小水電機組勵磁碳刷頻繁更換及打火原因分析與改進(jìn)

秦維海

摘 ? 要：南方雨水較多，在山區(qū)多的地方小水電機組發(fā)電業(yè)發(fā)達(dá)，機組利用小時數(shù)很長，但很多小水電機組設(shè)備都是一些小的電機廠生產(chǎn)，制作工藝相對較差，在運行中會頻繁停下來進(jìn)行檢修和維護(hù)，浪費水能現(xiàn)象嚴(yán)重。本文針對某小型水電廠小水電機組勵磁碳刷頻繁更換及打火現(xiàn)象，進(jìn)行了詳細(xì)的原因分析，并根據(jù)原因分析得出的結(jié)果對滑環(huán)電刷加以改進(jìn)，對小機組穩(wěn)定運行起到了很好的作用。

關(guān)鍵詞：小水電 ?碳刷 ?頻繁更換 ?原因分析

中圖分類號：TV734 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）08（c）-0108-02

某小水電廠位于南方山區(qū)，共有三臺500kW小水電機組，三臺機組均為20世紀(jì)90年代中期投產(chǎn)發(fā)電，每臺機組年均發(fā)電7000h左右，為解決山區(qū)電力匱乏及有效利用水資源做出了突出的貢獻(xiàn)。三臺機組所采用的勵磁方式均為靜止勵磁方式，給轉(zhuǎn)子通過脈動的直流電流，機組轉(zhuǎn)子集電環(huán)每極四個電刷，共8個電刷，采用J102電刷，電刷尺寸12.5×25×40mm，并采用單邊彈簧壓電刷形式，機組正常運行時勵磁電流150A左右。

1 ?異?，F(xiàn)象

經(jīng)過長期對三臺機組每次更換電刷時間和耗用電刷數(shù)量的統(tǒng)計、分析，平均每月一臺機組需更換2～3只電刷，一臺機組將近3個月時間左右整臺機組電刷需全部更換一遍，電刷更換頻率太高，維護(hù)工作量較大。機組運行期間，每臺機組因集電環(huán)電刷溫度過高、電刷打火，產(chǎn)生環(huán)火，而且小機組碳粉較多，很多都附著于轉(zhuǎn)子外表面和勵磁回路各引線和絕緣部件上，引起轉(zhuǎn)子回路絕緣下降，多次出現(xiàn)過燒毀集電環(huán)、發(fā)電機組跳機惡性事件。

2 ?原因分析

針對小機組勵磁電刷頻繁更換及打火這個情況，我們專門成立了QC小組進(jìn)行攻關(guān)，從人機料法環(huán)5個方面進(jìn)行分析造成勵磁電刷頻繁更換及打火的原因。

2.1 人的方面

現(xiàn)場所有檢修技術(shù)人員都是專業(yè)人員，許多畢業(yè)于電力學(xué)校，而且有多位工作多年的老師傅，對各種類型發(fā)電機機組檢修有足夠的工作經(jīng)驗，特別對處理滑環(huán)及電刷方面更有很多積累的寶貴經(jīng)驗，在業(yè)務(wù)技術(shù)上，現(xiàn)場的工作人員完全有能力處理機組電刷更換頻繁及打火問題的能力。所以確定人的方面為非要因。

2.2 環(huán)境方面

小機組因為取水源的特殊位置，機組安裝的位置不是很好，設(shè)備運行的環(huán)境相對較差，這個很難進(jìn)行改變，安裝成功后也無法進(jìn)行移位，設(shè)備設(shè)計制造時已跟廠家要求考慮安裝位置的特殊情況，廠家也在設(shè)計制造上進(jìn)行了考慮。所以環(huán)境方面確定為非要因。

