汽輪發(fā)電機(jī)接軸碳刷的異常分析及改造

戚慧茗

（國(guó)能江蘇諫壁發(fā)電有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212006）

0 引言

碳刷是發(fā)電機(jī)固定部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分之間傳遞能量或信號(hào)的裝置。碳刷的作用如下：（1）消除大軸對(duì)地的靜電電壓；（2）供轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置用；（3）供測(cè)量轉(zhuǎn)子線圈正、負(fù)極對(duì)地電壓用。

碳刷性能良好的標(biāo)志：（1）在換向器或集電環(huán)表面能較快形成一層均勻、適度和穩(wěn)定的氧化薄膜；（2）電刷的使用壽命長(zhǎng)，不磨損換向器或集電環(huán)；（3）電刷具有良好的換向和集流性能，使火花抑制在允許的范圍內(nèi)，并且能量損耗??；（4）電刷運(yùn)行時(shí)，不過(guò)熱，噪聲小，裝配可靠，不破損。

碳刷若存在問(wèn)題，將會(huì)給機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大的潛在威脅，原因如下：（1）發(fā)電機(jī)采用水—?dú)洹獨(dú)淅鋮s方式，嚴(yán)禁發(fā)電機(jī)周圍明火；（2）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)設(shè)置了跳機(jī)程序；（3）軸振標(biāo)準(zhǔn)在80 μm以內(nèi)，達(dá)到130 μm就會(huì)跳機(jī)，長(zhǎng)期振動(dòng)較大不利于機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 設(shè)備概述

某廠七期兩臺(tái)1 000 MW機(jī)組，發(fā)電機(jī)原廠汽端6號(hào)軸承座、勵(lì)端7號(hào)軸承座分別裝有5只大軸接地碳刷。其中汽端碳刷為兩組，每組兩只碳刷，裝在轉(zhuǎn)子大軸正上方12點(diǎn)處的一組用于轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)測(cè)量，裝在大軸東側(cè)3點(diǎn)處的一組用于轉(zhuǎn)子軸電流、軸電壓參數(shù)的測(cè)量；勵(lì)端僅一只碳刷，裝在大軸12點(diǎn)處，用于測(cè)量轉(zhuǎn)子軸電壓。

制造廠原采用EG5U AG20型號(hào)雙層碳刷，材質(zhì)有兩種：滑入邊選擇使用潤(rùn)滑性能好的石墨基電化石墨材質(zhì)，滑出邊選擇使用含銀電化石墨材質(zhì)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這種碳刷使用時(shí)轉(zhuǎn)子先通過(guò)碳層滑入，再由銀層滑出。該碳刷截面尺寸為2×0.8=1.6 cm2，彈簧壓力為0.4 kg/cm2。

2 異常情況分析及處理

兩臺(tái)1 000 MW機(jī)組自2011年投產(chǎn)運(yùn)行后，大軸接地碳刷發(fā)生了多次異常情況。

2012年7月4日，#13機(jī)組#6軸瓦軸振逐步升高，且上下波動(dòng)幅度較大（圖1）。

圖1 #6軸瓦軸振曲線

就地測(cè)#6軸瓦振動(dòng)、溫度正常，就地聽(tīng)音正常，但檢查發(fā)現(xiàn)#6軸承座的發(fā)電機(jī)大軸接地碳刷時(shí)常發(fā)生跳火現(xiàn)象，且時(shí)有爆鳴狀火花。對(duì)發(fā)電機(jī)接地碳刷滑環(huán)清理并更換接地碳刷后振動(dòng)稍有好轉(zhuǎn)，但過(guò)不了多久振動(dòng)再次加劇。據(jù)此分析，很可能是由于電火花干擾#6軸承座的振動(dòng)測(cè)量元件，使其軸振異常升高。

