大，進而引起搭接面過熱現(xiàn)象。機組投入運行多年后，絕緣止口磨損在所難免，這也是多臺機組刷架出現(xiàn)過熱缺陷的一個重要原因。

1.2.3絕緣件強度不夠引起的刷架搭接不緊固

由刷架連接結(jié)構(gòu)可以看出，刷架上下端采用的絕緣墊圈均為環(huán)氧絕緣材料，且下端絕緣墊圈緊貼緊固螺帽，承受刷架連接處的主要緊固力，考慮到原環(huán)氧絕緣材料為B級絕緣，硬度不是很大，在長期運行振動過程中，承受緊固力的絕緣墊圈出現(xiàn)磨損凹陷變形現(xiàn)象，同樣可以導(dǎo)致兩片分瓣刷架搭接面不能完全接觸，從而致使接觸電阻增大，進而引起搭接面出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

1.2.4刷架接頭處搭接面碳粉堆積及油霧現(xiàn)象

機組滑環(huán)室上端裝有機組受油器，機組運行過程中，刷架上由于碳刷磨損會造成碳粉堆積，同時，受油器在運行過程中可能存在油霧情況，碳粉與油霧粘合形成碳粉油膩，影響刷架散熱，同時刷架接觸面有松動情況時，碳粉油膩將會進入松動的接觸面內(nèi)，影響導(dǎo)電性能，促使刷架過熱氧化。

2優(yōu)化改造方案的確定及實施

2.1通流鋼導(dǎo)體接觸面鍍銀技術(shù)研究及方案確定

刷架對導(dǎo)電性能要求高，且運行溫度較高，運行環(huán)境惡劣，要徹底解決刷架接觸面氧化過熱缺陷，提高導(dǎo)電性和耐溫程度，可以對接觸面進行鍍銀處理。

由于鐵與銀的電位相差懸殊（銀的標準電極電位為+0.799 1 V，鐵為-0.440 V），銀對鐵而言屬陰極性鍍層，在銀層不可避免有孔隙或損傷的情況下，往往達不到對鋼鐵件的防護作用，故鋼鐵件不適宜直接鍍銀，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品要求選擇合適的預(yù)鍍層。由于刷架對導(dǎo)電性能要求較高，因此選擇了結(jié)晶細致的鍍銅作為預(yù)鍍層，但由于鐵與銅的標準電位相差也較大（銅的標準電極電位為0.337 V），鋼鐵件鍍銅時易生成疏松甚至是粉末狀銅層，造成鍍層與基體結(jié)合不良，而由于鐵與鎳的標準電位相近，只要鋼鐵基體與浸鎳液接觸，就發(fā)生置換反應(yīng)，生成致密的鎳層，故鋼鐵件可先預(yù)鍍鎳再鍍銅，從而有效解決鋼件鍍銅結(jié)合力問題；同時由于刷架長期在高溫環(huán)境下運行，為防止銀層擴散形成脆性較大的銀-銅合金，增強結(jié)合力，電鍍過程采取了鍍鎳后鍍銅再預(yù)鍍銀最后鍍銀的方法，在通電環(huán)境下既保證了導(dǎo)電性能又保證良好防護性能。

在研究通流鋼導(dǎo)體接觸面鍍銀技術(shù)可行的基礎(chǔ)上，確定對電站機組刷架裝置搭接面全部進行鍍銀改造，并同時采取了接觸面加固改造等優(yōu)化改造措施。具體處理措施為：刷架接觸面打磨、拋光并做鍍銀處理；刷架絕緣件更換升級為H級絕緣；針對機組刷架搭接具體結(jié)構(gòu)不同，采取增加刷架穿心螺桿外包絕緣直徑并專門設(shè)計制作專用金屬墊片，或采取在上下搭接面配孔加裝螺桿固定等方式，加強刷架接觸面緊固程度，解決絕緣件及止口磨損嚴重的問題。

2.2項目改造實施及工藝控制

2.2.1刷架打磨拋光及鍍銀過程控制

為保證鋼件鍍銀工藝，首先應(yīng)降低表面粗糙度，保證工件表面無砂眼、裂縫、毛刺、飛邊等質(zhì)量問題的存在，鍍銀前對鍍銀面進行了打磨拋光處理，整個打磨拋光過程均在磨床上進行精磨，刷架打磨拋光合格后方可進行后續(xù)鍍銀處理；鍍銀前還對刷架接觸面進行除油等預(yù)處理，以確保鍍層均勻，結(jié)合牢固，無缺陷。

鋼鐵件電鍍銀的工藝與銅件電鍍工藝大致相同，僅是鍍層的厚度要求有所不同，主要是鍍銅的厚度和鍍銀的厚度都要增加，減少鍍層的孔隙率，以防止產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。按照理論分析，鍍鎳15 min，鍍層厚度約3～5 μm；鍍銅20 min，鍍層厚度約5～8μm；鍍銀90～100 min，鍍層厚度約15～20 μm，鍍銀結(jié)束后使用磁性測厚儀對整個鍍層厚度進行檢測，鍍層總厚度控制在20～25 μm。

