田湾河流域金窝一号机组集电环磨损原因分析及技术改造

2019-01-14李朝全

通信电源技术 2019年6期

李朝全

（四川川投田湾河开发有限责任公司，四川成都 610213）

0 引言

田湾河流域金窝电站一号机组属于高水头冲击式机组，最大运行水头619.8 m，建成后属当时亚洲最高水头的冲击式机组，发电机采用了广州电器科学研究院进口瑞士ABB公司生产的UNITROL5000系列的A5S-A/U231-D2000型可控硅全控桥整流自并励静止励磁装置。机组自投产发电以来为公司、社会创造了良好的经济效益，但机组励磁系统集电环磨损较为严重，影响机组的安全稳定运行。因此，本文对机组励磁系统集电环磨损的原因进行了归纳总结，并提出了技改方案。

1 集电环磨损的原因总结、分析

第一，选用的碳刷与集电环不匹配，造成滑环工作面磨损。机组并网发电后集电环运行正常，集电环与碳刷配合研磨正常，接触良好，经过一年春夏秋冬四个时节不同温度环境变化的考验以及经历了不同工况、不同励磁电流的情况，均运行稳定，但自从机组检修后开始部分更换同型号的碳刷，便出现了集电环及碳刷的磨损，且其相互磨损逐渐加剧，究其原因主要表现在两方面。一方面，集电环材质与选用碳刷材质不匹配。选择碳刷要以集电环材质为基础去计算摩擦系数，从而达到理想摩擦匹配，并同时满足载荷电流密度。由于更换的碳刷材质、工艺都进行了改进，碳刷料坯的粉末冶金成型中石墨、铜粉及红丹粉等成份比例发生了变化，烧制工艺也发生了变化，如烧结由8温段烧结提高到10温段烧结，造成了二者摩擦系数增大，导致过度磨损碳粉飞扬并堆积，造成放电，在烧灼电流的不断侵蚀下磨损加剧[1]；另一方面，弹簧的压力过大/过小。经过观察、统计，集电环部分位置出现了光亮的凹面或凹槽，但没有明显的电灼伤迹象。这是由于碳刷弹簧的压力过大/过小造成的，即碳刷材质、工艺的改变导致了相同形成的弹簧作用在不同材质配比的碳刷上应力的改变，从而导致了集电环工作面与碳刷磨损的加剧。

第二，集电环粗糙度太低，造成集电环与碳刷的相互磨损加剧。集电环与碳刷经过长期的磨合后，集电环的粗糙度就会下降，即工作面变得很光滑。当集电环粗糙度太低时，碳刷与集电环工作面易造成相离，导致工作面长期经受小电流的电蚀伤害，同时工作面太光滑，工作面失去对碳刷的吸附性，也会产生一定背离，使碳刷底面出现电蚀，导致工作面磨损。

第三，使用环境特别恶劣。潮气+导电粉尘密度很大时，集电环与碳刷间的小电弧灼烧加剧二者磨损，加之金窝一号机组由120 MW增容至140 MW，随着励磁电流的增加，加剧了二者的磨损。绝缘材料密度不足，电性能欠佳，或表面憎水性不好。金窝电站位于高山区域，年平均气温较低，凝露或潮湿致使绝缘阻值降低，造成相间小电弧不断放电。金窝机组又属于高水头、高转速机组，在高转速下碳刷的磨损加剧后，碳粉堆积严重，再次降低了绝缘性能，进一步加大了小电弧灼烧的能力，使集电环与碳刷的磨损加剧。金窝机组由120 MW增容至140 MW，随着励磁电流的增加，集电环运行电流长期在大电流情况下运行，超过了碳刷原来设计的额定电流，会使集电环表面金属蒸发加剧。随着金属蒸发加剧，集电环表面机械磨损增大，同时发生表面退火，集电环硬度就会下降，形成恶性循环[2]。因此，超碳刷集电环的额定运行电流是造成集电环磨损严重的主要原因。

第四，集电环正、负极性对调频率太低。按照发电机运行规程及检修维护规程要求，发电机集电环极性应视机组运行工况的不同，至少每年对调一次，以使集电环两端磨损基本一致。集电环磨损，既有机械磨损，也有电气磨损。因电弧的高温和放电等因素作用，使集电环极面材料受损坏的电气磨损存在，从而使集电环的接触面受损，进而产生摩擦的机械磨损。碳刷和滑环的接触面流过励磁电流时，导电的位置不断变化，加上电流密度很大，就会使一些位置点温度升高较快，进而形成局部高温；高温又会使集电环极面熔化、脱落，金属变成金属蒸汽，碳刷结构被破坏，并因氧化腐蚀而脱落。励磁电流作用下，集电环正极表面局部因高温、电弧灼热而蒸发出金属蒸汽，使正极表面受损，即正极蒸发；负极因受高温作用和正离子的撞击而发射电子，使负极表面也遭受损坏，即负极粉化。因为正极蒸发和负极粉化的存在，当电流由碳刷流向滑环时，使得碳刷接触面不断地发生微小程度的阳极蒸发，碳粒、石墨离子游离到滑环表面，碳刷呈现出电气磨损的表现；随着阴极粉化在滑环表面的不断发生，使得滑环表面附着越来越多的碳粒、石墨，光泽的镜面变得粗糙，从而产生了长期的机械磨损。