2012-07-01 T16：05，#13機(jī)組“發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警”，就地檢查轉(zhuǎn)子系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)明顯異常，按相關(guān)規(guī)定解除轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)。隨后檢查發(fā)現(xiàn)用于轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地裝置測(cè)量的碳刷有跳火現(xiàn)象（圖2），于是開(kāi)搶修工作票進(jìn)行發(fā)電機(jī)接地碳刷的清理。完成后保護(hù)班對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行檢查，正常后復(fù)歸光字牌，投入轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)。發(fā)電機(jī)#6軸瓦接地碳刷與大軸接觸不良是接地報(bào)警的主要原因，能否完全消除此缺陷是轉(zhuǎn)子接地正常投用的前提條件，運(yùn)行人員對(duì)碳刷的維護(hù)也是重要的原因。

圖2 碳刷有跳火現(xiàn)象

根據(jù)這些現(xiàn)象，結(jié)合實(shí)際情況分析，這兩次異常都是碳刷接觸不良跳火導(dǎo)致的。而碳刷跳火一般有以下幾種情況：

（1）碳刷過(guò)短導(dǎo)致其壓簧伸長(zhǎng)、壓力下降，碳刷與滑環(huán)接觸不夠緊密[1]；

（2）碳刷的均壓彈簧壓力偏小，碳刷與滑環(huán)接觸壓力小，接觸電阻增大；

（3）發(fā)電機(jī)軸瓦振動(dòng)大，導(dǎo)致滑環(huán)與碳刷接觸不良[2]；

（4）滑環(huán)不圓導(dǎo)致滑環(huán)與碳刷接觸不良，接觸電阻大；

（5）滑環(huán)與碳刷的接觸面有臟污，導(dǎo)致滑環(huán)與碳刷接觸不良；

（6）碳刷設(shè)計(jì)不合理或者碎裂，導(dǎo)致其與滑環(huán)接觸面積過(guò)小，接觸電阻過(guò)大；

（7）軸電壓過(guò)高[3]。

為保證機(jī)組安全，必須消除這5只碳刷的接觸不良和跳火現(xiàn)象。為此，運(yùn)行維護(hù)人員采取了一些臨時(shí)措施：

（1）增加碳刷更換頻率，碳刷稍有碎裂和臟污就進(jìn)行更換，新碳刷長(zhǎng)度更長(zhǎng)，使得壓簧行程縮短，增加了接觸壓力，改善了接觸效果；

（2）更換碳刷前對(duì)碳刷與滑環(huán)的接觸面充分研磨，使碳刷與滑環(huán)盡量緊密貼合；

（3）每次更換碳刷時(shí)檢查刷架結(jié)構(gòu)及彈簧松緊度，清理刷架積粉；

（4）使用棉布蘸取四氯化碳溶液清洗滑環(huán)；

（5）加強(qiáng)對(duì)接地碳刷與轉(zhuǎn)子大軸間接觸電阻的監(jiān)測(cè)，定期測(cè)量電阻，確保轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置的可靠運(yùn)行。

此后情況雖有所好轉(zhuǎn)，但碳刷破損情況發(fā)生頻繁，運(yùn)行維護(hù)人員工作量大幅增加，未解決根本問(wèn)題。

由于制造廠選用刷盒尺寸較小，碳刷截面積、彈簧壓力均偏小，在現(xiàn)場(chǎng)惡劣的運(yùn)行環(huán)境下易產(chǎn)生振動(dòng)，使碳刷破裂及磨損嚴(yán)重；又因發(fā)電機(jī)汽端密封瓦蓋處長(zhǎng)期有油汽滲出，油污及碳粉附著在測(cè)量碳刷的刷架和轉(zhuǎn)軸上，增大了碳刷與轉(zhuǎn)軸之間的接觸電阻，易產(chǎn)生火花。最終，向設(shè)備管理部申請(qǐng)利用停機(jī)檢修的機(jī)會(huì)，將刷握進(jìn)行改裝，增大刷盒的尺寸，即增加碳刷與轉(zhuǎn)軸的接觸面。

