李 政， 李 巍， 卿 啟 維

(四川革什扎水電開發(fā)有限責任公司，四川 丹巴 626302)

1 設備概況

吉牛水電站安裝有兩臺由哈爾濱電機廠生產的120 MW沖擊式水輪發(fā)電機組，額定轉速300 r/min，其勵磁系統(tǒng)是廣州擎天EXC9000型靜止整流柜勵磁系統(tǒng)。額定勵磁電壓227 V，額定勵磁電流1 479 A。發(fā)電機集電環(huán)采用了耐磨性好的合金鍛鋼制造，表面無螺旋溝，集電環(huán)直徑是1 030 mm， 其圓周速度為16.17 m/s，截面尺寸為75 mm×40 mm。發(fā)電機碳刷共60塊，正負極各30塊，采用壓力為180 cN/cm2彈簧提供所需壓力。使用D172型碳刷，規(guī)格是25 mm×32 mm×60 mm。碳刷及集電環(huán)的冷卻靠自然風冷卻。

2 發(fā)電機碳刷、集電環(huán)的運行隱患分析

2.1 存在的問題

吉牛水電站兩臺機組均在2014年1月投產，自投產以來發(fā)電機碳刷運行中存在的問題有：

(1)碳刷發(fā)熱嚴重，尤其在夏天情況更甚，環(huán)境溫度升高使碳刷及集電環(huán)溫度更高，超過120 ℃，而D172型碳刷允許運行溫度為120 ℃[1]，運行中為降低環(huán)境溫度，臨時增添鼓風機加強通風冷卻。

(2)碳刷電流分配不均。經多次現場檢測電流最大值達200 A，最小值僅為10 A；碳刷接觸電阻不均，在集電環(huán)高速運轉中，造成碳刷與集電環(huán)接觸處打火，經調整后，短時碳刷打火現象消除；約4h后會重復出現電流不均，溫度升高物理現象，長期運行導致發(fā)電機集電環(huán)磨損嚴重。

(3)集電環(huán)擺度過大，集電環(huán)偏心，刷握固定不正，造成碳刷磨損過甚，碳刷磨損出現斜角。

(4)碳刷在刷握中過緊，適應不靈活，運行中刷握和壓簧有損壞和變形現象。

(5)集電環(huán)表面因運行工況惡化。集電環(huán)表面磨損不均勻，產生凹凸不平的棱，出現整排碳刷跳動現象。

2.2 運行情況分析

(1)機組額定轉速300 r/min，其圓周速度為16.17 m/s，易在碳刷與集電環(huán)之間產生氣墊，造成碳刷接觸不良，加之個別碳刷安裝或自身質量問題與集電環(huán)接觸不好，會加重碳刷與集電環(huán)打火現象，電火花會灼傷集電環(huán)，造成集電環(huán)表面不光滑。反之，不光滑的集電環(huán)又加速碳刷的磨損和發(fā)熱，而發(fā)熱的碳刷更加容易與集電環(huán)之間發(fā)生打火現象，如此惡性循環(huán)使集電環(huán)表面和碳刷磨損越發(fā)嚴重，碳刷溫度越來越高，高溫導致碳刷脆化，以及長期未經打掃的碳粉會導致各碳刷間的參數差異性越來越嚴重，導致負載嚴重失衡。

(2)碳刷電流分布不均，發(fā)熱差異大，電流大、溫度高的碳刷長時間運行后，造成碳刷與集電環(huán)接觸面的氧化膜損壞、刷辮過熱，引起碳刷與集電環(huán)接觸電阻增大。同時，壓簧經高溫后壓力降低，碳刷接觸電阻增加，最后導致碳刷電流減小，其結果又導致其它接觸好的碳刷過流，進一步造成碳刷運行工況惡化。

(3)2017年7月31日，吉牛水電站2F機組發(fā)生集電環(huán)燒毀事故，導致事故停機。后經現場監(jiān)測2F機組的集電環(huán)擺度為0.7 mm，1F機組的集電環(huán)擺度為0.5 mm。經分析認為：集電環(huán)的擺度過大導致碳刷與集電環(huán)之間的壓力隨擺動的周期增大或減小，更為嚴重的是，碳刷瞬間跳離集電環(huán)從而使碳刷與集電環(huán)之間產生火花，火花使接觸點產生瞬間高溫，嚴重時，在接觸點造成集電環(huán)環(huán)面的灼傷。長時間運行灼傷點周圍出現凸起，這種凸起再次導致集電環(huán)和碳刷接觸面之間的尖端放電，從而再次引起火花，再次灼傷環(huán)面，如此往復導致環(huán)面損蝕的惡性循環(huán)，嚴重時出現環(huán)火，燒毀集電環(huán)， 發(fā)電機被迫事故停機。

3 發(fā)電機碳刷、集電環(huán)的改造

3.1 改造措施

3.1.1 降低集電環(huán)擺度

對2F機組進行盤車，盤車數據如表1所示。經盤車處理后集電環(huán)的擺度值由原0.7 mm降到0.4 mm。

表1 2F機組盤車數據

3.1.2 增加集電環(huán)的導電截面積

集電環(huán)原截面尺寸為75 mm×40 mm，改為85 mm×40 mm，以降低集電環(huán)電密。集電環(huán)外圓周表面呈螺旋狀溝槽結構，有利于集電環(huán)通風散熱，并防止碳刷與集電環(huán)之間產生氣墊效應[2]，增強碳刷與集電環(huán)的可靠接觸，降低電刷與集電環(huán)的接觸電阻。

