水轮发电机组集电装置的改造及应用

2022-06-28王永胜刘怀龙李兆斌

水电站机电技术 2022年6期

姚耀，王永胜，刘怀龙，李兆斌

（甘肃电投大容电力有限责任公司朱岔峡水电站，甘肃武威 733000）

0 电站概况

朱岔峡水电站位于甘肃省天祝县与青海省互助县交界的大通河干流扎隆口，是大通河青岗峡至金沙峡河段水电梯级开发的第三级电站。该电站为Ⅳ等小（Ⅰ）型水力发电工程，由重力式混凝土闸坝、引水隧洞、调压井、发电厂房、升压站等主要建筑物组成。朱岔峡水电站正常蓄水位2 211.00 m，设计水头38 m，设计总引用流量102 m3/s，发电厂房共安装有3台立轴混流式水轮发电机组，总装机容量34 MW，年设计发电量1.434亿kW·h，于2008年3月投产运行，是当地重要的电力输出单位。

1 水轮发电机组集电装置的原理

转子作为发电机的主要组成部分，作用是形成旋转磁场，最终在定子绕组中产生交流电能。要形成旋转磁场就必须在转子磁极上施加电流，静态励磁系统输出的电流是如何传递到旋转的转子上，答案就是发电机集电装置。它是由刷架、刷握、碳刷、励磁引线等固定设备与安装在发电机转轴上的集电环、转子引线等旋转设备共同组成，让电流由励磁系统输出，经励磁引线导入碳刷，并与旋转的集电环摩擦连接，最终通过转子引线流入发电机转子，形成旋转磁场。

图1 水轮发电机集电装置构件

2 发电机集电装置存在的问题

（1）超过十二年的长周期运行，发电机碳刷与集电环之间逐渐出现打火，并引起电击，造成集电环表面被电损蚀，光洁度严重变差，使碳刷与集电环接触不良，加剧碳刷的磨损，夏季发电机组满负荷运行时，碳刷与集电环最高温度接近80℃；

（2）碳刷磨损严重，造成集电装置各部堆积大量碳粉，如不及时清理，容易引发转子回路接地或短路故障，甚至可能引起发电机着火等重大安全事故；

（3）受刷握形式的限制，导致机组在运行过程中无法清理碳粉或更换碳刷，在机罩内狭小的带电空间作业，人员和设备安全都无法得到可靠保障，只能通过降低机组负荷或停机来处理，直接减少了发电量，造成经济效益受损；

（4）受集电环表面粗糙、机组振动等因素的影响，碳刷磨损过快，缩短了碳刷的使用寿命，增加了碳刷更换频次，从而造成设备材料成本上涨；

（5）清理堆积碳粉或更换碳刷的频次增多，直接加重现场运维人员的工作量。

3 发电机集电装置的改造思路

（1）针对电站发电机组集电装置的运行状况和改造需要，电站成立了技术攻关团队，做了细致的数据对比和研究论证，最终考虑在不更换集电装置刷架的前提下，仅对碳刷和刷握进行改造，用最少的材料成本、最短的施工周期达到改造效果。

（2）由于原刷握为一体式，刷握和碳刷引线牢牢固定在刷架上，更换碳刷或清理碳粉时，必须停电作业。为消除这一弊端，技术攻关团队从刷握结构上作出改变，研究设计采用组合式安装的刷握，将碳刷引线接于刷握本体，并装配绝缘手柄，通过操作手柄可将刷握整体拆下，换好碳刷后再整体回装，降低带电作业风险的同时也提高了发电经济效率。为了提高刷握性能，还需对刷握的表面做电镀处理，进一步增强导电性和抗氧化性，从而延长刷握的使用寿命。

（3）技术改造团队通过调研分析，基于接触力学机理的磨损方程计算得出式（1）：

其中：W—磨损体积；S—滑动距离；P—施加功率；Pm—材料的流动压力（约为材料硬度）；K—磨损系数（炭—石墨约为0.471×10-9mm3/N·m）。

在其他条件不变的理想状况下，磨损量与材料硬度成反比，提高材质硬度就可以降低磨损。经过与设备制造厂家充分沟通改造意见，由制造商生产制作专用的新碳刷，合理增加长度、提高硬度、降低摩擦系数和圆周速度等，使碳刷完全适用于低转速的水轮发电机组。结合以上因素，综合计算碳刷的理论使用寿命可提高4 倍以上（式2）、长度增加1.6倍、硬度增加1.5 倍、弧度增加2.3 倍。