3 碳刷改造的過(guò)程

3.1 第一次改造

該廠四、五期300 MW發(fā)電機(jī)組上采用的是具有良好集電性能的上海摩根NCC634型碳刷，其標(biāo)配的恒壓彈簧壓力為1.2 kg/cm2，碳刷截面積尺寸為3.2×2.5=8 cm2，壓力及截面積均遠(yuǎn)大于原碳刷，且該廠對(duì)NCC634型碳刷有多年運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。運(yùn)行人員與設(shè)備管理部進(jìn)行了多次討論分析，一致認(rèn)為將碳刷改型后能夠使碳刷與滑環(huán)更好地接觸，提高其工作穩(wěn)定性，減少維護(hù)工作量，故決定優(yōu)先對(duì)#13機(jī)組6號(hào)軸承座的碳刷嘗試更型。經(jīng)過(guò)設(shè)備管理部和檢修人員對(duì)刷架和刷握的改造，最終原刷架保留，將原來(lái)的小刷握（圖3）更換為NCC634的刷握（圖4），將刷架清洗干凈，保證刷握與刷架接觸良好，至此，成功更換了碳刷。

圖3 汽端轉(zhuǎn)子接軸刷握改裝前

更換好#13發(fā)電機(jī)汽端6號(hào)軸承座的碳刷后，振動(dòng)恢復(fù)了正常（圖5），碳刷暫時(shí)未再產(chǎn)生跳火（圖6）。后經(jīng)過(guò)同樣的處理，將#13、#14發(fā)電機(jī)組的大軸接地碳刷一一更換。改造工作完成后，短期內(nèi)減少了清理碳刷的次數(shù)，減小了運(yùn)行維護(hù)人員的工作量，降低了維護(hù)成本，同時(shí)操作風(fēng)險(xiǎn)也隨之降低。

圖5 6瓦振動(dòng)恢復(fù)正常

圖6 碳刷改裝后無(wú)火花

第一次改造在短期內(nèi)取得了成功，但隨著機(jī)組長(zhǎng)周期運(yùn)行，2014年6月發(fā)電機(jī)大軸接地碳刷再次產(chǎn)生了問(wèn)題：

（1）運(yùn)行人員抄表時(shí)多次發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)軸電壓參數(shù)異常，數(shù)值上下波動(dòng)較大，有效值從正常的17 V左右上升到50 V左右，對(duì)發(fā)電機(jī)大軸接地碳刷檢查發(fā)現(xiàn)碳刷又發(fā)生了跳火現(xiàn)象，更換碳刷后參數(shù)正常；

（2）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)發(fā)生間歇性誤報(bào)警，檢查發(fā)電機(jī)大軸接地碳刷有跳火現(xiàn)象，更換碳刷后報(bào)警消除。

通過(guò)運(yùn)行和檢修人員的仔細(xì)排查發(fā)現(xiàn)，汽端轉(zhuǎn)軸上接軸碳刷接觸部位有發(fā)白痕跡（圖7），勵(lì)端無(wú)異常，在機(jī)組大修時(shí)對(duì)該部位檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸表面有輕微磨痕（圖8），初步懷疑為恒壓彈簧壓力問(wèn)題，但用哪種壓力的恒壓彈簧是需要結(jié)合碳刷等因素進(jìn)行多方面驗(yàn)證的，該廠不具備試驗(yàn)條件，且1 000 MW機(jī)組投入運(yùn)行后必須安全穩(wěn)定。在綜合考慮后，設(shè)管部決定對(duì)汽端接軸碳刷進(jìn)行第二次改造，以便徹底解決碳刷跳火的問(wèn)題。

