熊茂林

（重慶草街航運(yùn)電力開(kāi)發(fā)有限公司草街航電樞紐，重慶 401572）

0 引言

草街電站位于重慶市合川區(qū)境內(nèi)，是嘉陵江干流自下而上渠化開(kāi)發(fā)的第二個(gè)梯級(jí)電站，裝設(shè)4 臺(tái)單機(jī)容量125 MW 軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組，發(fā)電機(jī)的布置方式為上機(jī)架埋入式，集電環(huán)布置在上機(jī)架內(nèi)部。

1 舊集電環(huán)存在的問(wèn)題

發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，碳刷與集電環(huán)摩擦?xí)a(chǎn)生大量碳粉，碳粉覆蓋在集電環(huán)、碳刷、刷握、絕緣螺桿等處，影響設(shè)備絕緣，需及時(shí)清除。日前電站維護(hù)人員無(wú)法完全清除干凈，且工作量大，極不利于機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中多次出現(xiàn)刷握彈簧片脫落、斷裂的情況，在這種情況下，出現(xiàn)碳刷與滑環(huán)接觸不良，碳刷電流分布不均，部分碳刷出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)載現(xiàn)象，造成碳刷發(fā)熱，從而加速設(shè)備老化與碳?jí)m的產(chǎn)生。集電環(huán)是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)固定部分與旋轉(zhuǎn)部分的銜接部件，碳粉過(guò)多可能會(huì)造成轉(zhuǎn)子絕緣下降，增加發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障的風(fēng)險(xiǎn)。2 號(hào)機(jī)組集電環(huán)因碳?jí)m過(guò)重等原因，在2016 年12 月份發(fā)生了集電環(huán)燒損的重大事故，其他機(jī)組集電環(huán)環(huán)面也出現(xiàn)了不同程度的損蝕現(xiàn)象。草街電站每年檢修期間，都需要對(duì)集電環(huán)兩環(huán)進(jìn)行加工，處理環(huán)面損蝕部分。處理后，加速了導(dǎo)電環(huán)等設(shè)備更換頻率，增加了機(jī)組檢修、維護(hù)成本。草街電站機(jī)組集電環(huán)室為下沉式結(jié)構(gòu)，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)放電或其它原因需要更換碳刷，該結(jié)構(gòu)無(wú)法做到快速帶電更換碳刷。而每次停機(jī)維護(hù)需要好幾個(gè)小時(shí)，與草街電站高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不符。

針對(duì)以上問(wèn)題，草街電站相關(guān)技術(shù)人員經(jīng)討論后，建議對(duì)集電環(huán)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行改造，改造內(nèi)容包括：刷架與銅排、碳刷、刷握、壓簧、支撐絕緣子等設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造與設(shè)備升級(jí)，同時(shí)增加一套碳?jí)m收集裝置。

2 集電環(huán)改造方案

刷握采用可帶電拆卸刷握，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，可帶電更換碳刷，刷盒使用銅材料鑄造而成，刷握導(dǎo)電性能與散熱性能良好；所有螺栓使用高強(qiáng)度螺栓，強(qiáng)度等級(jí)不低于8.8 級(jí)；碳刷采用優(yōu)質(zhì)碳刷，采用天然石墨材料制作，其硬度應(yīng)適中，不會(huì)對(duì)集電環(huán)造成太大磨損，且碳刷的最大磨損量小于5 mm/1 000 h；碳刷引線(xiàn)采用銅編織線(xiàn)且不得少于2 根；刷握彈簧使用恒壓彈簧，采用優(yōu)質(zhì)鋼條；勵(lì)磁引線(xiàn)接頭采用銅質(zhì)端子，表面鍍銀，厚度10～12 μm；使用模具將非金屬絕緣材料整體成型為集塵罩，有不易變形、強(qiáng)度大的特點(diǎn)；導(dǎo)電環(huán)使用鋼材質(zhì)加工成型，基材不能有氣孔等缺陷，導(dǎo)電環(huán)需進(jìn)行探傷，整體鍍鋅，與勵(lì)磁引線(xiàn)接頭接觸部位鍍銀；絕緣套管的絕緣耐熱等級(jí)為F 級(jí)絕緣；風(fēng)管用耐熱、防老化的軟管制作，用支架固定住風(fēng)管；吸碳粉通風(fēng)散熱一體完成；每臺(tái)發(fā)電機(jī)組安裝2 臺(tái)碳粉吸收裝置，電機(jī)采用國(guó)外原裝進(jìn)口電機(jī)，帶有三相電源相序自適應(yīng)功能模塊；電機(jī)額定電壓為AC 380 V，單臺(tái)電機(jī)功率應(yīng)不小于1.0 kW，風(fēng)量滿(mǎn)足吸碳粉、降溫要求，風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪音不得大于75 dB；碳粉收集裝置外形美觀，單臺(tái)套碳粉收集裝置的風(fēng)量不小于1 200 m3/h；粉塵收集裝置的布置不影響日常巡視、檢查，帶電更換碳刷等工作的開(kāi)展；碳刷和刷握的布置利于通風(fēng)，確保集電環(huán)和電刷有效散熱；刷架按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8564 進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，檢測(cè)絕緣性能，絕緣電阻不低于5 MΩ。

