摘 要:文章針對大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷超溫問題,系統(tǒng)分析了碳刷發(fā)熱產(chǎn)生的機(jī)理以及碳刷超溫的各項(xiàng)因素,根據(jù)原因分析有針對性的提出處理措施,為大型發(fā)電機(jī)碳刷超溫維護(hù)處理提供借鑒。
關(guān)鍵詞:勵(lì)磁碳刷;超溫;處理方法
1 概述
大型發(fā)電機(jī)組多采用靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng),勵(lì)磁系統(tǒng)輸出勵(lì)磁電流至碳刷,通過與發(fā)電機(jī)滑環(huán)的摩擦接觸,勵(lì)磁電流送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中,正常情況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以3000r/min速度高速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦部位為安全運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié),現(xiàn)場碳刷振動(dòng)以及碳刷超溫現(xiàn)象非常常見,若冒火嚴(yán)重可能發(fā)生滑環(huán)環(huán)火,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)停機(jī),造成重大的損失。
2 系統(tǒng)介紹
文章以220kV出線,600MW火力發(fā)電機(jī)組為例,分析其勵(lì)磁碳刷超溫機(jī)理及處理方法,設(shè)備主要參數(shù)如表所示。
3 發(fā)電機(jī)碳刷超溫機(jī)理分析
NCC634牌號碳刷,摩擦系數(shù)小,電阻系數(shù)適中,自潤滑能力強(qiáng),抑制火花性能優(yōu)良[1],正常運(yùn)行中碳刷電流分布整體比較均衡,溫度一般在50~80℃,滑環(huán)與碳刷摩擦產(chǎn)生的熱量由通風(fēng)系統(tǒng)帶走。異常情況下,因通風(fēng)不良、接觸電阻增大或碳刷刷握異常等問題,將導(dǎo)致碳刷溫度上升超溫。碳刷發(fā)熱一般由三部分組成:碳刷接觸壓降發(fā)熱,碳刷自身電阻發(fā)熱和磨擦發(fā)熱。即:
3.1 碳刷接觸壓降發(fā)熱
Q1=I?駐E(I-流過碳刷的電流,?駐E-接觸壓降)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測,碳刷的接觸壓降?駐E一般2V左右,則估算的接觸壓降損耗為:Q1= I?駐E=4366×2=8732W,當(dāng)接觸壓降提高時(shí),Q1將同步提高。
3.2 碳刷自身電阻發(fā)熱
Q2=I2R(I-流過碳刷的電流,R-碳刷電阻和接觸電阻總和)。不考慮接觸電阻情況下,在現(xiàn)場對NCC634碳刷電阻值進(jìn)行測量,單根碳刷阻值在0.2歐姆附近,在發(fā)電機(jī)額定無功出力且64只碳刷均流情況下,I=4366/64=68.2A,則估算的電氣損耗為:W2=I2R=68.222× 0.2=930.2W,考慮接觸電阻的影響,發(fā)熱量將成基數(shù)倍增長。
3.3 磨擦發(fā)熱
Q3=F·V(F-碳刷壓緊力,V-碳刷與滑環(huán)的相對運(yùn)動(dòng)速度)。正常情況下,勵(lì)磁系統(tǒng)采用恒壓刷握,壓緊力相對固定,此部分熱量變化較小,但在熱量統(tǒng)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮此部分發(fā)熱對碳刷超溫的影響。
碳刷總體發(fā)熱量為:Q=Q1+Q2+Q3,發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)碳刷將產(chǎn)生比較可觀的發(fā)熱量,異常情況下發(fā)熱量將持續(xù)增加,熱量的持續(xù)累積將使碳刷和集電環(huán)溫度超過100℃,甚至到達(dá)150℃以上,超過或接近滑環(huán)及碳刷溫度限值(120℃),此種狀態(tài)下滑環(huán)絕緣套筒將會老化加劇,壽命縮短,嚴(yán)重時(shí)絕緣受損,發(fā)生發(fā)電機(jī)滑環(huán)燒毀或轉(zhuǎn)子接地等事故。
4 發(fā)電機(jī)碳刷超溫因素的分析