3.1.3 增加絕緣環(huán) 防止放電

在上集電環(huán)下部、下集電環(huán)上部增加絕緣環(huán)，以防止上下環(huán)間產生火花放電。上、下集電環(huán)支撐絕緣子距離加大，絕緣加厚，結構形式采用凹弧形便于維護擦拭。

3.1.4 碳刷選型及數量

碳刷選用NCC634型，尺寸25 mm×32 mm×100 mm，額定電流密度0.1 A/mm2，為天然石墨炭刷，適合高轉速機組且耐磨性能高，減少碳粉污垢。選用25個碳刷，使電流密度達0.07 A/mm2接近額定電流密度，有利于建立氧化膜[3]。原機30個碳刷，電流密度為0.058 A/mm2偏低，磨損量偏大，所以減少碳刷數量。當機組長期進相運行時，使電刷的電密在0.85 A/mm2左右。電刷電密計算公式如式(1)所示[4]。

(1)

式中If為勵磁電流；n為每極碳刷個數；A為碳刷接觸面長度；B為碳刷接觸面寬度；λ為碳刷跨越的槽數；L為集電環(huán)表面螺旋槽的寬度。

3.1.5 降低電密

導電環(huán)由半環(huán)改為整環(huán)，減少出現電流不均勻現象，加大導電環(huán)的尺寸，原機組導電環(huán)截面尺寸是16 mm×80 mm，改為20 mm×100 mm，降低導電環(huán)電密。

3.1.6 增加可靠性

采用帶電可拆卸刷握，具有在帶電運行狀態(tài)下可方便更換的功能，且具有鎖定電刷和指示電刷磨損情況的功能，增加機組運行可靠性。

3.2 改造結果

革什扎公司在2018年3月，2019年3月大修期間分別對2F機組、1F機組進行了集電環(huán)及刷架的整體改造。改造后運行效果較好，運行中存在的問題全部解決。現對2F機組改造及改造后的運行情況進行分析。

改造后集電環(huán)的工作環(huán)境得到改善，油霧現象消除，環(huán)境相對干燥，集電環(huán)的擺度值由改造前的0.7 mm降到0.4 mm，略高于標準[5]要求的0.3 mm，碳刷與集電環(huán)之間無火花產生。豐水期帶120 MW，機組進相運行勵磁電流小于1 100 A工況下和勵磁電流大于1 100 A工況下，碳刷溫度在65 ℃附近波動，集電環(huán)溫度在72 ℃附近波動；枯水期帶70 MW有功滯相運行勵磁電流約900 A工況下，碳刷溫度在60 ℃附近波動，集電環(huán)溫度在66 ℃附近波動，碳刷溫度受運行方式和負荷大小影響較小。

4 安裝與維護

碳刷在安裝之前不能有明顯卡滯現象，如有需要進行打磨，打磨過程中嚴禁使用金相砂紙，以防止金剛砂嵌入碳刷中。安裝時確保刷握與集電環(huán)表面的間隙為2～3 mm，各碳刷與集電環(huán)表面的間隙盡量一致，可以使用工具墊塊控制碳刷與集電環(huán)之間的距離。

碳刷磨損余量為原長度1/3時進行更換，也可根據機組實際運行情況做適當調整，如機組振動、擺度大，造成碳刷與刷握之間的磨損比較嚴重，兩者之間的間隙變大，碳刷搖擺度大，與集電環(huán)接觸不好易發(fā)生打火現象，那么可以盡早更換。每次更換數量不能大于總數的1/10，且碳刷新舊牌號須一致。待新換碳刷經過一段時間磨合，測量通過的電流與其他未更換的電刷電流差異不大之后，再更換其他碳刷。如果在大修時一次更換的碳刷較多，應當在投運沖轉時，為碳刷表面形成氧化膜留夠充足的時間。更換電刷之前，需對新電刷端面進行打磨，使電刷端面形狀與集電環(huán)外圓形狀一致，保證碳刷與集電環(huán)有不小于75%碳塊截面積的接觸面。

及時消除碳刷打火現象。零星打火影響集電環(huán)環(huán)面的粗糙度，因此，發(fā)現集電環(huán)碳刷打火應及時處理，盡量減少集電環(huán)環(huán)面受到電火花腐蝕。

定期測量碳刷、刷辮、集電環(huán)的溫度，對溫度較高的碳刷及時查找原因并處理；使用鉗形電流表測量單只碳刷的流通電流，及時調整和更換電流過大或過小的碳刷，使得每個碳刷的電流分擔差別不要過大；定期清掃，不要使碳粉堆積太多。

5 結 語

吉牛水電站水能發(fā)電機組運行中碳刷、集電環(huán)溫度過高，碳刷打火，集電環(huán)灼傷產生凹凸不平的棱，粉塵、油污較重，碳刷、集電環(huán)運行溫度較高，運行工況較差，出現整排碳刷跳動等異?，F象。筆者對集電環(huán)結構、布局方式、集電環(huán)的導電截面積進行了科學剖析；依據機組最大運行方式下的勵磁電流，對機組碳刷電流密度進行科學計算，并按計算結果對碳刷進行了重新選型；依據機組震動、擺渡大小選擇合理的刷握及安裝間距，保證運行中每個碳刷電流的均衡。通過多次現場監(jiān)測、電氣物理量的分析計算，對吉牛1F、2F機組集電環(huán)、導電環(huán)、發(fā)電機碳刷、刷握進行了改造，改造后機組碳刷、集電環(huán)的運行效果較好，改造前存在的異常現象徹底解決。