曹建軍

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都615000）

0 前言

官地水輪發(fā)電機(jī)額定容量為667 MWA，額定功率為600 MW，額定轉(zhuǎn)速100 r/min，是哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司自主研發(fā)的600 MW級的巨型水輪發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)集電裝置作為水輪發(fā)電機(jī)重要的輔助設(shè)備之一，其運(yùn)行安全可靠性直接決定了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。近年來，電刷溫度過高和燒毀事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本文通過對發(fā)電機(jī)集電裝置的降溫改造，最終解決了電刷溫度高的問題。同時，為了避免碳粉堆積而可能引發(fā)的放電問題，研發(fā)了集電裝置離線除塵裝置，對集電裝置內(nèi)碳粉進(jìn)行清掃，清掃效率和質(zhì)量得到了很大的提高，同時解決了放電問題。

1 問題描述

根據(jù)電廠多年記錄數(shù)據(jù)，從2012年投入運(yùn)行至2016年間，官地發(fā)電機(jī)電刷工作溫度一直在90～120℃之間，偶爾伴有打火現(xiàn)象。一般情況下，60～90℃之間是電刷的最佳工作溫度區(qū)間；電刷溫度在90～100℃之間時允許長期運(yùn)行，大于100℃需停機(jī)檢查。以往的處理方式是頻繁更換電刷和處理集電環(huán)摩擦表面，但過一段時間問題再次出現(xiàn)。所以有必要進(jìn)一步從設(shè)計(jì)選型、刷架結(jié)構(gòu)和集電環(huán)表面粗糙度等方面分析，采取適當(dāng)?shù)拇胧┙鉀Q該問題。

2 原因分析

發(fā)電機(jī)集電裝置是為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵磁電流的重要部件。機(jī)組運(yùn)行時，外部勵磁設(shè)備對轉(zhuǎn)子勵磁。這個過程中，集電裝置會產(chǎn)生大量的熱，包括電刷本身過流發(fā)熱、電刷與集電環(huán)摩擦產(chǎn)生的熱等。

一般情況下，能夠引起電刷溫度高的原因主要有電刷設(shè)計(jì)電流密度過高、刷架結(jié)構(gòu)散熱不良、集電環(huán)表面粗糙、刷架安裝質(zhì)量差以及電刷有雜質(zhì)等。下面就可能的原因逐項(xiàng)分析。

2.1 電刷電流密度的選取對電刷溫度的影響

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，水輪發(fā)電機(jī)勵磁用電刷電流密度設(shè)計(jì)在0.1 A/mm2以內(nèi)。官地發(fā)電機(jī)額定勵磁電流為3 079 A，電刷的計(jì)算電流密度為0.079 A/mm2。但為防止由于氣墊效應(yīng)，集電環(huán)摩擦表面設(shè)計(jì)有溝槽。如果考慮集電環(huán)摩擦表面上的溝槽，電刷的接觸電流密度為0.104 A/mm2。從數(shù)據(jù)來看，目前官地發(fā)電機(jī)的電刷電流密度處于設(shè)計(jì)上限。這也必然會使電刷溫度處于設(shè)計(jì)上限，但運(yùn)行溫度也應(yīng)該不會超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。所以，電刷電流密度設(shè)計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)值的上限不是官地發(fā)電機(jī)電刷溫度偏高的直接原因。

2.2 集電環(huán)表面粗糙對電刷溫度的影響

在機(jī)組運(yùn)行時，電刷與集電環(huán)接觸的表面之間會建立起一層氧化膜。氧化膜建立的不好或無法建立，電刷的磨損必然嚴(yán)重。電刷的摩擦面在安裝時要以集電環(huán)外圓周為基準(zhǔn)修磨出圓弧，同時必須認(rèn)真清理掉兩者摩擦面上的砂粒、雜質(zhì)、硬點(diǎn)等。防止這些雜質(zhì)破壞氧化膜的建立，防止其長時間存在劃傷集電環(huán)表面并加重電刷的磨損，從而使電刷溫度升高。

官地發(fā)電機(jī)集電環(huán)表面在機(jī)組運(yùn)行一段時間后確實(shí)存在表面磨損的情況，但在集電環(huán)表面粗糙程度穩(wěn)定后，電刷溫度上升的不明顯。

2.3 刷架及碳粉除塵結(jié)構(gòu)對電刷溫度的影響

發(fā)電機(jī)刷架包括兩層導(dǎo)電環(huán)、吸塵罩、電刷、絕緣隔板和支撐螺桿等。從結(jié)構(gòu)上看，發(fā)電機(jī)刷架的上下兩層導(dǎo)電環(huán)中間由一層厚絕緣隔板隔開。絕緣隔板與每層導(dǎo)電環(huán)均為平面接觸，影響到電刷的散熱，使電刷在工作時因熱量積累引起溫度升高。同時，該結(jié)構(gòu)還存在上層導(dǎo)電環(huán)在絕緣隔板內(nèi)側(cè)位置容易積累碳粉的問題。容易造成上下層導(dǎo)電環(huán)之間發(fā)生爬電或上層導(dǎo)電環(huán)與下層集電環(huán)之間發(fā)生放電事故。

機(jī)組運(yùn)行時，集電環(huán)和電刷會產(chǎn)生大量的熱。熱量聚集在由吸塵罩和集電環(huán)圍成的空間內(nèi)，被吸塵器吸出。兩臺吸塵器在吸塵罩上各自只有一個吸塵口。兩個吸塵器只能將吸塵口附近的碳粉和熱量吸出。距離越遠(yuǎn)的部位，碳粉和熱量吸出的越少。相應(yīng)位置的電刷溫度相比吸塵口附近的電刷溫度就高。從現(xiàn)場提供的溫度數(shù)據(jù)看，確實(shí)如此。所以，吸塵口少，不均勻應(yīng)該是導(dǎo)致電刷的溫度整體較高的主因。

