鞏 宇，張 豪，代 雄，楊銘軒

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東省廣州市 510630）

0 引言

抽水蓄能機(jī)組通常采用自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，即勵(lì)磁變壓器并聯(lián)在發(fā)電機(jī)出口端或者出口端的系統(tǒng)側(cè)，然后經(jīng)勵(lì)磁變壓器降壓，供給勵(lì)磁系統(tǒng)可控硅，經(jīng)整流后經(jīng)過(guò)碳刷滑環(huán)將勵(lì)磁電流送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行勵(lì)磁[1-5]。在機(jī)組轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，碳刷磨損產(chǎn)生的碳粉會(huì)附著在滑環(huán)絕緣子上，滑環(huán)絕緣子容易出現(xiàn)污閃、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地、轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地等故障[6-7]。碳刷磨損產(chǎn)生的碳粉也會(huì)附著在定子上，加速定子絕緣老化[8-10]。當(dāng)機(jī)組帶負(fù)荷時(shí)，由于碳刷上流過(guò)電流帶來(lái)碳刷發(fā)熱會(huì)加速碳刷磨損。抽水蓄能機(jī)組要求適應(yīng)于系統(tǒng)功率變化而多工況頻繁啟停，也會(huì)加速碳刷的磨損過(guò)程。因此，需要對(duì)抽水蓄能機(jī)組經(jīng)常性地開(kāi)展碳刷滑環(huán)清掃工作。蓄能電廠(chǎng)碳刷滑環(huán)清掃工作中更換最頻繁的是碳刷。由于清掃不及時(shí)最容易暴露的缺陷是支柱絕緣子因污穢帶來(lái)的絕緣降低。本文關(guān)于碳刷滑環(huán)狀態(tài)清掃工作研究的對(duì)象是碳刷的更換和支柱絕緣子的清掃工作。

過(guò)去缺少基于機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的碳刷滑環(huán)狀態(tài)清掃技術(shù)，對(duì)于額定容量為300MW的抽水蓄能機(jī)組，需定期每三個(gè)月退備機(jī)組開(kāi)展碳刷滑環(huán)清掃工作。然而，各機(jī)組在廠(chǎng)站中受優(yōu)先權(quán)控制，有的機(jī)組運(yùn)行較為頻繁，有的機(jī)組運(yùn)行較少的情況。全年各季度系統(tǒng)負(fù)荷的情況也不盡相同[11-13]。在汛期即迎峰度夏期間，機(jī)組啟停較為頻繁，運(yùn)行時(shí)間也較長(zhǎng)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)優(yōu)先權(quán)在前的機(jī)組由于碳刷滑環(huán)清掃不及時(shí)，碳刷滑環(huán)絕緣子污穢嚴(yán)重絕緣不足，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警的情況。在其他季節(jié)，從機(jī)組碳刷滑環(huán)清掃工作的質(zhì)檢中發(fā)現(xiàn)，碳刷磨損不嚴(yán)重，機(jī)組過(guò)清掃帶來(lái)過(guò)清掃的問(wèn)題。

本文結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)提供了一種基于機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的碳刷滑環(huán)狀態(tài)清掃技術(shù)，綜合考慮了機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)、機(jī)組帶負(fù)荷時(shí)長(zhǎng)、機(jī)組啟停次數(shù)，為檢修人員根據(jù)當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)下一次開(kāi)展碳刷滑環(huán)清掃工作日期提供了有效方法，也為碳刷滑環(huán)清掃工作提供了狀態(tài)檢修方法。本文可以有效規(guī)避機(jī)組過(guò)度清掃帶來(lái)機(jī)組退備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也可以規(guī)避機(jī)組不及時(shí)清掃帶來(lái)的安全隱患。此外本技術(shù)也對(duì)該方法進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化和量化，可通過(guò)計(jì)算機(jī)多快好省的一攬子解決。

1 標(biāo)準(zhǔn)化的狀態(tài)清掃方法

標(biāo)準(zhǔn)化的狀態(tài)清掃方法步驟如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖Figure 1 Flowchart of proposed method

（1）從模擬量測(cè)點(diǎn)表中讀取模擬量測(cè)點(diǎn)ID，模擬量測(cè)點(diǎn)ID集合M包含機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)、機(jī)組負(fù)荷信號(hào)；

（2）獲取機(jī)組每個(gè)統(tǒng)計(jì)周期運(yùn)行狀態(tài)的記錄形成基于模擬量測(cè)點(diǎn)測(cè)值的歷史統(tǒng)計(jì)；

（3）然后綜合歷史統(tǒng)計(jì)計(jì)算獲得各機(jī)組碳刷滑環(huán)的狀態(tài)指標(biāo)Y；

（4）預(yù)測(cè)距離下一次開(kāi)展碳刷滑環(huán)清掃工作的剩余日期QQday；

（5）當(dāng)剩余日期QQday小于日期閾值δ時(shí)，提醒檢修人員安排檢修計(jì)劃開(kāi)展碳刷滑環(huán)清掃工作，開(kāi)展碳刷滑環(huán)清掃工作后轉(zhuǎn)（2）步。