基于上述超溫機(jī)理可以看出,對于碳刷發(fā)熱問題,影響的因素包括碳刷電流的變化、碳刷電阻、接觸電阻值的增大以及碳刷壓緊力等方面。目前,根據(jù)現(xiàn)場情況,總結(jié)歸納出超溫的因素主要包括以下幾方面:
4.1 運(yùn)行過程中電阻值增大
鑒于現(xiàn)場環(huán)境以及使用時(shí)間等因素影響,隨著碳刷和刷辮間的接觸電阻增大,碳刷的電阻值逐漸增大,碳刷自身電阻發(fā)熱將增大;另外滑環(huán)氧化膜過厚,使得碳刷與滑環(huán)之間的接觸電阻大大增加,使得碳刷自身發(fā)熱量將遞增,為了維持機(jī)組無功的正常輸出,電流將分流到其他阻值小的回路上,造成其他碳刷的發(fā)熱量上升。
4.2 電流平衡被打破
正常運(yùn)行時(shí),碳刷在恒壓彈簧的壓緊力作用下,刷握與滑環(huán)接觸面的接觸緊力較大,接觸壓降較小,碳刷本體的溫度相對較低,碳刷間電流維持平衡狀態(tài)。異常情況下,因?yàn)檠趸け黄茐?、碳刷磨損變短或彈簧壓緊力變小等原因,可能導(dǎo)致碳刷間弱平衡破壞,碳刷間電流二次再分配,個(gè)別碳刷電流迅速增大,造成溫度急劇上升,刷體膨脹卡死后,電流將轉(zhuǎn)移到其他碳刷,惡性循環(huán)發(fā)展,甚至出現(xiàn)滑環(huán)環(huán)火惡性事件。電流平衡被打破的因素主要有以下幾點(diǎn):
4.2.1 日常檢查維護(hù)工作不到位
當(dāng)運(yùn)行中的碳刷磨損量達(dá)1/3時(shí),在刷握彈簧的作用下,碳刷雖然還能與集電環(huán)接觸,但此時(shí)壓緊力將大大降低,此時(shí)該碳刷與集電環(huán)的接觸電阻將基數(shù)倍的遞增,影響整個(gè)勵(lì)磁電流的分布,必須及時(shí)進(jìn)行碳刷更換工作。此外在維護(hù)時(shí),應(yīng)定期使用直流鉗表測量碳刷電流,分析各碳刷電流分布情況。根據(jù)工況的不同,碳刷電流一般調(diào)整為40~90A之間,刷體溫度控制在90℃以下,個(gè)別碳刷電流偏差較大,應(yīng)單獨(dú)取下進(jìn)行研磨調(diào)整,使各個(gè)碳刷電流基本平衡,保持碳刷工作狀態(tài)良好。
4.2.2 碳刷選型不當(dāng)
不同廠家或同廠家不同型號碳刷在碳刷電阻以及規(guī)格尺寸上均不一樣,碳刷的日常磨損量也不一樣,不同型號碳刷運(yùn)用在同個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)中碳刷電流差異會較大,無法實(shí)現(xiàn)均流的效果,容易超溫,因此在碳刷選用上尤為重要的是替換的碳刷必須為同型號、同廠家的備件。
4.2.3 碳刷調(diào)整、更換頻次不正確
碳刷在運(yùn)行過程中磨損需要定期進(jìn)行更換,由于新、舊碳刷的阻值以及與滑環(huán)的滑動(dòng)配合等特性不一致,一次性更換碳刷過多,引起了電流在刷盒及電刷間的不均分布[2],則將打破原來已形成的平衡狀態(tài),部分碳刷電流增大,出現(xiàn)碳刷發(fā)熱、打火現(xiàn)象。因此更換碳刷的數(shù)量宜采用少量多次,逐步替換的原則。對文章所提發(fā)電機(jī)組在同一時(shí)段內(nèi),每次更換應(yīng)以不超過總量的五分之一為宜,即不超過十二只。
4.2.4 其他原因
大型發(fā)電機(jī)組的軸系都較長,振動(dòng)較難控制在最優(yōu)狀態(tài),滑環(huán)本身跳動(dòng),造成與碳刷之間接觸不良;滑環(huán)通風(fēng)溝槽或表面內(nèi)積碳粉,無法可靠接觸;滑環(huán)表面溝槽磨損嚴(yán)重造成冷卻效果欠佳,以上原因都將造成碳刷超溫。
4.3 碳刷刷握本身原因?qū)е?/p>
機(jī)組運(yùn)行中,由于發(fā)電機(jī)振動(dòng)的影響以及碳刷自身發(fā)熱,將導(dǎo)致刷握調(diào)節(jié)螺栓松動(dòng);同時(shí)在熱脹熱縮作用下,恒壓彈簧將徑向膨脹。假設(shè)刷握與集電環(huán)距離調(diào)節(jié)不好導(dǎo)致間隙過小,在此情況下會造成刷握與集電環(huán)之間摩擦,碳粉的氧化膜將被破壞,嚴(yán)重時(shí)碳刷會打火,并且破壞已建立的弱平衡狀態(tài),使碳刷溫度升高。
4.4 通風(fēng)不良造成碳刷發(fā)熱不能全部散出
通風(fēng)不良主要是因?yàn)槔鋮s風(fēng)道、集電環(huán)表面通風(fēng)溝及通風(fēng)孔堵塞,循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量下降[3]。當(dāng)運(yùn)行中集電環(huán)表面溫度過高時(shí),導(dǎo)致碳刷磨損加劇,碳粉積聚增加,堵塞集電環(huán)表面的散熱通道。