2.3 材料方面

機組所使用的是金屬石墨電刷J102，查電刷技術(shù)性能表得知J1O2電刷電流密度20A/cm?、每50小時磨損量為小于0.4mm，根據(jù)我們?nèi)粘﹄娝⒏鼡Q的情況統(tǒng)計來看，每臺小機組滑環(huán)電刷磨損約15～17mm左右就需要對本只電刷進(jìn)行更換。如果我們按照單只電刷平均磨損量16mm作為更換電刷的標(biāo)準(zhǔn)，那么每只電刷磨損16mm用的時間：16 mm/0.4mm*50h=2000h，2000h也就約等于83d，基本與我們?nèi)齻€月時間更換同一只電刷時間大致相同，所以實際電刷的運行時間與理論上時間一致的，但我們認(rèn)為機組廠家在滑環(huán)電刷設(shè)計上是欠考慮的，未能考慮到機組的長周期運行及電刷頻繁的更換造成人員維護(hù)量的增加，所以我們認(rèn)為可以選用其他滿足此類轉(zhuǎn)速要求且每50h磨損量更小的電刷來代替目前所使用的J102電刷，應(yīng)該更能夠減少現(xiàn)場的維護(hù)量和延長機組的運行時間。

另外廠家原配的J102電刷全部長度為40 mm，對于這種長周期運行的機組來說，所配置的長度相對較短，平時磨損的長度約16mm，磨損的有效長度過短，勢必造成機組經(jīng)常性停機而頻繁更換電刷。

機組運行時，勵磁電流為150A，每極共4只電刷，平均每只電刷的電流為150A/4只=37.5A/只，J102電刷電流密度為37.5A/（1.25cm×2.5cm）=12A/cm?，若某一只電刷接觸不良或每只電刷接觸面只有75%，則150A/3/（1.25cm×2.5 cm）=16A/cm?，接近J102電刷電流密度電流額定值。電刷截面積過小，造成每只電刷上通過的電流很易接近電流密度電流額定值，故我們確定選型配置不當(dāng)為要因。

2.4 設(shè)備方面

該電刷配置的電刷卡為半邊單圈彈簧形式，只壓電刷半邊，彈簧壓力小，壓力不均，機組運行中有振動，導(dǎo)致電刷跳躍或電刷卡阻，使之接觸不良，有一個電刷接觸不良，其它電刷的電流密度就增大了，滑環(huán)及電刷溫度就會升高。機組運行時滑環(huán)溫度應(yīng)不高于100℃，每個碳刷電流控制在20～50A，刷體溫度控制在不大于80℃，連接線發(fā)熱溫度不超過75℃，（溫升40°）以內(nèi)，因為碳刷的負(fù)溫度特性，隨著碳刷溫度的增高，它的接觸電阻反而降低，在80℃～100℃時最低。當(dāng)溫度超過100°C時，接觸電阻又急劇增加，這對接觸面的穩(wěn)定和電刷間的均流極為不利。當(dāng)一只碳刷進(jìn)入不正常狀態(tài)，并開始發(fā)熱，由于電刷的負(fù)溫度效應(yīng)，接觸電阻反而減少，這樣，流過此碳刷的電流增加，則該塊碳刷越加的發(fā)熱，直至接觸電阻降至最低點，流過的電流最大為止，如此惡性循環(huán)，使電刷劣化加速。這種“崩潰”式變化，使原流過此電刷上的電流進(jìn)行“雪崩”式的重新分配，可能使電刷上的電流負(fù)荷差達(dá)10倍以上。接觸電阻小的電刷將得到大部分的電流，很可能使它們也發(fā)生“雪崩”。這種連鎖反映的后果是非常嚴(yán)重的。重點檢查無電流和溫度，及時消除碳刷電流不平衡、卡阻等因素，保證碳刷在良好平衡狀態(tài)工作。故確定電刷在運行中壓力不均也為要因。

2.5 制度方面

對于機組勵磁電刷的維護(hù)、更換工作均有維護(hù)細(xì)則參照執(zhí)行，對于維護(hù)更換工藝也進(jìn)行過培訓(xùn)。在制度的執(zhí)行、維護(hù)的到位方面沒有問題，所以此條不是要因。

