大型水轮发电机滑环装置电流分布规律研究

李汶珈，陈 锋，张世璐，卢小琴

（中国长江电力股份有限公司白鹤滩电厂筹建处，四川 凉山615400）

0 引言

大型水轮发电机组滑环系统在汛期运行时会出现各种滑环装置系统过热故障，可能导致转子接地、极间短路、发电机失磁等故障，危及机组和电网的安全运行。某电厂在汛期出现碳刷刷盒大面积融化故障（图1），严重影响机组安全运行。目前滑环装置巡检为人工巡检，故障发现并处理极为滞后，过热故障被发现时往往已经存在不可逆的损坏，机组安全运行风险很高。

图1 刷盒本体融化

碳刷载流密度计算时，默认电流完全经过刷辫流入碳刷，碳刷首尾两端电流密度相同。但机组在运行时，电流有一部分会经过刷盒再流入集电环，此时刷盒与碳刷之间存在放电间隙（弹跳间隙和静态接触间隙），导致碳刷出现故障时（碳刷卡涩或碳刷刷辫老化）会发生因间隙放电导致刷盒过热融化的故障（图1 和图2）。因此通过对滑环装置电流分布规律进行探究，研究预防滑环装置过热故障的方法十分有必要。

图2 刷盒边沿融化后形成毛刺

1 碳刷电流的等效电路及过热分析

1.1 碳刷电流等效电路

为便于分析将碳刷分为3 个部分（A、B、C），假设A 部分刷辫电流为部分电流为I1’和Ia之和，C 部分电流为之和即I1，如图3。

电化石墨（E468）电阻率为20 μΩ·m，是铜电阻率的1 000 倍，系统接触电阻远大于碳刷电阻与铜导体电阻，因此在等效电路中阻抗主要体现为接触电阻，假设刷辫与碳刷的接触电阻为R1，刷盒与碳刷的接触电阻为R2，集电环环面接触电阻为R0。并将正常碳刷电流通道分为两条：①刷座、刷辫、碳刷至集电环即I1’；②刷座、刷盒、碳刷至集电环即Ia与Ib之和（图4）。当碳刷刷辫老化或断裂时刷辫电流通路被阻断，此时电流主要通路为Ia与Ib之和。

图3 碳刷区域分类

图4 正常状态等效简化电路

1.2 碳刷过热分析

碳刷刷辫在碳刷中为预埋件，生产时与碳块同时进行压制成型，接触电阻R1远小于刷盒与碳刷之间接触电阻R2。可推导出碳刷正常状态时：

即：碳刷正常状态时，电流主要流经通路①，不会出现因接触电阻大发生过热故障。

当碳刷故障（刷辫老化或断裂）状态下，接触电阻R1增大或增大至无穷，此时电流主要流经通路②，励磁电流不变时，接触电阻R增大，即发热量Q故障大于Q正常。假设此时再出现刷盒与碳刷接触间隙放电故障，将会使刷盒与碳刷接触部位产生大量热量导致刷盒烧融。

2 单个碳刷电流通路试验

2.1 试验平台条件

（1）试验前对集电环环面进行研磨，保证环面光洁度不小于Ra1.6。

（2）集电环正负极各安装一只碳刷进行适配，保证碳刷与集电环动态接触面积不低于75%，碳刷表面无明显划痕。

（3）正负极各装一只试验碳刷，施加100 A 直流电流，保持环境温度在50℃～60℃之间，试验平台动态运行2 h 以上，直至建立氧化膜。

图5 滑环装置试验平台

2.2 试验方法

利用试验平台设置3 组对照试验，研究不同电流通路情况下集电环的发热情况，3 组情况分别为：碳刷与刷握正常连接、刷辫与刷握断开、刷盒与碳刷绝缘。

表1 3 组对照试验情况

2.3 试验记录

试验记录如表2 所示。

2.4 试验结论

根据表2 中数据，绘制环面温度随电流变化趋势图和接触电阻随电流变化趋势图，如图6、图7。其中线条1 为正常工况电流流经通路①和②，线条2 为断开刷辫电流只流经通路②，线条3 为刷盒绝缘电流只流经通路①。

同种工况下（同一电流下），断开刷辫后（电流只经过通路②）的环面温度远高于正常状态下的温度（图6）；刷盒绝缘后（电流只经过通路①）的环面温度随着电流增加由低向高逐渐趋近正常状态下的环面温度（图6）；断开刷辫后（电流只经过通路②）的接触电阻高于其他两种情况（图7），单位时间内发热量越大，与环面温度变化趋势（图6）结果 一致。

表2 不同电流通路情况下集电环温度记录

图6 环面温度随电流变化趋势

由试验结果可知碳刷正常工况下刷盒是否绝缘对滑环装置温升及总阻抗影响较小，刷盒包裹绝缘时断开刷辫，电流通路被阻断刷盒不会出现发热情况。当碳刷正常工况下断开刷辫时环面温度会迅速升高并远高于正常温度。

图7 接触电阻随电流变化趋势

3 结论

碳刷正常工作时，滑环装置系统不会发生过热故障。刷辫故障时，刷盒与碳刷接触部位会产生大量热量，使滑环装置出现过热现象。经过试验研究可通过以下两种措施进行预防：

（1）在刷盒内壁使用绝缘耐热材料，阻断电流通道②，消除刷盒与碳刷接触部位过热故障。

（2）通过在线监测手段对碳刷电流、温度等运行参数进行监测。

通过方式（1）阻断刷盒与碳刷之间的电流通路，当单个碳刷刷辫故障时不会出现刷盒过热故障，电流会平均分布到滑环装置其他碳刷上。但出现大面积碳刷刷辫故障时，滑环装置其他正常碳刷载流密度会过高，导致碳刷及滑环装置过热，恶性循环导致滑环装置出现环面灼伤和碳刷打火等故障，不能彻底预防滑环装置过热故障。通过方式（2）在滑环装置安装在线监测系统重点监测碳刷电流、碳刷温度、集电环温度等主要参数，设置合理的报警值，在系统出现过热故障初始阶段发出报警信号，可以将故障消除在温度升高的初期，避免缺陷处理滞后及过热故障扩大。