統(tǒng)計(jì)周期可為日或月。綜合歷史統(tǒng)計(jì)計(jì)算獲得各機(jī)組碳刷滑環(huán)的狀態(tài)指標(biāo)Y由以下公式計(jì)算獲得：

（1）統(tǒng)計(jì)周期為日時(shí)：

（2）統(tǒng)計(jì)周期為月時(shí)：

（3）aday=amon=40%、bday=bmon=50%、cday=cmon=10%。

其中預(yù)測(cè)距離下一次開(kāi)展碳刷滑環(huán)清掃工作的剩余日期QQday，由以下步驟獲得：

（1）統(tǒng)計(jì)周期為日時(shí)：

（2）統(tǒng)計(jì)周期為月時(shí)：

（3）d為最近一次碳刷滑環(huán)清掃工作至今的天數(shù)，m為最近一次碳刷滑環(huán)清掃工作至今的月數(shù)，Q為啟動(dòng)碳刷滑環(huán)清掃工作閾值。日期閾值δ是30天。

碳刷、集電環(huán)的使用壽命與其單位面積的載流量、摩擦系數(shù)、接觸面積、光滑程度等因素有關(guān)，考慮到單位面積的載流量、摩擦系數(shù)、接觸面積、光滑程度等單個(gè)因素比較難量化，且這些因素會(huì)隨著機(jī)組運(yùn)行情況發(fā)生變化，本文研究中將這些因素綜合等值為一個(gè)閾值Q。機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)、機(jī)組帶負(fù)荷時(shí)長(zhǎng)、機(jī)組啟停次數(shù)是蓄能電廠(chǎng)運(yùn)維中最容易獲得的統(tǒng)計(jì)值，可用于量化碳刷的磨損積累。鑒于此本文提出，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間達(dá)到一定水平時(shí)，即可啟動(dòng)碳刷滑環(huán)清掃工作。

啟動(dòng)碳刷滑環(huán)清掃工作閾值Q的可由以下步驟獲得：

（1）將近一年機(jī)組歷史碳刷滑環(huán)清掃檢修中更換為新碳刷的碳刷長(zhǎng)度減去下一次機(jī)組碳刷滑環(huán)清掃檢修時(shí)相對(duì)應(yīng)碳刷的測(cè)量長(zhǎng)度，得出在每次檢查窗口期碳刷的磨損量，并以集電環(huán)為對(duì)象，找出每個(gè)集電環(huán)上碳刷磨損長(zhǎng)度的最大值。

（2）機(jī)組歷史碳刷滑環(huán)清掃檢修窗口期的碳刷最大磨損速度計(jì)算公式：碳刷最大磨損速度=碳刷最大磨損長(zhǎng)度÷對(duì)應(yīng)窗口期狀態(tài)指標(biāo)。

（3）啟動(dòng)碳刷滑環(huán)清掃工作閾值=機(jī)組碳刷最短剩余長(zhǎng)度÷碳刷最大磨損速度。

2 機(jī)組運(yùn)行時(shí)間計(jì)算方法

（1）遍歷最近一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期的機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)的歷史記錄，將機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)大于90%額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間段取出獲得轉(zhuǎn)速為正的時(shí)間段T正，計(jì)算時(shí)間段T正的累計(jì)時(shí)長(zhǎng)獲得機(jī)組正方向旋轉(zhuǎn)的總時(shí)間TG；計(jì)算時(shí)間段T正元素的個(gè)數(shù)，獲得機(jī)組正方向旋轉(zhuǎn)的次數(shù)TGn；將機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)小于-50的時(shí)間段取出獲得轉(zhuǎn)速為負(fù)的時(shí)間段T負(fù)，計(jì)算時(shí)間段T負(fù)的累計(jì)時(shí)長(zhǎng)獲得機(jī)組負(fù)方向旋轉(zhuǎn)的總時(shí)間TP；計(jì)算時(shí)間段T負(fù)元素的個(gè)數(shù)，獲得機(jī)組負(fù)方向旋轉(zhuǎn)的次數(shù)TPn；將TP與TG進(jìn)行相加，即獲得機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)TPG；將TGn與TPn進(jìn)行相加，即獲得機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)總次數(shù)TPGn。