3 控制系統(tǒng)技術(shù)要求

控制裝置應(yīng)能手動(dòng)操作和自動(dòng)控制粉塵收集系統(tǒng)的運(yùn)行，單臺(tái)套碳粉裝置配備，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器；手動(dòng)、切除、自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)；紅、綠指示燈；粉塵收集系統(tǒng)控制所需要的繼電器、定時(shí)器和其它裝置；電氣狀態(tài)指示：系統(tǒng)運(yùn)行；系統(tǒng)故障；系統(tǒng)停止。

4 改造后裝置參數(shù)

（1）刷握型號(hào)：HDK-1 型，可帶電拆換碳刷刷握；數(shù)量：21 只/極，共42 只。

（2）碳刷型號(hào)：HMT702，尺寸：34×38×64；數(shù)量：21 只/極，共42 只。

（3）碳粉收集裝置參數(shù)：型號(hào)：HXS－04C；數(shù)量：2 臺(tái)；功率：1.0 kW（每臺(tái)）；處理風(fēng)量：1 200 m3/h（每臺(tái)）；外形尺寸：500 mm×500 mm×1 000 mm。

5 刷架及碳粉收集裝置方案

5.1 結(jié)構(gòu)及功能簡(jiǎn)介

新型刷架及碳粉收集裝置由如下5 大部份組成：

（1）密閉的碳粉收集系統(tǒng)

在集電環(huán)上安裝一個(gè)強(qiáng)度大、不易變形的非金屬絕緣材料制作的集塵罩，集塵罩與集電環(huán)組成一個(gè)封閉空間，碳粉被限制在封閉空間內(nèi)。

（2）碳刷及刷握裝置

采用可帶電拆卸刷握方式，刷握彈簧使用恒壓彈簧，并使用優(yōu)質(zhì)碳刷。

（3）碳粉回收處理系統(tǒng)

每臺(tái)機(jī)組安裝 2 臺(tái)碳粉吸收器，風(fēng)量滿(mǎn)足吸碳粉、降溫要求，風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪音不得大于75 dB。

（4）管路連接系統(tǒng)

風(fēng)管用耐熱、防老化的軟管制作，用支架固定住風(fēng)管。

（5）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)能夠手動(dòng)和自動(dòng)控制粉塵收集系統(tǒng)的運(yùn)行，其結(jié)構(gòu)包括所需要的繼電器、定時(shí)器和其它裝置。

圖1 刷架及碳粉收集裝置安裝圖

圖2 碳粉收集裝置電氣原理圖

在發(fā)電機(jī)上采用了新型刷架及碳粉收集裝置后可實(shí)現(xiàn)如下4 個(gè)優(yōu)勢(shì)功能：

（1）有效收集集電環(huán)與碳刷摩擦產(chǎn)生的碳粉，避免碳粉堆積造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣下降，降低轉(zhuǎn)子發(fā)生接地故障的風(fēng)險(xiǎn)，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）有效排走集電環(huán)與碳刷摩擦產(chǎn)生的熱空氣，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，收集裝置吸走碳粉的同時(shí)，也吸走熱空氣，降低集電環(huán)運(yùn)行溫度。

（3）集電環(huán)室干凈，便于查看集電環(huán)運(yùn)行情況。

（4）實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，帶電更換碳刷。

5.2 工作原理

在集電環(huán)上安裝一個(gè)集塵罩，集塵罩與集電環(huán)組成一個(gè)封閉空間，碳粉被限制在封閉空間內(nèi)。碳粉收集裝置吸出碳粉，避免碳粉堆積造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣下降，降低轉(zhuǎn)子發(fā)生接地故障的風(fēng)險(xiǎn)，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

收集裝置吸走碳粉的同時(shí)，也吸走集電環(huán)與碳刷摩擦產(chǎn)生的熱空氣，外部空氣不斷進(jìn)入，形成循環(huán)風(fēng)，降低集電環(huán)運(yùn)行溫度。改造后設(shè)備示意圖3、圖4。

圖3 集塵罩碳刷及風(fēng)管

圖4 集塵罩及風(fēng)管

6 結(jié)語(yǔ)

2019～2023 年期間，草街電站完成了4 臺(tái)機(jī)組集電環(huán)系統(tǒng)改造。機(jī)組運(yùn)行至今，通過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)集電環(huán)系統(tǒng)各方面性能均得到了明顯的提升。機(jī)組散熱、通風(fēng)性能得到提升，降低了碳刷及集電環(huán)的磨損；集電環(huán)表面未出現(xiàn)附著碳粉氧化層的情況；碳粉收集效果明顯，集電環(huán)室未出現(xiàn)碳?jí)m；技改后實(shí)現(xiàn)帶電更換碳刷，不需停機(jī)，汛期減少了停機(jī)消缺的時(shí)間，大幅提升機(jī)組高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。