2.2.2刷架回裝過程控制

刷架加工確保鍍銀面均勻、平整、結(jié)合牢固、鍍層無缺陷，刷架回裝時對搭接面是否平整以及閉合是否嚴密進行仔細檢查，接觸合縫用0.05 mm的塞尺檢查，深度不應(yīng)大于5 mm。

3改造前后刷架主要性能對比

3.1改造前后刷架接觸面粗糙度對比

改造前對存在過熱缺陷的機組刷架打開進行檢查，均發(fā)現(xiàn)搭接面存在粗糙、氧化現(xiàn)象，粗糙度嚴重超標。對刷架接觸面進行打磨、拋光處理合格后，對接觸面進行鍍銀處理，鍍銀后接觸面均勻平整。

為精確對比刷架改造前后接觸面粗糙度，機組刷架改造前后使用粗糙度儀對接觸面表面粗糙度進行測試，由測試數(shù)據(jù)對比可以看出，改造前粗糙度最大可達到10.5 μm，改造后粗糙度最大數(shù)據(jù)僅為0.989 μm，每一個接觸面改造前后粗糙度均有所改善。圖2為電站部分機組刷架改造前后粗糙度對比圖。

圖2部分機組刷架改造前后粗糙度對比（單位μm）

3.2改造前后刷架接觸面接觸電阻測試對比

項目實施前后，對部分機組刷架接觸面接觸電阻也進行了測試，其改造前后接觸面接觸電阻測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 部分機組刷架改造前后接觸面接觸電阻對比 （單位μΩ）

由表1中接觸電阻測量數(shù)據(jù)對比可以看出，改造前接觸電阻最大可達到1 869μΩ，改造后接觸電阻最大數(shù)據(jù)僅為45.87μΩ，由數(shù)據(jù)對比可以看出，改造前后刷架接觸電阻所有改善。

3.3改造前后刷架接觸面溫度分析

3.3.1曾出現(xiàn)過熱缺陷機組改造前后刷架運行情況分析

以曾出現(xiàn)嚴重過熱的A機組為例，對改造前后測溫數(shù)據(jù)進行對比分析，兩次測溫數(shù)據(jù)對比見表2。

表2A機組改造前后刷架接觸面測溫數(shù)據(jù)對比

對表2數(shù)據(jù)對比可以看出，A機組改造前出現(xiàn)嚴重過熱，改造后過熱現(xiàn)象消失，盡管負荷及勵磁電流變大，接觸面溫度及溫升明顯下降，且運行狀況良好。

3.3.2未出現(xiàn)過熱缺陷機組改造前后刷架運行情況分析

以未出現(xiàn)刷架過熱現(xiàn)象的B機組為例，對改造前后測溫數(shù)據(jù)進行對比分析，兩次測溫數(shù)據(jù)對比見表3。

表3B機組改造前后刷架接觸面測溫數(shù)據(jù)對比

表3數(shù)據(jù)可以看出，未出現(xiàn)刷架過熱現(xiàn)象的B機組，改造后盡管負荷及勵磁電流變大，但仍可以明顯看出改造后刷架接觸面最高溫度及溫升均下降，刷架溫度趨于均勻?？梢?，通過改造，刷架運行狀況得到改善。

4結(jié)語

水輪發(fā)電機組滑環(huán)裝置刷架材質(zhì)通常采用鋼材，且多為分瓣結(jié)構(gòu)，在長時間運行后，總會出現(xiàn)氧化過熱現(xiàn)象，同時，長期振動也會致使接觸面松動而過熱，影響刷架裝置安全運行，也影響到電刷電流的均勻分布，從而影響機組安全穩(wěn)定運行。通過打磨、鍍銀及加固等措施，可較好改善刷架接觸面粗糙度、緊固程度及導(dǎo)電性能，效果較好。特別在鋼材上采取先鍍鎳后鍍銅再鍍銀的方式，既能確保接觸面導(dǎo)電性能，又能保證鍍層的結(jié)合力，運行多年后檢查接觸面無鍍層脫落、起皮現(xiàn)象，在高溫導(dǎo)電接觸面性能改善方面有較高的借鑒意義。

中圖分類號：TM312

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）06-0052-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.018

收稿日期：2016-03-03

作者簡介：李香華（1981-），男，高級工程師，從事水輪發(fā)電機電氣一次部分檢修技術(shù)管理工作。電阻和化學(xué)腐蝕，增大接觸電阻，化學(xué)腐蝕還會進一步加重其氧化程度，造成該處的接觸電阻進一步增大。打開刷架過熱點，發(fā)現(xiàn)搭接面均存在粗糙、氧化現(xiàn)象，光潔度嚴重不夠，分析此為刷架過熱缺陷頻出的一個主要原因。