3 ?設(shè)計改進(jìn)

針對QC攻關(guān)得出的要因確認(rèn)結(jié)果，我們主要從電刷選型、彈簧等方面對整個機組集電環(huán)回路進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)。

一在電刷上我們選擇耐磨性能更好的D172電刷，選用電刷的尺寸為25×32×70mm的電刷，增加了電刷的截面積。D172電刷的性能為電刷電流密度12A/cm?、每50小時磨損量為小于0.2mm，每極計劃配置6只電刷，大大增加了電刷與集電環(huán)的接觸面積。通過每只電刷的電流密度為150A/6/（2.5 cm×3.2cm）=3.125A/cm?，比D172電刷電流密度額定值12A/cm?小很多，減少了集電環(huán)過熱的可能。

二是更換電刷型號的同時增加了電刷的長度，由原40mm長改進(jìn)為70mm長，這樣電刷磨損的有效長度可以達(dá)到40mm，電刷磨損40mm所用時間：40mm/0.2mm×50h=10000h，近416d，比原先更換電刷時間延長5倍。

三是我們同時選用適合于D172電刷尺寸雙簧恒壓刷握，該壓簧為雙圈，更能保證電刷與集電環(huán)的壓力均勻，接觸良好，減少了電刷打火的可能。

四是改變集電環(huán)的尺寸。因為增加了電刷的尺寸、改變了刷握的形式，必須同時改變集電環(huán)的尺寸，我們在保持原有集電環(huán)外罩尺寸和大軸尺寸不變的情況下，重新設(shè)計制作了新的集電環(huán)，將原集電環(huán)平面寬度為20mm現(xiàn)改為35mm。

4 ?實施效果

根據(jù)設(shè)計改進(jìn)的要求，我們繪制圖紙在專業(yè)發(fā)電機配套廠家定制了集電環(huán)、刷架，并購買了電刷、刷握進(jìn)行改裝。第一臺機組與2015年1月14日改裝完成。為確保改造實施的成功，我們嚴(yán)格按照滑環(huán)電環(huán)安裝維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，安裝時保證集電環(huán)表面應(yīng)光滑、無麻點、無刷印或溝紋。刷架刷握及絕緣支柱應(yīng)完好，固定牢靠，絕緣電阻測試應(yīng)滿足GB/T8564的規(guī)定，刷握距離集電環(huán)2mm～3mm間隙，刷握應(yīng)垂直對正集電環(huán)，彈性良好。電刷與集電環(huán)的接觸面，不應(yīng)小于電刷截面的75%，碳刷壓力均勻，電刷與刷盒壁間有0.1mm～0.2mm間隙，電刷在刷握內(nèi)滑動靈活，同一刷架上每個電刷壓力調(diào)整一致。保證安裝的電刷為同一型號。勵磁引線及電纜應(yīng)完好無損，接頭連接牢靠，固定夾板完好。日常維護(hù)中檢查刷握和刷架上有無積垢，每月一次定期用鼓風(fēng)機吹掃，特別是絕緣件上的碳塵及灰塵，以避免降低勵磁回路的絕緣電阻。檢查碳刷是否接觸良好無卡塞，在刷握內(nèi)能自由活動，定期用紅外成像儀檢測集電環(huán)及電刷溫度。

目前改造后已運行50月，期間沒有發(fā)生過電刷打火現(xiàn)象，只更換過一次電刷，運行工況良好，只在機組停機時機對集電環(huán)、碳刷回路進(jìn)行了檢修。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 817—2014，立式水輪發(fā)電機組檢修技術(shù)規(guī)程[S].北京：國家能源局，2014.

[2] 郝林.機組碳刷裝置打火與運行溫度偏高的原因與技術(shù)改造[J].城市建設(shè)，2012（36）：1.