（2）遍歷最近一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期的機(jī)組負(fù)荷信號(hào)的歷史記錄，將機(jī)組負(fù)荷信號(hào)大于10的時(shí)間段取出獲得負(fù)荷為正的時(shí)間段t正，計(jì)算機(jī)組負(fù)荷測(cè)值與時(shí)間段t正的積分后除以機(jī)組發(fā)電工況額定功率，獲得機(jī)組發(fā)電工況的功率積分tG；將機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)小于-10的時(shí)間段取出獲得負(fù)荷為負(fù)的時(shí)間段t負(fù)，計(jì)算機(jī)組負(fù)荷測(cè)值與時(shí)間段t負(fù)的積分后除以機(jī)組抽水工況額定功率，獲得機(jī)組抽水工況的功率積分tP；將tP與tG進(jìn)行相加，即獲得機(jī)組帶負(fù)荷持續(xù)時(shí)長(zhǎng)tPG。

（3）機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)TPG、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)總次數(shù)TPGn、機(jī)組帶負(fù)荷持續(xù)時(shí)長(zhǎng)tPG即為基于模擬量測(cè)點(diǎn)測(cè)值歷史統(tǒng)計(jì)。

3 碳刷滑環(huán)清掃標(biāo)準(zhǔn)方法

抽水蓄能機(jī)組碳刷滑環(huán)清掃的標(biāo)準(zhǔn)步驟如下：

（1）經(jīng)調(diào)度批準(zhǔn)后，將機(jī)組退備并布置安全措施。

（2）吊開(kāi)上機(jī)罩。

（3）將所有碳刷拔出。

（4）檢查各碳刷接觸面的平整情況，若不平整則更換碳刷。

（5）測(cè)量各個(gè)碳刷的長(zhǎng)度，每個(gè)碳刷的長(zhǎng)度不得小于30mm，若小于則更換。

（6）用布浸泡無(wú)水酒精清掃刷架、刷握、勵(lì)磁引接線(xiàn)頭及支撐絕緣子。

（7）逐對(duì)裝回所有碳刷，回裝時(shí)需注意檢查碳刷是否正確回裝，刷握是否正確壓緊碳刷，刷握與碳刷尾部接觸部位有一突起尖端，該尖端應(yīng)對(duì)準(zhǔn)插入碳刷尾部凹陷位置；碳刷軟辮是否被壓住，碳刷軟辮不應(yīng)與刷握兩側(cè)塑料部分相接觸。

（8）檢查已無(wú)雜物或工具遺留于機(jī)罩內(nèi)。

（9）解除安全措施并恢復(fù)機(jī)組。

4 實(shí)例分析

以下對(duì)廣東某蓄能電廠(chǎng)2019年8月1日00：00至2019年8月2日00：00，1號(hào)機(jī)組剛完成碳刷滑環(huán)清掃工作后的監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)例分析。結(jié)合圖1流程，本文技術(shù)包括以下步驟。

（1）應(yīng)用大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理技術(shù)，從圖2 所示集團(tuán)級(jí)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心獲取歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，本文技術(shù)方法作為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用。從表1 所示模擬量測(cè)點(diǎn)表中讀取模擬量測(cè)點(diǎn)ID。

圖2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)Figure 2 Structure of equipment condition monitoring system

表1 模擬量測(cè)點(diǎn)表Table 1 Analog measuring point table

（2）獲取機(jī)組每個(gè)統(tǒng)計(jì)周期運(yùn)行狀態(tài)的記錄形成基于模擬量測(cè)點(diǎn)測(cè)值的歷史統(tǒng)計(jì)如表2～表5所示。最近一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期，取統(tǒng)計(jì)周期為日。

表2 轉(zhuǎn)速歷史記錄Table 2 Speed history

表3 轉(zhuǎn)速歷史統(tǒng)計(jì)Table 3 Historical speed statistics

表4 負(fù)荷歷史記錄Table 4 Load history

表5 負(fù)荷歷史統(tǒng)計(jì)Table 5 Load history statistics

（3）綜合歷史統(tǒng)計(jì)計(jì)算獲得各機(jī)組碳刷滑環(huán)的狀態(tài)指標(biāo)Y：Y=Yday=40%×4.71+50%×4.59+10%×3=4.48。

（4）預(yù)測(cè)距離下一次開(kāi)展碳刷滑環(huán)清掃工作的剩余日期QQday：QQday=900/4.48-1=200。

（5）當(dāng)剩余日期QQday小于日期閾值δ時(shí)，提醒檢修人員安排檢修計(jì)劃開(kāi)展碳刷滑環(huán)清掃工作，開(kāi)展碳刷滑環(huán)清掃工作后轉(zhuǎn)（2）步。

QQday＞30天，暫不需提醒檢修人員。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提供的抽水蓄能機(jī)組碳刷滑環(huán)狀態(tài)清掃檢修技術(shù)，為檢修人員根據(jù)當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)下一次開(kāi)展碳刷滑環(huán)清掃工作日期提供了有效方法，也為碳刷滑環(huán)清掃工作提供了狀態(tài)檢修方法。技術(shù)可以有效規(guī)避機(jī)組過(guò)度清掃帶來(lái)機(jī)組退備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也可以規(guī)避機(jī)組不及時(shí)清掃帶來(lái)的安全隱患。