水轮发电机组滑环打火原因分析

2022-06-01向天航谢红波薛长奎薛小明

水电与新能源 2022年5期

向天航，谢红波，薛长奎，薛小明

(1. 中国长江电力股份有限公司，湖北宜昌 443002；2. 东方电机有限公司，四川德阳 618000； 3. 淮阴工学院，江苏淮安 223003)

发电机组滑环装置由励磁电缆、刷架、电刷、刷握和集电环等部件构成，其作用是通过静止的电刷与集电环环面接触，将励磁电流送入转子绕组，该装置的性能好坏直接影响到励磁电流能否顺利地送入转子绕组，从而影响发电机的稳定运行。

滑环装置打火是发电机滑环装置运行过程中常见的缺陷之一，若不及时消除，可导致发电机滑环大面积打火，对发电机组安全运行造成直接威胁，严重时还会被迫停机。就大型发电机而言，紧急停机不仅造成系统出力下降，影响系统稳定运行，而且对发电机组本身也将产生危害[1]。

1 滑环装置近年运行情况简介

统计某大型水电站22台机组从2008年至2019年滑环打火次数，统计情况如图1所示。

图1 滑环装置打火次数统计图

根据图1可看出，发电机滑环打火次数从2008年的48次降低到2011年以后每年10次以下，这说明对滑环装置进行的设备改造和日常维护等工作，在降低滑环打火次数、保障发电机组稳定运行等方面发挥了良好的作用。

2 滑环装置改造

滑环装置的性能主要由集电环面的光洁程度、励磁电流的分布、恒压弹簧的压力、电刷的物理特性，电刷和集电环面接触的紧密程度等因素决定。

碳刷选型、碳粉堆积较多、受油器滴油、碳刷与集电环表面接触不良等缺陷是导致机组滑环打火、临检次数增加的主要原因。针对机组滑环装置的缺陷，历年的设备改造和技术革新解决了滑环装置上出现的不少问题，大大降低了设备临检次数，所做的工作主要有以下几个方面。

1)刷架绝缘件改造。滑环室空间狭小，内部风路零乱，且刷架绝缘件设计爬电距离很小。滑环装置在长时间投运后，碳粉堆积在集电环和刷架上的绝缘件上，由于爬电很容易造成滑环极间或对地短路。更换机组刷架的绝缘件(伞裙状)后，增加了碳粉堆积的爬电距离，从而解决了碳粉堆积问题。

2)选择天然石墨碳刷。原选用的摩根NCC634碳刷，其碳刷材料固有特性决定了电刷不能有效抑制打火发生。基于这种原因，将碳刷更换为摩根D172，并在设备改造过程中，逐步将其更换为广东SHUNK-E468碳刷，该碳刷采用天然石墨材质，具有密度小、气孔率大，所以能够有效地抑制打火现象的发生[2]。

3)加装挡油杯。由于该电站机组的受油器安装在滑环装置上部，且滑环装置的下端又是上导油槽，所以整个滑环室存在有严重的油雾及油滴情况。加装挡油杯主要目的是接挡受油器通过基础通心螺孔流出的滴油，可有效降低油雾及油滴对滑环装置的影响。

4)励磁电缆引入点改造。励磁电流靠刷架的导电环传递，这就造成了电刷间电位分布不均匀，尤其是励磁电缆引入点附近的电刷磨损的非常快。对东方厂机组励磁电缆引入点由一点改为二点后，相对减少电刷间的电位差，使电刷的电流分布更均匀。

5)励磁电缆改造。在滑环室比较恶劣的条件下运行了10多年的励磁电缆(BX-185)普遍绝缘损坏，现已在机组A级和B级检修中全部更换新励磁电缆(JHGX-185)，该电缆为硅橡胶电缆，具有更高的绝缘耐压水平，可适应滑环室内运行条件。

6)恒压弹簧更换。该电站未增容改造机组滑环装置使用的恒压弹簧压力为：1.2～1.6 kg。但在运行20年来恒压弹簧已疲劳，恒压弹簧压力不符合标准，现随机组增容改造正在逐步更换。

7)集电环削磨。在多年的运行中集电环表面有严重的麻点和凹沟，它将导致运行中电刷在刷握中跳动或卡滞，可能导致接触不良产生发热现象，甚至会出现火花和起火等严重后果，对检修机组集电环的实际情况进行削磨处理，可使接触面更加平滑，降低接触电阻，防止出现打火。