圖7 汽端轉(zhuǎn)軸上接軸碳刷接觸部位有發(fā)白痕跡

圖8 轉(zhuǎn)軸表面有輕微磨痕

3.2 第二次改造

第二次改造的目標(biāo)仍然是增加碳刷與滑環(huán)的接觸面積，但彈簧壓力可稍微降低，防止對(duì)大軸滑環(huán)表面造成磨損。于是設(shè)備管理部采用了65Mn硬料彈簧鋼帶，該材料硬度和彈性都很好。該鋼帶寬40 mm，厚度0.8 mm，鋼帶表面附一層編織軟銅線作為導(dǎo)體與滑環(huán)表面接觸摩擦。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際位置，在發(fā)電機(jī)#5軸瓦處加裝了兩組該接軸裝置，一組為轉(zhuǎn)子軸電流測(cè)量用，另一組為轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)測(cè)量用，新增接軸裝置與原大軸接地碳刷并列運(yùn)行。

第二次改造取得了徹底的成功，機(jī)組投運(yùn)后未發(fā)生碳刷跳火等異常情況，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸電壓穩(wěn)定，在12～15 V。觀察運(yùn)行一段時(shí)間后，取消原#6瓦側(cè)大軸接地碳刷（圖9），由#5瓦側(cè)新增大軸接地裝置替代原#6瓦側(cè)接軸裝置獨(dú)立運(yùn)行（圖10），將轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)跳閘出口壓板重新投入。

圖9 已經(jīng)取消的#6軸瓦接地碳刷

圖10 #5軸瓦新增的大軸接地裝置

這次改造成功的原因，總結(jié)出來(lái)主要有以下兩點(diǎn)：

（1）65Mn硬料彈簧鋼帶彈性良好，不再受到汽輪機(jī)大軸輕度振動(dòng)的影響，徹底解決了碳刷的振動(dòng)問(wèn)題。

（2）編織軟銅線作為與滑環(huán)接觸并摩擦的主體，其接觸面積比碳刷更大，最主要的是將原來(lái)的單面接觸改為了多點(diǎn)接觸，在滑環(huán)有油污且輕微振動(dòng)的環(huán)境下，多點(diǎn)接觸的效果明顯好于單面接觸。

由于該碳刷采用編織軟銅帶作為磨損件，磨損周期較長(zhǎng)，相對(duì)于原來(lái)5塊碳刷每隔一周左右就需清理更換來(lái)說(shuō)，不但大大減輕了運(yùn)行維護(hù)工作量，而且大大節(jié)約了碳刷維護(hù)費(fèi)用；但缺點(diǎn)是更換難度較大，單次更換時(shí)間較長(zhǎng)。目前更換工作已交由檢修人員進(jìn)行，并新增了碳刷維護(hù)規(guī)定：凡是更換轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)用碳刷時(shí)，需解除轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)跳閘出口壓板。

4 成果總結(jié)

通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子汽端大軸接地碳刷及勵(lì)端接軸測(cè)量碳刷的兩次改造，碳刷帶來(lái)的接地不良導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)誤跳機(jī)現(xiàn)象再?zèng)]發(fā)生過(guò)。這兩次改造積累了運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，解決了因碳刷異常而造成的一系列不安全情況，總結(jié)下來(lái)有以下成果：

（1）降低了碳刷維護(hù)成本，節(jié)省兩臺(tái)1 000 MW機(jī)組原碳刷每年的維護(hù)費(fèi)用近50萬(wàn)元，碳刷更換次數(shù)大大減少（圖11）。

圖11 碳刷更換次數(shù)折線圖

（2）操作風(fēng)險(xiǎn)降低，避免了因碳刷接觸不良誤發(fā)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地信號(hào)或有可能造成的誤跳機(jī)，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置的投入使用也提高了發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行可靠性。

（3）消除了發(fā)電機(jī)6號(hào)軸承座軸振異常升高的情況，確保了機(jī)組安全運(yùn)行。

（4）消除了大軸接地碳刷跳火可能導(dǎo)致的一些其他安全隱患，如氫氣爆炸、油膜擊穿等。