大型抽水蓄能发电机碳粉问题分析

刘 宇，张兴旺

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

大型抽水蓄能发电机碳粉问题分析

刘 宇，张兴旺

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

介绍了国内某大型抽水蓄能发电机实际运行过程中，出现的碳粉多，四处飞逸的情况，从各部件的结构特点到运行的电气特性进行了全面分析，并给出了具体的解决办法，成功解决了问题。

集电环；刷架；弹簧；电刷；吸尘装置

0 引言

国内某大型抽水蓄能电站2010年12月第一台机组投入运行，2011年12月全部机组投产发电，机组运行初期，多次发生轴绝缘电阻低而报警停机事故。停机检查时发现集电环表面、顶轴轴领处附着较多的碳粉及油雾的混合物，磁极表面及定子通风沟也附着较多的碳粉。根据此情况，厂家组织技术人员对各部件的结构进行了详细的排查，最终解决了这个问题。

1 问题分析

发电机普遍采用静止励磁系统，通过励磁电缆、电刷、集电环及转子引线将励磁电流传递至磁极线圈，在水轮机拖动下，磁极线圈产生旋转磁场，旋转磁场切割定子线棒产生电流；其中集电环是旋转部件，电刷静止部件，如配合不好，可导致碳粉较多或打火等问题，如图1所示。现就该电站碳粉严重问题可能存在的原因进行分析。

图1 集电环表面碳粉

1.1 集电环：表面粗糙度越小，摩擦系数越小，电刷磨损率越低，磨损就越小，该电站集电环表面粗糙度为Ra1.6，粗糙度偏大；另外由于该机组集电环外圆表面圆周速度约23m/s，速度较高，表面设计了螺旋沟槽，但螺旋沟槽倒0.4mmX45°直角，倒角偏小且直角边缘锋利，加速了电刷的磨损。

1.2 刷架：由于刷架上固定刷握孔加工偏差，使电刷中心线并非完全垂直于集电环切面，有一定的倾斜角度，倾斜角度势必造成电刷接触不良；同时刷架刚度若不足，在运行过程中有轻微震动，刷架的震动会影响到电刷在刷握里面的震动，也会加剧电刷的磨损。

1.3 弹簧：电刷与集电环的接触靠弹簧压力决定的，弹簧压力过大，会使电刷的机械磨损增大；弹簧压力过小，虽然电刷与集电环间摩擦力小了，但电刷与集电环接触不良，电气磨损将增大且容易产生火花，电刷磨损与弹簧压力关系见图2，可见需选择合适的弹簧压力。

图2 电刷磨损和弹簧压力的关系

1.4 刷握：电刷装入刷握内要保证能够自由移动，电刷与刷握内壁间隙在0.1～0.3mm之间，以避免电刷和刷握之间因间隙过大而产生摆动，如间隙过小，机组运行中电刷发热膨胀会卡死在刷握中。

1.5 电刷：电刷的主要物理参数有电阻率、抗折强度、硬度、密度，通常抗折强度、硬度越大，电刷越耐磨。

1.6 电流极性：当电流由电刷流向集电环时，此时电刷为正极，集电环为负极，电刷面上发生微小程度的阳极蒸发，碳粒、石墨离子迁移到集电环表面，电刷有电气磨损。集电环表面有轻微的阴极粉化，并附着碳粒、石墨、成润滑、光泽的镜面。由于集电环表面平滑，机械磨损较小，当电流由集电环流向电刷时，此时电刷为负极，集电环为正极，电刷面上发生阴极粉化，电气磨损小。集电环表面发生阳极蒸发。大量金属蒸发，使其表面损蚀严重，表面变得粗糙，使电刷磨损增大，如图3所示。

图3 电流极性与电刷极性的关系

1.7 周围环境：在空气中氧气、水分及环境温度适宜的情况下，会在集电环表面形成一层金属氧化物-氧化亚铜。氧化亚铜使电刷与集电环的接触电阻增加，减小了电刷与集电环接触电流的变化。同时，电刷与集电环摩擦产生的微粒及石墨薄膜层，具有润滑作用，可减少电刷与集电环的摩擦。

1.8 吸尘装置：吸尘装置由吸尘器、吸尘罩、管路组成。其中吸尘器的风量、风压是十分重要的参数，选择合适的风量和风压，可以达到最佳的吸尘效果；另外吸尘罩和管路也应具有一定的密封效果，减小粉尘逸出。

2 解决措施

经过现场对以上可能发生的原因逐一进行核对，提出了如下的改进措施。

2.1 重新抛光集电环表面，提高表面粗糙度至Ra0.8，同时加大螺旋沟槽的倒角并去除尖角毛刺。

2.2 更换性能参数更适合抽水蓄能机组正反转工况的电刷，同时选用与其配套的恒压弹簧及刷握。

2.3 集电环外圆表面圆周速度偏高，具有一定的离心风扇作用，虽然设计有刷挡，但吸尘装置产生的负压及流量无法与集电环的离心风扇作用相抗衡，导致部分碳粉飞逸到周围环境中。因此在每个刷握处增加一个吸尘罩，使碳粉尽量落在一个封闭的环境，利于吸尘器吸走。

2.4 根据碳粉吸尘装置结构，建立包括连接软管、环形粉尘通道等风阻元件的计算网络，重新选定合适风压、风量的大功率吸尘器。

2.5 改善滑环室内通风散热条件，使滑环室内各部件产生热量及时散发出去。

2.6 加强定期检修，主要包括：集电环和电刷运行是否平稳，有无异常噪声，是否有污物堆积，集电环摩擦面是否有不正常的磨痕等。

3 结语

随着发电机励磁电流的增大和集电环旋转线速度的增加，电刷粉尘污染和电刷磨损现象日益增多，针对国内某抽水蓄能发电机出现的碳粉四处飞逸的问题，本文进行了非常全面分析，并且制定了解决办法，实际应用之后，成功的解决了碳粉四处飞逸的情况，排除了安全隐患，对机组的安全运行提供了可靠保障。由此可见，本文提出的分析方法亦可对其他电站类似情况的分析和处理提供帮助。

[1] 白延年.水轮发电机设计与计算.北京：机械工业出版社.1982.

[2] 陈锡芳.水轮发电机结构运行监测与维修.北京：中国水利水电出版社，2008.

[3] 丁洪波.水轮机接力器压紧行程试验与调整.防爆电机，2014.3.

Analysis on Carbon Dust Problem for Large Pumped-Storage Generator

LiuYuandZhangXingwang

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

This paper introduces excessive and scattered carbon dust problems occurred in actual operation of a domestic large pumped-storage generator-motor, comprehensively analyzes all parts from structure characteristics to electrical characteristics, and gives the specific solutions to successfully solve this problem.

Slip ring；brush rocker；spring；electric brush；dust collection device

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.09

TM307+.1

B

1008-7281(2017)02-0028-002

刘宇 男 1982年生；毕业于合肥工业大学电气工程及其自动化专业，现从事水轮发电机设计工作.

2016-10-18