8)对刷架接触面采取镀银技术。为彻底解决碳刷电流分布不均和刷架接触面过热问题，采用了在刷架接触面实施镀银技术，以提高接触面的导电性、抗氧化性能及抗腐蚀性，创新地解决了钢件作为导流件接触电阻过大的问题，实施后效果良好，极大地降低了刷架、碳刷、集电环的运行温度，保证了机组长期安全稳定运行。该项技术创新荣获了集团公司职工技术创新成果二等奖。

9)增加碳粉吸收装置。收集碳粉是碳粉收集装置的主要作用，将碳粉收集于指定位置，以便在不停机的状态下对所收集的碳粉进行处理。碳粉收集系统应具备一定的密闭性，这样可以将油雾和碳粉隔离，从而避免油性碳粉污垢的形成，使发电机滑环室内各绝缘部件的绝缘性能得到一定程度的保护。碳粉收集装置的隔离腔可以隔离滑环室内的油雾和碳粉，起到了保护集电环装置的作用。碳粉收集装置是通过控制空气的流向带走碳粉，通风系统还有利于集电环系统的散热[3]。

现该电站增容改造后机组均采用了碳粉吸收装置，该装置对吸收碳粉和隔离油雾起到了一定的作用。增容机组采用了阿基米德螺旋线槽的集电环，集电环表面开线槽可以消除接触面的气膜，有利于滑环整体散热，使电气接触达到最佳状态。采用了带绝缘手柄的电刷，方便了对电刷的检查和维护工作。在后续的机组的增容改造工作中，可以采用这些改进措施。

3 日常维护改进

要避免发电机滑环打火，同样离不开日常的巡检维护工作。巡检工作安排为汛期一周巡检2次，每周测温1次，非汛期一周巡检1次，每月测温1次，对温度较高的发电机组会增加巡检和测温次数，并进行重点检查。

在日常巡检中，需要特别关注碳刷磨损长度和刷辫是否有断股情况，当碳刷长度小于总长度的1/2或电刷有1/4刷辩断股时，需要及时更换碳刷。巡检时需检查所有电刷接触情况，判断电刷在刷握里运行是否发涩、电刷磨损是否过大、压紧弹簧是否存在安装位置不对、脱落或压力不够，检查新电刷接触面是否达到3/4以上。通过电筒反光初步判断集电环表面凹槽及清洁情况，判断滑环污染等级，检查滑环装置运行情况，记录设备运行状况，并根据需要对滑环装置及时进行清扫。

以上这些检查工作，使滑环装置在良好的工况下稳定运行，保证同一滑环每个碳刷与集电环的接触良好，减小每个碳刷的阻值偏差，使励磁电流均匀的通过每个电刷，从而避免个别碳刷出现温度过高甚至打火的情况。

在汛期发电高峰时，还需要在深夜用电负荷较低时对滑环装置进行清扫，参与清扫工作人员克服滑环室内高温，在炙热的工作环境下保质保量的完成了每一次的清扫工作，有效的减少了滑环打火次数，为发电机组稳定运行，付出了不少的幸苦和努力。

根据发电机滑环装置维护工作总结，发电分部编写了发电机滑环装置打火带电处理作业指导书，确保了在带电情况下，安全正确的处理滑环装置出现的缺陷。

4 进一步改进建议

1)受油器漏油问题凾待解决。由于该电站机组存在着受油器安装在滑环装置上部，而且滑环装置的下端又是上导油槽，所以整个滑环室存在有严重的油雾或油滴情况。在这种环境下运行，尤其是电刷的安装是采用圆周平铺方式，刷架的上方又正好有受油器的基础通心螺孔，电刷、励磁电缆集油情况是相当普遍的，运行的后果是电刷磨损较快和严重，碳粉堆积稳固并能形成油腻，降低了滑环装置的绝缘性能，是造成滑环打火的主要原因之一[4]。

建议增加滑环室油雾吸收装置，避免油雾或油滴影响滑环装置正常运行，同时方便进行检查和维修。

2)加装油雾分离装置。目前仅14F、15F、20F机组安装了油雾分离装置，但是效果一般，原因是接收油滴的范围较小，未能覆盖整个滑环装置正上方，建议对油雾分离装置进一步优化，改善滑环装置运行环境。

3)作业规程修改。国家能源局发布的新版“二十五项反措”中规定不得在滑环装置带电时作业，给日常维护工作带来许多不便之处，例如更换碳刷，建议在不违背规定的情况下，制定出相应的作业规程，保证日常维护工作安全顺利的进行[5]。