王攀登 楊濤

摘要：介紹了發(fā)電機組集電環(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、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臺水輪發(fā)電機組，單機190MW，由東方電機股份有限公司生產(chǎn)。發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈電流、電壓是通過滑環(huán)室內(nèi)導電環(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。電廠投運以來，4臺發(fā)電機在運行過程中，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、勵磁引線、螺桿等部位碳粉堆集現(xiàn)象十分嚴重;碳刷的磨損產(chǎn)生粉塵導致轉(zhuǎn)子絕緣下降，不得不經(jīng)常停機清掃碳粉，從而影響機組利用小時數(shù)，和機組的可靠運行，對電廠免維護運行和安全可靠生產(chǎn)極為不利。

二、不進行過勵磁極性倒換帶來的危害

電廠發(fā)電機組投運以來，因現(xiàn)場線纜長度局限等客觀原因，未進行過集電環(huán)極性倒換，多年的運行造成碳刷集電環(huán)磨損不均勻，負極所接觸的集電環(huán)磨損嚴重，已出現(xiàn)輕微溝痕。給安全運行造成了不可預期的隱患，2013年曾發(fā)生3#機滑環(huán)與碳刷拉弧導致集電環(huán)和刷握嚴重燒損，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)濟損失。事后對其它三臺機的集電環(huán)進行檢查，發(fā)現(xiàn)集電環(huán)表面（正、負極）凹凸不平、有紋道、表面氧化膜已磨損，負極比正極嚴重，進行了返廠處理。2016年1#、3#、4#機組碳刷打火現(xiàn)象加劇，多次停機處理排查故障原因，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，減少汛期停機清掃集電環(huán)次數(shù)，對發(fā)電機集電環(huán)進行相應(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，除相對運動中摩擦力產(chǎn)生的機械磨損外，還有電化學腐蝕。滑環(huán)在運行中處于旋轉(zhuǎn)態(tài)，碳刷靜止態(tài)，其中碳刷有大電流正極流入、負極流出滑環(huán)表面，傳導的部位不斷變化，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)生電氣化學腐蝕。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子滑環(huán)輸入為直流電流，滑環(huán)有正負之分，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。當電流由碳刷流向滑環(huán)時，此時碳刷為正極，滑環(huán)為負極，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。當電流由滑環(huán)流向碳刷時，此時碳刷為負極，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，機械磨損大，對于滑環(huán)，正環(huán)磨損小。

如果定期進行極性倒換可以使集電環(huán)的正負極磨損相對均勻，能夠延長集電環(huán)的使用壽命，保證機組安全運行。

四、安裝集電環(huán)極性倒換裝置

將原每臺機組風洞內(nèi)發(fā)電機勵磁引線連接的轉(zhuǎn)接端子箱、勵磁電纜拆除;敷設(shè)新電纜，重新裝入極性倒換裝置箱。箱體進出線孔按現(xiàn)場實際位置開孔，更換新電纜按原勵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磁電纜極性使集電環(huán)正負極表面磨損均勻，延長集電環(huán)的使用壽命，保證設(shè)備運行可靠。

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的極性，使得操作方便、簡潔統(tǒng)一。如圖：

（1）將風洞內(nèi)發(fā)電機原勵磁電纜和轉(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處安裝進線正、負極匯流銅排各1根，正極匯流銅排接入滅磁開關(guān)正極電源電纜4根;負極匯流銅排接入滅磁開關(guān)負極電源電纜4根。箱體內(nèi)上端距箱體頂部140mm安裝出線正、負極匯流銅排各1根。將勵磁引線至轉(zhuǎn)子線圈正極電纜線4根接入正極匯流銅排，將勵磁引線至轉(zhuǎn)子線圈負極電源電纜線4根接入負極匯流銅排。正、負極匯流銅排長度800mm，橫式安裝，正、負極匯流排間距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、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、負極相連接。QS2上端部第1極（進線側(cè)負極）用銅排與匯流銅排正極相連接。第2極（進線側(cè)正極）用銅排與匯流銅排負極相連接。QS2下端第1極用銅排與匯流銅排的負極相連接，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行搪錫處理再安裝。安裝時，銅排連接處應(yīng)涂導電膏，再用螺栓緊固。設(shè)備編號應(yīng)準確、清晰。所有工作完成后對進出線開孔處進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標準的要求;符合GB14048-3標準的要求;符合防護等級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、機械強度要達到設(shè)計規(guī)范要求對新電纜先進行極性校對和絕緣電阻測試、樹脂絕緣柱子進行絕緣電阻測試，刀形隔離器進行絕緣和直流電阻測試。對刀形隔離器操作機構(gòu)進行檢查，各項檢查合格后方可接線。

五、結(jié)語

發(fā)電機組集電環(huán)極性倒換裝置安裝后，通過定期切換，經(jīng)過長時間的運行觀察，滑環(huán)室內(nèi)：碳刷能在刷握內(nèi)能自由滑動、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、與導電環(huán)接觸良好;集電環(huán)上無斑點、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)表面吻合面積達到80%以上。通過改造實施應(yīng)用，設(shè)備運行穩(wěn)定，人員操作快捷，維護方便。將集電環(huán)正、負極性定期倒換，能保證集電環(huán)正、負極磨損均勻，延長集電環(huán)使用壽命。達到了最大化利用現(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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