抽水蓄能机组碳刷滑环状态清扫检修技术

巩 宇，张 豪，代 雄，杨铭轩

（南方电网调峰调频发电有限公司，广东省广州市 510630）

0 引言

抽水蓄能机组通常采用自并励静止励磁系统，即励磁变压器并联在发电机出口端或者出口端的系统侧，然后经励磁变压器降压，供给励磁系统可控硅，经整流后经过碳刷滑环将励磁电流送至发电机转子进行励磁[1-5]。在机组转子旋转过程中，碳刷磨损产生的碳粉会附着在滑环绝缘子上，滑环绝缘子容易出现污闪、转子一点接地、转子两点接地等故障[6-7]。碳刷磨损产生的碳粉也会附着在定子上，加速定子绝缘老化[8-10]。当机组带负荷时，由于碳刷上流过电流带来碳刷发热会加速碳刷磨损。抽水蓄能机组要求适应于系统功率变化而多工况频繁启停，也会加速碳刷的磨损过程。因此，需要对抽水蓄能机组经常性地开展碳刷滑环清扫工作。蓄能电厂碳刷滑环清扫工作中更换最频繁的是碳刷。由于清扫不及时最容易暴露的缺陷是支柱绝缘子因污秽带来的绝缘降低。本文关于碳刷滑环状态清扫工作研究的对象是碳刷的更换和支柱绝缘子的清扫工作。

过去缺少基于机组运行状态的碳刷滑环状态清扫技术，对于额定容量为300MW的抽水蓄能机组，需定期每三个月退备机组开展碳刷滑环清扫工作。然而，各机组在厂站中受优先权控制，有的机组运行较为频繁，有的机组运行较少的情况。全年各季度系统负荷的情况也不尽相同[11-13]。在汛期即迎峰度夏期间，机组启停较为频繁，运行时间也较长，经常会出现优先权在前的机组由于碳刷滑环清扫不及时，碳刷滑环绝缘子污秽严重绝缘不足，出现转子一点接地报警的情况。在其他季节，从机组碳刷滑环清扫工作的质检中发现，碳刷磨损不严重，机组过清扫带来过清扫的问题。

本文结合工程经验提供了一种基于机组运行状态的碳刷滑环状态清扫技术，综合考虑了机组旋转时长、机组带负荷时长、机组启停次数，为检修人员根据当前机组运行状态预测下一次开展碳刷滑环清扫工作日期提供了有效方法，也为碳刷滑环清扫工作提供了状态检修方法。本文可以有效规避机组过度清扫带来机组退备时间过长，也可以规避机组不及时清扫带来的安全隐患。此外本技术也对该方法进行了标准化和量化，可通过计算机多快好省的一揽子解决。

1 标准化的状态清扫方法

标准化的状态清扫方法步骤如图1所示。

图1 技术流程图Figure 1 Flowchart of proposed method

（1）从模拟量测点表中读取模拟量测点ID，模拟量测点ID集合M包含机组转速信号、机组负荷信号；

（2）获取机组每个统计周期运行状态的记录形成基于模拟量测点测值的历史统计；

（3）然后综合历史统计计算获得各机组碳刷滑环的状态指标Y；

（4）预测距离下一次开展碳刷滑环清扫工作的剩余日期QQday；

（5）当剩余日期QQday小于日期阈值δ时，提醒检修人员安排检修计划开展碳刷滑环清扫工作，开展碳刷滑环清扫工作后转（2）步。

统计周期可为日或月。综合历史统计计算获得各机组碳刷滑环的状态指标Y由以下公式计算获得：

（1）统计周期为日时：

（2）统计周期为月时：

（3）aday=amon=40%、bday=bmon=50%、cday=cmon=10%。

其中预测距离下一次开展碳刷滑环清扫工作的剩余日期QQday，由以下步骤获得：

（1）统计周期为日时：

（2）统计周期为月时：

（3）d为最近一次碳刷滑环清扫工作至今的天数，m为最近一次碳刷滑环清扫工作至今的月数，Q为启动碳刷滑环清扫工作阈值。日期阈值δ是30天。

碳刷、集电环的使用寿命与其单位面积的载流量、摩擦系数、接触面积、光滑程度等因素有关，考虑到单位面积的载流量、摩擦系数、接触面积、光滑程度等单个因素比较难量化，且这些因素会随着机组运行情况发生变化，本文研究中将这些因素综合等值为一个阈值Q。机组旋转时长、机组带负荷时长、机组启停次数是蓄能电厂运维中最容易获得的统计值，可用于量化碳刷的磨损积累。鉴于此本文提出，当机组运行时间达到一定水平时，即可启动碳刷滑环清扫工作。