5 勵(lì)磁碳刷超溫的處理措施
(1)當(dāng)碳刷溫度未超過90℃時(shí),可采取調(diào)整部分工作狀態(tài)不佳的碳刷的辦法。對電流小、磨損較大的碳刷的進(jìn)行更換;調(diào)整或更換彈性壓力較差刷握彈簧,實(shí)現(xiàn)電流均勻分配。
(2)減少發(fā)電機(jī)無功負(fù)荷,降低勵(lì)磁電流,減少流過碳刷的工作電流,降低發(fā)熱量。
(3)出現(xiàn)個(gè)別碳刷斷辮時(shí),也可立即調(diào)整發(fā)電機(jī)發(fā)出無功負(fù)荷以降低勵(lì)磁電流,待碳刷電流比較均衡后再更換碳刷備件,不可強(qiáng)行更換大量備件。
(4)檢查清理通風(fēng)口,確保風(fēng)道暢通。當(dāng)溫度超過100℃時(shí),如采取更換碳刷或調(diào)整刷握的方法,因新碳刷正常情況下為方形且表面相對粗糙,開始時(shí)與弧形滑環(huán)點(diǎn)狀接觸,接觸面較少,無論其流經(jīng)的電流多少,通過熱傳導(dǎo)都將使碳刷溫度升高,已經(jīng)不能降低整體溫度,此時(shí)通風(fēng)冷卻效果尤為關(guān)鍵,通過降低工作溫度,改善碳刷、刷握的工作條件。
(5)涂抹凡士林。凡士林是一種烷系烴或飽和烴類半液態(tài)的混合物,其熔點(diǎn)在46-54℃之間,可用于機(jī)器潤滑。將凡士林涂抹碳刷上能夠起到很好的潤滑作用,降低振動(dòng),同時(shí)其熔點(diǎn)較低的特性在較高溫度下熔化后能夠帶走部分熱量,并且將溶于其中的碳粉和灰塵一起清除,改善碳刷的工作環(huán)境,因此該方法能夠較快的降低整體溫度。機(jī)組運(yùn)行中,可用軟刷涂抹少量干凈的凡士林,輕刷于滑環(huán)表面,或直接取下刷握將凡士林涂抹于碳刷的頂部,涂抹時(shí)按均勻、少量、多次的原則。此方法對振動(dòng)引起碳刷發(fā)熱和減小碳刷振動(dòng)有較好效應(yīng)。
(6)判斷問題碳刷的方法。運(yùn)行中,如果工作條件變化較小,而碳刷溫度升高較多,可能是因個(gè)別碳刷缺陷引起(如彈簧壓力變小、碳刷斷辮、電阻增大等),這種情況下應(yīng)能準(zhǔn)確判斷出引起發(fā)熱的故障碳刷并將其更換,使其它碳刷不受影響,能夠重新進(jìn)入正常平衡狀態(tài)。此做法的關(guān)鍵是做出準(zhǔn)確判斷,故障碳刷與其它碳刷相比,一般表現(xiàn)為電流或振動(dòng)較大、有時(shí)其溫度高于整體溫度。如無法準(zhǔn)確判斷,可用采用試驗(yàn)的手段,間歇性依次取出刷握,觀察整體溫度變化情況,明顯降低可判斷為該取出碳刷故障。
(7)加強(qiáng)日常運(yùn)行監(jiān)視和維護(hù)工作。定期測試每個(gè)碳刷溫度、電流并做好記錄和分析;對電流偏差較大的碳刷及時(shí)進(jìn)行調(diào)整更換;利用機(jī)組停運(yùn)機(jī)會及時(shí)清理滑環(huán)和通風(fēng)系統(tǒng)。
6 結(jié)束語
發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷滑環(huán)超溫現(xiàn)象運(yùn)行中時(shí)有發(fā)生,文章詳細(xì)的介紹了大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷發(fā)熱的機(jī)理,在此基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對碳刷超溫原因進(jìn)行分析,并結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)對超溫問題如何處理進(jìn)行詳細(xì)闡述,上述措施的綜合運(yùn)用,對于有效降低發(fā)電機(jī)碳刷溫度,消除碳刷打火現(xiàn)象,保證了機(jī)組的安全運(yùn)行,可以作為參考和借鑒。
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作者簡介:張偉明(1982-),男,本科,工程師,畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué),現(xiàn)在福建省鴻山熱電有限責(zé)任公司工作。