2 提出解决方案取得理想的效果

为彻底解决了金窝一号机组自投及产以来一直存在的集电环、碳刷磨损严重的问题，采取了更换绝缘性能更好的带碳粉吸收装置的按140 MW运行励磁电流设计的全封闭式集电环，采用了以集电环材质为基础计算摩擦系数且满足载荷电流密度的碳刷进行匹配，也特意选择了更加适合高转速机组、更耐磨的微粉尘型碳刷，合理安排集电环对调周期等措施进行综合处理，技术改造方案如下。

（1）采用了东方电机股份有限责任公司的以行业标准《大型交流电机集电环与刷架》为基础按照140 MW机组额度励磁电流并保留一定裕度设计的集电环，并提出将新集电环改造成螺旋通风槽结构形式，便于通风散热，并防止产生气垫效应；将上、下集电环支撑绝缘子距离加大，绝缘加厚，结构形式采用凹弧形便于维护擦拭；根据原导环设计，增加导电环导电截面积，降低导电环电密，导电环结构应考虑运行安全可靠、检修维护方便；集电环能提供刷架吊杆和绝缘杆，刷架吊杆绝缘垫圈改成带裙边结构，绝缘垫厚度及绝缘套长度均应增加，以增加刷架吊杆绝缘强度；提出厂家对对集电环表面粗糙度进行预处理，将粗糙度调整为Ra0.8，新集电环自带两台碳粉吸收装置，以最大可能地减少碳刷磨损以及集电环磨损后粉尘加重集电环、碳刷的再磨损形成的恶性循环，并减小维护工作量，节约人力及设备成本。

（2）碳刷选用上海摩根碳刷股份有限公司生产的符合本次技改碳刷材质、额度电流、电流密度及耐磨要求的优质产品EGOR，额定电流密度0.1 A/mm2，为天然石墨碳刷，长度100 mm，电刷为32 mm×25 mm×100 mm，并适合高转速机组且耐磨性能高，碳粉污垢少；因带电拆卸刷握具有在带电运行状态下可方便更换电刷的功能，且具有锁定电刷和指示电刷磨损情况的功能，所以本次技术改造方案特别提出将碳刷刷握改为带电拆卸形式；提出刷握弹簧对电刷的规定压力满足国标要求同时满足机组增容后电磁应力作用要求；要求提供相应配套刷握、弹簧卡、插拔及绝缘套备件各15个，以便在日后运行过程中更换时能保证碳刷的材质、弹簧应力属于相同标准。

（3）根据机组的运行情况、大小修安排定制合理的集电环正、负极性对调频率及计划。如果按照发电机运行规程及检修维护规程要求，发电机集电环正、负极应视工况每年进行不低于一次对调。由于发电机的实际运行工况变化较大，按要求每年对集电环正负极进行不低于一次调换较难实现，况且不同时间间隔进行的调换统计的误差也较大，因此本次技改方案采用了按大修计划来对换集电环正、负极性，实际执行更容易实现，且大修周期时间间隔相对比较固定，可使两端集电环磨损比较平衡，有利于设备管理。

（4）再次明确集电环和碳刷的运行监视要求及维护工作。运行中，集电环应保持清洁，必要时增加擦滑环的次数及频率，使滑环粗糙度应不低于Ra0．80 ixm，偏心度误差不能大于0．041Tlln；运行中要监视、测量及调整发电机整流桥的均流度和碳刷温度，运行人员次巡检均需要检查发电机整流桥的均流度和碳刷、滑环温度，发现异常和超标时应及时处理；运行中要定时检查和调整碳刷弹簧的力度，使弹簧受力基本一致，无太紧或太松情况，发现弹力不合格的弹簧应及时更换。调整碳刷和刷架之间的空间，使碳刷在刷架内跳动灵活、无卡涩；刷架与集电环之间的距应保持在2～3 cm；若距离不够，刷架及集电环表面均易磨损；若距离偏大，碳刷易出现大幅摆动或跳动，使磨损加剧。

经过三年的运行观察，经本次技改后金窝一号机组集电环、碳刷磨损严重的问题得到了较好地控制，三年仅更换了三根碳刷，且转子一点接地电阻值长期保持在500 kΩ以上较好绝缘状态运行，达到了本次技改的目的。