綜上所述，能夠?qū)е码娝囟雀叩脑蚝芏?，但主要是由于吸塵結(jié)構(gòu)在圓周的吸塵口過少，使聚集的熱量無法被有效吸出導(dǎo)致的。

3 問題處理

知道電刷溫度過高的原因之后，我們將在各方面優(yōu)化處理，特別是應(yīng)該在使聚集的熱量被有效吸出這方面考慮如何解決問題。

3.1 刷架改造方案及效果

為保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，盡量降低電刷溫度以及減少可能存在的安全隱患，2016年，電廠對刷架及吸塵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造。

首先在電刷電流密度的選擇上，增加了電刷數(shù)量。電刷理論電流密度設(shè)計(jì)為0.057 A/mm2?？紤]集電環(huán)摩擦表面上的溝槽后，電刷電流密度為0.074 A/mm2。

通過對結(jié)構(gòu)的深入研究，對上下兩層導(dǎo)電環(huán)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。原結(jié)構(gòu)兩層導(dǎo)電環(huán)中間采用整圈絕緣隔板，并且導(dǎo)電環(huán)與絕緣隔板完全接觸，不利于導(dǎo)電環(huán)散熱。新結(jié)構(gòu)優(yōu)化為采用多個小絕緣塊隔離兩層導(dǎo)電環(huán)，更有利于導(dǎo)電環(huán)的散熱。同時拉大了上下層集電環(huán)之間的間距，保證了上下層導(dǎo)電環(huán)之間安全的放電距離和爬電距離。

在集塵罩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，將原上下兩瓣的集塵罩設(shè)計(jì)成一體，避免了可能的碳粉在導(dǎo)電環(huán)附近的堆積，不會形成碳粉堆積而導(dǎo)致環(huán)間短路和放電現(xiàn)象。

對吸塵結(jié)構(gòu)的改造主要是如何使聚集的熱量被有效吸出這方面考慮，增大了吸塵管路主管直徑，并在刷架下方增加了兩個半圈環(huán)管，圓周布置6個吸塵口，可以使聚集的熱量被有效吸出，使電刷溫度均勻。

優(yōu)化改造后，2016年至2020年期間，官地電站電刷運(yùn)行溫度一直在60～90℃之間，夏天時最高溫度在88℃。這說明，我們對官地發(fā)電機(jī)電刷溫度高的原因分析是正確的。

3.2 集電裝置離線除塵裝置研發(fā)

在成功的解決電刷發(fā)熱問題后，需要解決發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中電刷與集電環(huán)摩擦產(chǎn)生的碳粉堆積在集塵罩內(nèi)圓可能引起的放電問題。雖然有在線碳粉吸塵裝置，但并不能保證將碳粉完全吸出。殘留的碳粉長期積累，可能會引起局部放電，最終引起電刷燒毀事故。

目前，碳粉的清潔是在機(jī)組檢修時拆除吸塵罩后采用人工清潔的方式，存在著清潔效率低、清理效果不理想的問題。吸塵罩和集電環(huán)之間內(nèi)部空間小，人工清掃部分區(qū)域清理起來非常不便。必須在發(fā)電機(jī)檢修停機(jī)期間，將吸塵罩拆除后再進(jìn)行清理，大大增加了檢修停機(jī)工期和人工成本。因此，有必要研究一套不需要拆除吸塵罩就能對殘留堆積的碳粉進(jìn)行清理的集電裝置離線除塵裝置。

集電裝置離線除塵裝置是專門為清理殘留的碳粉而研發(fā)的專用設(shè)備。利用固定在集電環(huán)上的專用刷頭低速運(yùn)行實(shí)現(xiàn)對集電環(huán)溝槽內(nèi)和吸塵罩內(nèi)表面不易清掃的位置循環(huán)清掃，并將清掃下來的粉塵自動吸出收集。

集電裝置離線除塵裝置包括支架、齒輪、控制箱、刷頭、驅(qū)動電機(jī)和吸塵箱及一些附件組成。見圖1。

圖1 離線清掃裝置

需要進(jìn)行清掃時，安裝離線除塵裝置，裝置在空隙內(nèi)旋轉(zhuǎn)反復(fù)清掃。清掃時啟動碳粉除塵裝置進(jìn)行配合清掃。部分掉落的碳粉將掉入下部粉塵收集槽內(nèi)。5 min后完成清掃工作。離線除塵裝置試驗(yàn)見圖2。

圖2 離線除塵裝置試驗(yàn)照片

通過現(xiàn)場真機(jī)應(yīng)用，我們驗(yàn)證了離線除塵裝置的清掃效果，并將在今后的機(jī)組檢修過程中推廣使用。

4 結(jié)束語

水輪發(fā)電機(jī)電刷燒毀事故在發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)時有發(fā)生，需關(guān)注電刷燒毀的可能因素，以保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。官地電站通過對刷架的優(yōu)化改造，成功的解決了電刷溫度高的問題，同時也為其他類似項(xiàng)目提供了問題分析和處理參考。通過集電裝置離線除塵裝置的研發(fā)應(yīng)用，能夠?qū)埩舳逊e在集電環(huán)和吸塵罩內(nèi)表面的碳粉進(jìn)行高效清掃。從而大大降低機(jī)組運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生的放電問題，降低電刷運(yùn)行風(fēng)險。從而進(jìn)一步保證官地發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全。截止到2020年該離線除塵裝置屬于行業(yè)首創(chuàng)。