杨剑,高从闯,陈忠宾,肖先照,高学洪

(江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司,江苏常州 213334)

0 引言

溧阳抽水蓄能电站(简称“溧蓄”)装有6台单机容量为250MW的混流可逆式水泵水轮-发电电动机组,总装机容量1500MW。其中发电机为立轴、半伞式、全空冷发电电动机。发电电动机集电装置是重要的辅助设备之一,作为励磁系统和发电机本体的连接部件,其作用是将励磁电流通过碳刷导入转子,以形成励磁磁场[1]。本文介绍了溧蓄发电电动机集电装置结构,介绍了碳粉问题及其危害,总结了一些治理方法和预防措施。

1 集电装置

溧蓄发电电动机集电装置由集电环、碳刷、恒压弹簧、刷握、导电环、底座以及密封罩组成,结构如图1所示。集电环通过间隙配合套装在顶轴上,靠键来固定,其材料为Q345B,表面圆周速度为21.2m/s。导电环共设置40个碳刷,每极20个碳刷,其型号为E468。刷握配有恒压弹簧,通过底座固定在导电环上,把柄为阻燃绝缘材料,可实现带电拆卸更换碳刷。

图1 集电装置结构图

密封罩上、下两层共配有12个吸尘口,吸尘口与吸尘环管相连,吸尘环管在180°方向分别与两个额定功率2.2kW的风机相连,运行时利用风机对吸尘口处产生负压,将碳粉吸收至收集装置中,形成一套碳粉吸尘装置。

2 碳粉问题

从2021年开始,溧蓄6台机组相继出现碳粉增多问题,集电环、刷架、顶轴内、转子引线、定子线棒、碳粉收集装置内粘附着较多碳粉,对发电电动机安全运行产生了一定的危害[2～4],具体如下:(1)碳粉掉落堆积在集电环、刷架、转子引线以及绝缘件上,降低了转子绝缘性能,部分机组转子绝缘阻值从2GΩ降低到5MΩ以内。(2)碳粉吸附在顶轴、上导滑转子以及接触式油挡上,使得发电电动机顶轴绝缘降低,轴瓦和上导滑转子存在损伤风险。(3)碳粉吸附在集电装置周围,影响碳刷和集电环散热,碳刷温度普遍偏高,夏天运行时温度在90℃～110℃之间,碳刷刷辫高温变色,碳刷氧化膜难以形成,碳刷磨损量进一步加大。(4)碳粉通过缝隙和孔洞进入定转子和顶轴内部,影响磁极、定子线棒等核心部件绝缘性能,同时也给设备清扫带来困难,增加检修维护工作量。(5)碳粉通过缝隙进入上导油槽内部,污染润滑油,使得油质变差,油品检验不合格。

3 原因分析

碳刷和集电环之间摩擦产生碳粉是不可避免的,碳粉问题归结为碳刷磨损过大和碳粉收集效果不佳这两类[5～7],具体原因分析如下。

(1)碳刷产品质量问题。不同批次碳刷加工工艺存在差别,导致个别批次碳刷内部存在气孔,使用后出现掉渣、缺角等现象。

(2)恒压弹簧压力选择过大。碳刷磨损包括机械磨损和电蚀磨损,碳刷磨损与恒压弹簧的压力关系如图2所示。溧蓄以往采用的恒压弹簧压力为22～25N,该压力偏大,加剧了碳刷机械磨损。

图2 碳刷磨损与弹簧压力关系

(3)碳刷接触面氧化膜难以形成。碳刷使用一段时间后,其接触面会形成一层氧化膜,该氧化膜具有润滑作用,能够减少碳刷磨损,由于碳刷运行过程中温度过高,该氧化膜难以形成,导致碳刷磨损增大。

(4)吸尘效果不理想。吸尘口和吸尘环管布置在顶罩内,吸尘装置风机布置在风洞外,吸尘环管与风机之间的连接管路过长、弯曲管件较多,碳粉易堆积堵塞在管路内,并且吸尘管路段阻燃软管连接段较长、较多,导致吸力不够,影响吸尘效果。

(5)刷架水平和中心达不到要求。刷架导电环水平度和同心度较差,溧蓄6台机组实际测量结果如表1所示。刷架与集电环同心度、水平度变差会造成碳刷与集电环接触不良或碳刷偏磨,加剧碳粉产生。

表1 导电环水平度和同心度测量值/mm

(6)集电环表面不平整。溧蓄发电电动机集电环材料为Q345B,此材质偏软,不耐磨,集电环表面出现沟槽,加大碳刷的磨损,碳粉的产生。

4 解决措施

2022年度机组检修和日常维护期间,溧蓄对碳粉问题进行了治理,保证了发电电动机安全稳定运行,主要措施如下。

(1)定期检查碳刷,对存在掉渣和气孔的碳刷进行更换,更换前对碳刷接触面充分研磨,形成与集电环相应的弧度,保证碳刷与集电环接触面在80%以上。

(2)适当降低恒压弹簧压力,改用18～20N的恒压弹簧,减小碳刷与集电环摩擦力,进而减小碳刷磨损,减少碳粉产生。

(3)定期测量碳刷、集电环及集电环室温度,检查碳刷铜辫子是否变色,碳刷是否出现偏磨或打火现象,对其中问题严重的碳刷进行更换。

(4)结合检修清理吸尘管路并更换收集装置过滤袋;对顶罩内水平环管和风洞内的水平直管进行清理,防止内部碳粉堆积造成堵塞;同时将部分软管连接改为硬管连接,加强管路连接部位密封,减少吸尘口处的吸力损失。

(5)调整刷架水平度和同心度满足要求,同时调整刷握底座,使得碳刷伸出刷盒的长度在3～5mm之间,保证碳刷与集电环良好接触。

(6)在机组检修期间更换集电环,新集电环材质为16Mn锻钢,耐磨性好,表面不容易出现沟槽,能够有效降低碳刷磨损。

(7)定期清理碳粉,对集电环、刷架以及顶轴死角部位进行吹扫清理,必要时拆卸零部件进行清理。

(8)封堵碳粉吸尘管路、励磁引线在顶罩内的引出孔洞,防止碳粉进入定转子内部。对顶轴上端面盖板缝隙、励磁引线穿轴处缝隙涂抹密封胶,防止碳粉进入顶轴孔内,影响励磁引线绝缘。

(9)对励磁引线穿轴部位涂刷绝缘漆防护以此来增加爬电距离,避免碳粉堆积影响绝缘。

5 结语

碳粉的产生和堆积是逐渐发展的过程,并且受多方面因素影响,彻底治理难度大,因此,需要在检修维护中加强对碳粉问题关注。本文碳粉问题的原因分析以及治理方法可供其他出现类似问题的电站参考借鉴,具有指导意义。.