启动碳刷滑环清扫工作阈值Q的可由以下步骤获得：

（1）将近一年机组历史碳刷滑环清扫检修中更换为新碳刷的碳刷长度减去下一次机组碳刷滑环清扫检修时相对应碳刷的测量长度，得出在每次检查窗口期碳刷的磨损量，并以集电环为对象，找出每个集电环上碳刷磨损长度的最大值。

（2）机组历史碳刷滑环清扫检修窗口期的碳刷最大磨损速度计算公式：碳刷最大磨损速度=碳刷最大磨损长度÷对应窗口期状态指标。

（3）启动碳刷滑环清扫工作阈值=机组碳刷最短剩余长度÷碳刷最大磨损速度。

2 机组运行时间计算方法

（1）遍历最近一个统计周期的机组转速信号的历史记录，将机组转速信号大于90%额定转速的时间段取出获得转速为正的时间段T正，计算时间段T正的累计时长获得机组正方向旋转的总时间TG；计算时间段T正元素的个数，获得机组正方向旋转的次数TGn；将机组转速信号小于-50的时间段取出获得转速为负的时间段T负，计算时间段T负的累计时长获得机组负方向旋转的总时间TP；计算时间段T负元素的个数，获得机组负方向旋转的次数TPn；将TP与TG进行相加，即获得机组转动持续时长TPG；将TGn与TPn进行相加，即获得机组转动总次数TPGn。

（2）遍历最近一个统计周期的机组负荷信号的历史记录，将机组负荷信号大于10的时间段取出获得负荷为正的时间段t正，计算机组负荷测值与时间段t正的积分后除以机组发电工况额定功率，获得机组发电工况的功率积分tG；将机组转速信号小于-10的时间段取出获得负荷为负的时间段t负，计算机组负荷测值与时间段t负的积分后除以机组抽水工况额定功率，获得机组抽水工况的功率积分tP；将tP与tG进行相加，即获得机组带负荷持续时长tPG。

（3）机组转动持续时长TPG、机组转动总次数TPGn、机组带负荷持续时长tPG即为基于模拟量测点测值历史统计。

3 碳刷滑环清扫标准方法

抽水蓄能机组碳刷滑环清扫的标准步骤如下：

（1）经调度批准后，将机组退备并布置安全措施。

（2）吊开上机罩。

（3）将所有碳刷拔出。

（4）检查各碳刷接触面的平整情况，若不平整则更换碳刷。

（5）测量各个碳刷的长度，每个碳刷的长度不得小于30mm，若小于则更换。

（6）用布浸泡无水酒精清扫刷架、刷握、励磁引接线头及支撑绝缘子。

（7）逐对装回所有碳刷，回装时需注意检查碳刷是否正确回装，刷握是否正确压紧碳刷，刷握与碳刷尾部接触部位有一突起尖端，该尖端应对准插入碳刷尾部凹陷位置；碳刷软辫是否被压住，碳刷软辫不应与刷握两侧塑料部分相接触。

（8）检查已无杂物或工具遗留于机罩内。

（9）解除安全措施并恢复机组。

4 实例分析

以下对广东某蓄能电厂2019年8月1日00：00至2019年8月2日00：00，1号机组刚完成碳刷滑环清扫工作后的监控系统信号进行实例分析。结合图1流程，本文技术包括以下步骤。

（1）应用大数据存储及处理技术，从图2 所示集团级设备状态监测系统的数据中心获取历史数据和实时数据，本文技术方法作为设备状态监测系统的一个应用。从表1 所示模拟量测点表中读取模拟量测点ID。

图2 设备状态监测系统架构Figure 2 Structure of equipment condition monitoring system

表1 模拟量测点表Table 1 Analog measuring point table

（2）获取机组每个统计周期运行状态的记录形成基于模拟量测点测值的历史统计如表2～表5所示。最近一个统计周期，取统计周期为日。

表2 转速历史记录Table 2 Speed history

表3 转速历史统计Table 3 Historical speed statistics

表4 负荷历史记录Table 4 Load history

表5 负荷历史统计Table 5 Load history statistics

（3）综合历史统计计算获得各机组碳刷滑环的状态指标Y：Y=Yday=40%×4.71+50%×4.59+10%×3=4.48。

（4）预测距离下一次开展碳刷滑环清扫工作的剩余日期QQday：QQday=900/4.48-1=200。

（5）当剩余日期QQday小于日期阈值δ时，提醒检修人员安排检修计划开展碳刷滑环清扫工作，开展碳刷滑环清扫工作后转（2）步。

QQday＞30天，暂不需提醒检修人员。

5 结束语

本文提供的抽水蓄能机组碳刷滑环状态清扫检修技术，为检修人员根据当前机组运行状态预测下一次开展碳刷滑环清扫工作日期提供了有效方法，也为碳刷滑环清扫工作提供了状态检修方法。技术可以有效规避机组过度清扫带来机组退备时间过长，也可以规避机组不及时清扫带来的安全隐患。