溧蓄发电电动机导电滑环装置运行可靠性分析

肖先照

(江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司，江苏常州 213334)

0 引言

导电滑环装置是整个励磁回路的重要组成部分。导电滑环装置中集电环温度过高、碳刷打火、碳刷和刷握烧毁以及碳粉过多导致集电环短路烧毁是水轮发电机组常见的问题[1-5]。此类问题时常发生，严重威胁到发电机组的安全可靠性。

溧阳抽水蓄能电站(简称“溧蓄”)装有6台单机容量为250 MW的混流式水泵水轮机-发电电动机组，为哈尔滨电机厂有限责任公司生产。发电机为立轴半伞式全空冷发电电动机，额定转速为300 r/min，额定励磁电压为278.9 V，额定励磁电流为1 576.6 A。导电滑环装置位于顶轴上方的顶罩内，两极共设置34个碳刷，每极17个，碳刷尺寸为38 mm×34 mm×60 mm，型号为E468。具体结构如图1所示。

图1 导电滑环装置

1 碳刷和刷握烧毁问题

溧蓄机组在调试和投入商业运行后相继出现过四次导电滑环装置中碳刷或刷握烧毁问题。第一次为5#机组调试期间，停机过程中检查发现集电环下环处第8#刷握手柄着火，第7#刷握(手柄)燃烧后脱落。第二次为4#机组投入商业运行半年后，一次巡检过程中发现有3个碳刷烧损，其中2个刷握手柄的绝缘部分烧毁。第三次为6#机组投入商业运行10个月时，巡检过程中发现7#碳刷烧毁。第四次为1#发电机停机后第11#刷握着火，连带第12#刷握把手烧熔，碳刷和刷握烧毁分别如图2～4所示。溧阳电站多次出现碳刷刷握烧毁问题绝非偶然，关系到整个机组的运行可靠性。对四次碳刷或者刷握烧毁问题总结为：

(1)碳刷烧毁分为刷辫熔断和刷辫的绝缘套管烧毁两种情况。

(2)刷握的烧毁为刷握(手柄)绝缘部分燃烧后烧毁。

图2 碳刷刷辫烧毁

图3 刷握手柄烧毁

图4 刷握手柄燃烧

2 碳刷和刷握烧毁原因分析

碳刷和刷握烧毁原因很多，但本质都是碳刷过流较大，碳刷温度过高，过高的温度导致碳刷刷辫绝缘套管烧毁；较为严重的是刷辫高温熔断，更为严重的是刷辫熔断和刷握烧毁(刷辫燃烧导致刷握绝缘部分燃烧)。从刷架装配的设计布置、刷架的安装等方面分析碳刷过流大的原因。

2.1 设计方面

根据设备厂家提供的相关技术资料可知，集电滑环材质为Q345B，表面粗糙度为Ra0.8，线速度为21.2 m/s，非沟槽结构。碳刷选取E468电化石墨碳刷，碳刷的设计电流密度为0.072 A/mm2，碳刷铜刷辫的电流密度为4.6 A/mm2。然而根据设计规范及经验：E468碳刷电流密度应保证在0.05～0.15 A/mm2之间，最大允许圆周速度为50 m/s；集电环采用碳钢材质，圆周速度小于60 m/s时不用开沟槽。根据碳刷特性以及设备厂家几十年的设计经验，溧蓄发电-电动机集电环的设计、碳刷型号以及碳刷电流密度的选取均在设计规范内。因此，溧蓄几起碳刷和刷握烧毁问题并非设计原因导致。

2.2 安装方面

集电环处的摆度满足规范要求、刷架的水平度好、碳刷与集电环接触要随形。安装环节是碳刷与集电环接触良好、碳刷磨损均匀以及各碳刷电流分布均布的前提保证。相关数据表明：

(1)集电环处摆度值满足安装规范[6]要求。

(2)刷架水平度不合格，不平度达4 mm。刷架不水平导致碳刷与集电环接触不好，有的碳刷接触面积不到碳刷总截面积的1/5。这也是碳刷打火、集电环室环境温度较高的主要原因。

(3)刷盒距离集电环外圆距离没有调整，不均匀。距离不均匀导致弹簧片压力不一致，碳刷与集电环接触力不一致。

(4)安装前，碳刷表面没有磨出与集电环外圆配合的圆弧形。碳刷与集电环表面接触不好，电流分布不均匀，电流密度变大。

2.3 其它方面

碳刷在刷盒内运动时发生卡塞、碳刷与滑环接触不良、碳刷电流分配不均匀也会导致碳刷温度偏高。另外，集电环室内通风不好、环境温度较高，产生的热量不能很好地散热也会导致集电环和碳刷温度偏高。碳刷铜辫子绝缘套管和刷握绝缘部分采用易燃材料，铜辫子电流密度过大(没有充分考虑使用环境)也是碳刷和刷握烧毁的另一重要原因。

3 处理措施

针对上述分析原因，采取如下处理措施：

(1)调整刷架的水平，保证平面度不大于1 mm。

(2)用专用工具将碳刷与集电环接触面打磨成圆弧，保证碳刷与集电环贴合紧密。

(3)调整刷盒在刷架上的位置，保证弹簧压力均匀，碳刷与集电环接触良好。

(4)保证集电环室通风良好，改善运行环境。

(5)定期巡检，对碳刷和集电环检查。

(6)运用阻燃刷握，杜绝刷握的燃烧。

(7)运用碳刷在线实时监测装置。

(8)每极增加三套碳刷起降低电流密度作用。

上述措施在6台机组中实施一年来，没有再次出现碳刷和刷握烧毁问题。定期巡检测得碳刷温度在70～105 ℃之间(冬天温度低一些，夏天高一些)，集电环的温度略低于碳刷温度，集电环室环境温度在42 ℃左右，随着机组运行的时间长短略有变化。

4 结论

通过对溧蓄机组发电电动机四次碳刷和刷握烧毁问题的分析和处理，对阻燃刷握在机组的运用情况的跟踪，对碳刷在线测温装置监测数据的分析以及其它措施实施前后数据对比，了解到了碳刷温度偏高、刷握烧毁的本质原因。检修人员总结了一些碳刷和导电滑环装置检修和维护的经验和方法，这对提高导电滑环装置的安全可靠性起到了很大的理论和经验支撑作用。总结如下：

(1)目前碳刷与滑环接触表面氧化膜良好，碳刷磨损情况良好，也无碳粉导致转子接地问题。虽然碳刷温度偏高一些，但从实际情况来看并未影响到氧化膜的形成，也不影响导电滑环装置的可靠性。

(2)阻燃刷握的应用可以避免温度过高导致刷握及刷架烧毁事故，提高滑环装置运行可靠性。

(3)加强碳刷红外测温和碳刷在线实时监测，装置实施可以掌握碳刷温度变化规律，提前预防，降低事故发生的概率。

(4)严格把控刷架、刷盒、碳刷、恒压弹簧的安装质量，这也是提高滑环装置运行可靠性的有效措施。