水輪發(fā)電機(jī)勵磁碳刷滑環(huán)發(fā)熱分析及壓力試驗

杜 娟， 張 鋮， 何延?xùn)|， 包 金

(1.遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順113001； 2.國家電投東北電力有限公司 本溪熱電分公司，遼寧 本溪 117000；3.國家電力投資集團(tuán)公司 撫順新亞電力有限公司，遼寧 撫順 113006)

水輪發(fā)電機(jī)勵磁碳刷滑環(huán)發(fā)熱分析及壓力試驗

杜 娟1， 張 鋮2， 何延?xùn)|1， 包 金3

(1.遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順113001； 2.國家電投東北電力有限公司 本溪熱電分公司，遼寧 本溪 117000；3.國家電力投資集團(tuán)公司 撫順新亞電力有限公司，遼寧 撫順 113006)

碳刷和滑環(huán)是發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的重要組成部分。在發(fā)電機(jī)運行過程中，由于一些因素經(jīng)常會出現(xiàn)碳刷發(fā)熱、磨損的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的安全運行。通過試驗測試碳刷的受力情況，對兩臺發(fā)電機(jī)正極和負(fù)極各8塊碳刷上的壓簧壓力進(jìn)行分析，比較了兩臺發(fā)電機(jī)碳刷上的壓簧壓力，分析了碳刷發(fā)熱、磨損的原因，并給出了更換建議。

碳刷； 壓簧； 壓力； 發(fā)熱； 磨損

撫順清遠(yuǎn)水力發(fā)電有限公司位于遼寧省撫順市大伙房水庫，共有2臺20 MW的水輪發(fā)電機(jī)。一號發(fā)電機(jī)的碳刷自2014年C級檢修以后經(jīng)常發(fā)生打火、過熱、磨損等情況。其中，正極碳刷第1、3塊經(jīng)常在較短時期內(nèi)磨損，負(fù)極碳刷第1塊打火、發(fā)熱時溫度高達(dá)160 ℃。該水電站分別使用了更換新碳刷和用砂紙打磨滑環(huán)的辦法，但碳刷過熱問題仍然未能得到解決。如果不能及時有效地采取措施消除碳刷打火現(xiàn)象，則會造成發(fā)電機(jī)滑環(huán)形成環(huán)火并嚴(yán)重發(fā)熱，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)被迫停機(jī)。

發(fā)生上述現(xiàn)象的原因可能有以下幾種：(1)滑環(huán)、碳刷、刷握及刷架表面臟污；(2)刷握邊緣卡澀，彈簧壓力不勻；(3)機(jī)組軸系振動較大，帶動滑環(huán)一起振動；(4)碳刷接觸不良，發(fā)生打火現(xiàn)象；(5)碳刷質(zhì)量存在問題[1-2]。

結(jié)合該水電站實際情況分析得知，第二種原因的可能性較大。機(jī)組運行時，雖然使用同一型號的碳刷，但由于其壓力不同，碳刷與滑環(huán)接觸電阻不相同，致使同極滑環(huán)不同碳刷間電流不均勻，部分碳刷電流過大[3-4]。如果壓簧對碳刷壓緊度不夠，會導(dǎo)致碳刷不能與滑環(huán)充分接觸。因此，需要通過試驗測試每塊碳刷的受力情況，比較各碳刷的壓力，以便發(fā)現(xiàn)問題壓簧并及時更換[5]。

1 發(fā)電機(jī)及其主要參數(shù)

兩臺20 MW水輪發(fā)電機(jī)型號和各參數(shù)均相同，其型號為SF-20-28/5500。20 MW水輪發(fā)電機(jī)外形如圖1所示[6]，發(fā)電機(jī)參數(shù)見表1。

圖1 20 MW水輪發(fā)電機(jī)外形

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值額定功率/MW20轉(zhuǎn)速/(r·min-1)214額定容量/kVA23530額定勵磁電流/A565額定電壓/V6300空載勵磁電流/A310額定電流/A2156正極碳刷數(shù)量/塊8磁極個數(shù)28負(fù)極碳刷數(shù)量/塊8

2 試驗設(shè)備及試驗方法

2.1 試驗設(shè)備

測試發(fā)電機(jī)勵磁碳刷的彈簧為卷簧式恒壓彈簧(恒壓彈簧，下同)，如圖2所示。試驗使用的主要設(shè)備有浙江省樂清市愛德堡儀器有限公司生產(chǎn)的NK-100型指針式拉力計(見圖3)、佳能60D數(shù)碼相機(jī)。

圖2 恒壓彈簧照片

圖3 NK-100型指針式拉力計

2.2 試驗方法

使用NK-100型指針式拉力計的PULL端，對碳刷上恒壓彈簧的壓力逐個測試。在滑環(huán)和碳刷間夾一張軟紙片，用拉力計拉住碳刷尾部緩緩?fù)饫?，?dāng)軟紙片剛好能從碳刷下抽出時，拉力計的讀數(shù)即為恒壓彈簧的壓力[7]，測試過程如圖4所示。對每個壓簧做2次測試，然后取2次測試值的平均值作為其壓力。一號機(jī)正極8塊碳刷及壓簧如圖5所示。一號機(jī)負(fù)極，二號機(jī)正極、負(fù)極的各8塊碳刷及壓簧與一號機(jī)正極類似。