A—综合计算结果；k—可靠系数，取0.8。

（4）为进一步优化集电装置性能，研究将平压式双卡簧换为均压式单卡簧，并要求制造单位对卡簧材质做真空退火处理，在其弹力均衡性、抗疲劳强度、使用寿命等方面都要优于原卡簧，能够有效的对碳刷进行制压，使碳刷与刷握和集电环的贴合力更加均匀和平稳，降低振动，进一步延长集电装置的使用寿命。

4 发电机集电装置的改造内容

（1）利用冬季检修期，在不影响水量利用率的前提下开展2 号发电机组集电装置技术改造工作。

（2）综合考虑设备的安全性、经济性和实用性，结合改造前期的准备工作，充分利用数据支持，大胆改用长度、强度、硬度、摩擦系数、圆周速度等关键参数优化制造后的定制新碳刷（表1）和便于拆装的新形式刷握（图2）。

表1 两款碳刷性能参数对比

图2 两款刷握的整体形式对比

（3）技术人员对集电环表面损蚀斑印进行车削、磨削、抛光处理，彻底修复表面光洁度，最大程度减小接触面的摩擦力，提高集电装置的导电效率和使用寿命。要求处理后的集电环表面粗糙度Ra在1.6 μm～3.2 μm 范围内，保证集电环的抗疲劳强度和防腐性，并在运行中提高间隙配合的稳定性。

（4）在安装刷握时，必须调整好每一个刷握的前后位置和左右间距，使其均匀分布，保证转子回路正、负极电流均衡，避免放电现象的发生。刷握应当垂直正对集电环，并与之保持3 mm～4 mm 的间隙，可以有效减小振动现象。

（5）安装碳刷前要用800 目金相砂纸对每一块的表面进行研磨处理，使其与集电环的弧度相吻合，贴合面积可达到90%以上，且摩擦顺滑，确保每块碳刷传导的电流大小基本一致。每组碳刷的卡簧压力调整在1.4 kg～1.6 kg 之间，受力均匀，保证每块碳刷的磨损程度基本一致。调整碳刷与刷握内壁的间隙时，应当控制在0.1 mm～0.2 mm 之间，间隙过大会引起振动加剧，损伤碳刷与卡簧；间隙过小会造成碳刷受力不均，接触不良，容易发生打火。

（6）安装后，对集电环、刷架、引线电缆的正负极之间、对地分别做绝缘电阻测试，数据全部合格，大于5 MΩ。

（7）全部设备安装完成后开机测试。控制机组转速进行观察，在低转速下仔细检查碳刷与集电环的摩擦情况；当机组转速逐步上升时，检查集电装置有无异音；当达到额定转速时，运行2 h 以上，使碳刷与集电环之间充分形成氧化膜，并检查碳粉散落情况，集电环表面温度不得超过75℃；当空转运行稳定后，采取励磁系统递升加压方式，逐步使发电机达到额定电压，再次检查集电装置运行正常；发电机并网运行后，再额定功率下，全面检查确认集电装置各部无异音、无打火、无剧烈振动等情况，集电环表面温度不得超过85℃。

5 改造后的应用效果

（1）安全效果：此次技术改造工作完成后，电站2 号发电机组已安全稳定运行超过8 000 h，经过详细的数据记录和工况对比，改造后的集电装置再未发生放电打火现象，机罩内几乎没有碳粉。彻底消除了因碳粉堆积过多造成的发电机转子接地短路或着火的事故风险。夏季高温天气，2 号发电机满负荷运行的情况下，集电环表面最高温度记录56.3℃。基本稳定在50℃左右，有效的保证了机组运行的安全性，安全效益稳固保障。

（2）运行成本：设备改造后经过一年的运行，新碳刷的磨损量均未超过3 mm，综合计算考虑（按年利用小时数达到5 000 h），预计新碳刷可至少使用6年。通过比对技改前后两款碳刷的采购价格、更换频次和数量（表2）可以发现，改造后平均每年可为企业节省材料成本1 万元左右。

表2 设备改造前后材料成本使用对比表

（3）经济效益：改造后，2 号发电机未发生因清理碳粉、更换碳刷而造成的降负荷或停机情况。通过对比设备改造前后停机的频次和时长（表3），可以明显发现改造后的设备利用率更高，平均每年可以为企业减少电量损失约40～49 万kW·h，折合经济效益约10～12.3 万元。

表3 设备改造前后经济效益对比表

经过对朱岔峡电站2 号水轮发电机组集电装置的技术改造，并通过较长时间的运行验证和全面复查，确定集电环和碳刷再无打火现象，集电环表面未见损蚀痕迹，各部位的测温贴片均未达到70℃；碳刷磨损量均不足3 mm，机罩内几乎没有碳粉散落，也无需更换碳刷；刷握未受到机组振摆的影响，全部稳定牢靠，为保障电力企业长周期安全稳定运行奠定了坚实的基础。