草街电站水轮发电机集电环改造方案

熊茂林

（重庆草街航运电力开发有限公司草街航电枢纽，重庆 401572）

0 引言

草街电站位于重庆市合川区境内，是嘉陵江干流自下而上渠化开发的第二个梯级电站，装设4 台单机容量125 MW 轴流转浆式机组，发电机的布置方式为上机架埋入式，集电环布置在上机架内部。

1 旧集电环存在的问题

发电机组运行过程中，碳刷与集电环摩擦会产生大量碳粉，碳粉覆盖在集电环、碳刷、刷握、绝缘螺杆等处，影响设备绝缘，需及时清除。日前电站维护人员无法完全清除干净，且工作量大，极不利于机组安全经济运行。发电机组运行中多次出现刷握弹簧片脱落、断裂的情况，在这种情况下，出现碳刷与滑环接触不良，碳刷电流分布不均，部分碳刷出现过流、过载现象，造成碳刷发热，从而加速设备老化与碳尘的产生。集电环是发电机转子励磁系统固定部分与旋转部分的衔接部件，碳粉过多可能会造成转子绝缘下降，增加发电机转子接地故障的风险。2 号机组集电环因碳尘过重等原因，在2016 年12 月份发生了集电环烧损的重大事故，其他机组集电环环面也出现了不同程度的损蚀现象。草街电站每年检修期间，都需要对集电环两环进行加工，处理环面损蚀部分。处理后，加速了导电环等设备更换频率，增加了机组检修、维护成本。草街电站机组集电环室为下沉式结构，机组运行过程中，出现放电或其它原因需要更换碳刷，该结构无法做到快速带电更换碳刷。而每次停机维护需要好几个小时，与草街电站高效、经济运行不符。

针对以上问题，草街电站相关技术人员经讨论后，建议对集电环系统相关设备进行改造，改造内容包括：刷架与铜排、碳刷、刷握、压簧、支撑绝缘子等设备进行技术改造与设备升级，同时增加一套碳尘收集装置。

2 集电环改造方案

刷握采用可带电拆卸刷握，在机组运行时，可带电更换碳刷，刷盒使用铜材料铸造而成，刷握导电性能与散热性能良好；所有螺栓使用高强度螺栓，强度等级不低于8.8 级；碳刷采用优质碳刷，采用天然石墨材料制作，其硬度应适中，不会对集电环造成太大磨损，且碳刷的最大磨损量小于5 mm/1 000 h；碳刷引线采用铜编织线且不得少于2 根；刷握弹簧使用恒压弹簧，采用优质钢条；励磁引线接头采用铜质端子，表面镀银，厚度10～12 μm；使用模具将非金属绝缘材料整体成型为集尘罩，有不易变形、强度大的特点；导电环使用钢材质加工成型，基材不能有气孔等缺陷，导电环需进行探伤，整体镀锌，与励磁引线接头接触部位镀银；绝缘套管的绝缘耐热等级为F 级绝缘；风管用耐热、防老化的软管制作，用支架固定住风管；吸碳粉通风散热一体完成；每台发电机组安装2 台碳粉吸收装置，电机采用国外原装进口电机，带有三相电源相序自适应功能模块；电机额定电压为AC 380 V，单台电机功率应不小于1.0 kW，风量满足吸碳粉、降温要求，风机运行噪音不得大于75 dB；碳粉收集装置外形美观，单台套碳粉收集装置的风量不小于1 200 m3/h；粉尘收集装置的布置不影响日常巡视、检查，带电更换碳刷等工作的开展；碳刷和刷握的布置利于通风，确保集电环和电刷有效散热；刷架按照国家标准GB/T 8564 进行耐压试验，检测绝缘性能，绝缘电阻不低于5 MΩ。

3 控制系统技术要求

控制装置应能手动操作和自动控制粉尘收集系统的运行，单台套碳粉装置配备，电动机启动器；手动、切除、自动切换开关；红、绿指示灯；粉尘收集系统控制所需要的继电器、定时器和其它装置；电气状态指示：系统运行；系统故障；系统停止。

4 改造后装置参数

（1）刷握型号：HDK-1 型，可带电拆换碳刷刷握；数量：21 只/极，共42 只。

（2）碳刷型号：HMT702，尺寸：34×38×64；数量：21 只/极，共42 只。

（3）碳粉收集装置参数：型号：HXS－04C；数量：2 台；功率：1.0 kW（每台）；处理风量：1 200 m3/h（每台）；外形尺寸：500 mm×500 mm×1 000 mm。

5 刷架及碳粉收集装置方案

5.1 结构及功能简介

新型刷架及碳粉收集装置由如下5 大部份组成：

（1）密闭的碳粉收集系统

在集电环上安装一个强度大、不易变形的非金属绝缘材料制作的集尘罩，集尘罩与集电环组成一个封闭空间，碳粉被限制在封闭空间内。

（2）碳刷及刷握装置

采用可带电拆卸刷握方式，刷握弹簧使用恒压弹簧，并使用优质碳刷。

（3）碳粉回收处理系统

每台机组安装 2 台碳粉吸收器，风量满足吸碳粉、降温要求，风机运行噪音不得大于75 dB。

（4）管路连接系统

风管用耐热、防老化的软管制作，用支架固定住风管。

（5）控制系统

控制系统能够手动和自动控制粉尘收集系统的运行，其结构包括所需要的继电器、定时器和其它装置。

图1 刷架及碳粉收集装置安装图

图2 碳粉收集装置电气原理图

在发电机上采用了新型刷架及碳粉收集装置后可实现如下4 个优势功能：

（1）有效收集集电环与碳刷摩擦产生的碳粉，避免碳粉堆积造成发电机转子绝缘下降，降低转子发生接地故障的风险，确保机组安全稳定运行。

（2）有效排走集电环与碳刷摩擦产生的热空气，机组运行时，收集装置吸走碳粉的同时，也吸走热空气，降低集电环运行温度。

（3）集电环室干净，便于查看集电环运行情况。

（4）实现机组运行时，带电更换碳刷。

5.2 工作原理

在集电环上安装一个集尘罩，集尘罩与集电环组成一个封闭空间，碳粉被限制在封闭空间内。碳粉收集装置吸出碳粉，避免碳粉堆积造成发电机转子绝缘下降，降低转子发生接地故障的风险，确保机组安全稳定运行。

收集装置吸走碳粉的同时，也吸走集电环与碳刷摩擦产生的热空气，外部空气不断进入，形成循环风，降低集电环运行温度。改造后设备示意图3、图4。

图3 集尘罩碳刷及风管

图4 集尘罩及风管

6 结语

2019～2023 年期间，草街电站完成了4 台机组集电环系统改造。机组运行至今，通过观察，发现集电环系统各方面性能均得到了明显的提升。机组散热、通风性能得到提升，降低了碳刷及集电环的磨损；集电环表面未出现附着碳粉氧化层的情况；碳粉收集效果明显，集电环室未出现碳尘；技改后实现带电更换碳刷，不需停机，汛期减少了停机消缺的时间，大幅提升机组高效、经济运行时长。