分別對一號機(jī)和二號機(jī)正極、負(fù)極碳刷的壓力值進(jìn)行比較，再對比兩臺發(fā)電機(jī)勵磁碳刷恒壓彈簧的壓力，以便在發(fā)電機(jī)運行、檢修及維護(hù)時做參考。

圖4 恒壓彈簧壓力測試過程

圖5 一號機(jī)正極8塊碳刷及壓簧

3 試驗數(shù)據(jù)與分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)

(1)分別對一號機(jī)正極及負(fù)極各8塊碳刷的壓力測試2次，并分別計算其平均值，結(jié)果見表2及表3。

表2 一號機(jī)正極8塊碳刷的壓力測試值及平均壓力 N

續(xù)表2

表3 一號機(jī)負(fù)極碳刷的壓力測試值及平均壓力 N

(2)分別對二號機(jī)正極及負(fù)極各8塊碳刷的壓力測試2次，并分別計算其平均值，結(jié)果見表4及表5。

表4 二號機(jī)正極碳刷的壓力測試值及平均壓力 N

3.2 結(jié)果分析

分析一號機(jī)和二號機(jī)上正負(fù)極碳刷的平均壓力。在比較壓力時，同一極性碳刷的壓力允許偏差不超過5%。

由表2及表3可知，一號機(jī)正極碳刷第1、5塊壓力最小，與其他壓力相比第4塊壓力過大，需要更換壓簧；一號機(jī)負(fù)極碳刷壓力較均勻，基本在14～27 N變化。

由表4及表5可知，二號機(jī)正極第1、8塊碳刷的壓力過小，需要更換壓簧，其他碳刷壓力值較均勻，基本在30～37 N變化；二號機(jī)負(fù)極第6、8塊碳刷的壓力最小，其他碳刷的壓力較均勻，基本在34～40 N變化。

對表2、表3和表4、表5進(jìn)行對比可以看出，二號機(jī)正、負(fù)極碳刷的壓力明顯大于一號機(jī)正、負(fù)極碳刷的壓力。

4 結(jié) 論

碳刷壓簧壓力的大小對維護(hù)發(fā)電機(jī)的安全運行是很重要的。若壓簧的壓力過低，則不能保證碳刷與滑環(huán)始終保持良好的接觸，此時會因電氣損耗的增加而引起碳刷過熱，因火花增大而引起燒傷，從而使磨損增大；若壓簧的壓力過高，則機(jī)械磨損所產(chǎn)生的熱量增加，碳刷溫度升高，導(dǎo)致碳刷快速磨損[8]。加在碳刷上的壓力應(yīng)盡量均勻，否則會導(dǎo)致電流的分配不均勻。受壓簧壓力大的碳刷，接觸電阻小，通過的電流多；相反，受壓簧壓力小的碳刷，接觸電阻大，通過的電流少。因此，可能會引起部分碳刷打火或過熱、磨損等現(xiàn)象[9]。所以，同一臺機(jī)組碳刷的壓力應(yīng)控制在平均值的±5 N范圍內(nèi)，同一極性碳刷的壓力值允許偏差為5%[10]。為了使發(fā)電機(jī)組能夠安全穩(wěn)定運行，已建議該水電站將壓簧全部更換成型號一致、壓力均等的壓簧，該建議已被企業(yè)采納[11]。在發(fā)電機(jī)組檢修過程中，兩臺機(jī)壓簧已全部更換，解決了發(fā)電機(jī)勵磁碳刷滑環(huán)發(fā)熱的問題[12]。

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Heat Analysis of Hydro-Generator Excitation Carbon Brush Slip Ring and Pressure Experiment

Du Juan1， Zhang Cheng2， He Yandong1， Bao Jin3

(1.SchoolofMechanicalEngineering，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushunLiaoning113001，China；2.BenxiCogenerationBranchCompany，SPICNortheastElectricPowerCo.,Ltd.，BenxiLiaoning117000，China；3.SPICFushunNewAsiaPowerCo.,Ltd.，F(xiàn)ushunLiaoning113006，China)

Carbon brush and slip ring were important parts of the generator excitation system. Due to some factors, the phenomenon of carbon brush getting high temperature or wearing affected the safe generator operation seriously. The force of pressure spring was got on carbon brush by experiment, pressure values of both 8 positive carbon brush and 8 negative carbon brush in two generators were analyzed, the pressure spring pressure of two generators carbon brush was compared, reasons of brush getting high temperature were got , and proposals for change were given.

Carbon brush； Compression spring； Pressure； Heat； Wear

2017-02-23

2017-08-21

國家自然科學(xué)基金項目(51303075)。

杜娟(1983-)，女，碩士，講師，從事工程圖學(xué)、水輪機(jī)運行及維護(hù)方面的研究；E-mail：dujuan0921@163.com。

1672-6952(2017)06-0040-04

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

TV734.1

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.06.008

(編輯 宋錦玉)