高转速水轮发电机碳刷的选型应用与实践

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　　摘  要：文章分析了高转速水轮发电机集电环磨损、碳刷过热打火主要原因及改进措施。希望通过文章的分析，能够对相关工作提供参考。
　　关键词：水轮发电机;高转速;碳刷;集电环;卡簧
　　Abstract： This paper analyzes the main reasons for the wear of collector ring and overheated carbon brush of high-speed hydrogenerator， and puts forward improvement measures， in the hope that the analysis in this paper can provide reference for related work.
　　引言
　　水轮发电机励磁电流通过固定在励磁刷架上的碳刷与集电环接触供至发电机转子绕组，为发电机转子绕组提供励磁所用磁场，碳刷作为励磁电流传输的滑动接触体，机械强度足够的前提下，它的导电、散热及润滑性能应良好。高转速水轮发电机的转速一般在500-1000转/分钟，在非常高的转速下，集电环与碳刷的摩擦接触面会相应产生高温，从而带来集电环表面灼伤，集电环与碳刷接触面打火等问题，缩短集电环和碳刷的使用寿命，机组大负荷运行时打火现象尤为严重，影响机组安全稳定运行。碳刷的材质和数量选取不当、接触面无法形成氧化膜、各碳刷压力不均或卡簧压力不符合要求、集电环表面粗糙等，均会造成碳刷与集电环接触面过热、打火。打火现象若不及时消除，可能会造成故障扩大，严重时甚至导致集电环正负极短路环火，损坏发电机转子及励磁系统各部件。所以高转速水轮发电机安全稳定运行的前提下，碳刷的选型就显得尤为重要。碳刷使用性能良好标志应该为：碳刷的使用寿命长，并不磨损集电环，碳刷运行时：不过热，噪音小，装配可靠，不破损。
　　1 电站简介
　　杂木寺水电站位于甘肃省武威市凉州区境内的杂木河干流上，该水电站安装2台单机容量为9MW（以下称大机）和1台5MW（以下称小机）的立轴混流式水轮发电机组，电站水头范围193-224.5m，额定水头196m。以该电站3#水轮发电机组为例，额定转速1000r/min，转速1000r/min在国内水电行业同类型水轮发电机组中也属罕见。该机组定子额定电压10.5kV，额定电流343.7A，额定励磁电压81V，励磁电流561A，空载励磁电压26V，空载励磁电流263A。小机其碳刷共24块（尺寸为：25×32×60mm）， 正负极集电环各12块;大机其碳刷共20块（尺寸为：25×32×60mm）， 正负极集电环各10块。
　　2 存在的问题
　　该水轮发电机组（小机5MW）于2012年5月投产发电，在后期机组投入商业化运行过程中，碳刷均出现不同程度打火现象，在年度检修过程中发现集电环正负极均出现条痕、槽纹，凹凸程度比较严重，给机组安全稳定运行带来严重威胁。
　　3 集电环磨损及碳刷打火原因分析
　　3.1 碳刷材料
　　機组原有配套的碳刷型号为J201，该碳刷为V型单卡簧碳刷，属于金属（铜）石墨材质制成，硬度强、电阻率大、材料比重高、开口气孔率低。在该电站三台水轮发电机组中运行，由于摩擦力较大，碳刷和集电环接触面温度较高，由于电化的作用，金属石墨碳刷杂质不能充分挥发，容易产生金刚砂划伤集电环，所以该型号碳刷在高转速水轮发电机组上应用不是特别理想。
　　3.2 集电环材质
　　主机厂家原配的集电环材质为20#钢，属于碳素结构钢，强度低，未热处理态，韧性、塑性和焊接性好，缺点不耐磨，在长期运行过程中容易出现条痕、槽纹等现象。
　　3.3 卡簧形式
　　原碳刷卡簧形式为V型卡簧，存在碳刷与集电环表面接触压力不均匀、受力方向不平衡。
　　所以综上三方面，该机组集电环材质20#钢材，载流的J201型碳刷在1000r/min的高转速下，与集电环长期摩擦会导致集电环磨损严重并且使用V型卡簧碳刷与集电环的接触面较少增加了集电环表面运行时的温度，在碳刷表面无法形成适度均匀稳定的氧化膜，碳刷寿命减短，容易造成卡簧疲劳断裂、集电环及碳刷温升过高、集电环表面电腐蚀等一系列不良后果，长期以往必然对发电机安全运行形成严重安全威胁。
　　4 改进方法
　　（1）经过各方面查阅资料与主机厂家探讨，对比筛选各种碳刷性能，最终确定选用进口碳刷摩根NCC634。NCC634碳刷采用低弹性模量材料，比重轻、硬度低、各种物理性能和参数波动较小、励磁电流均匀分布，在发电机高速运转下能更好保持与集电环的接触面，从而降低了接触面温度， 更好的建立氧化膜， 提高接触面的润滑性能。改进了碳刷与集电环的接触特性，降低接触面摩擦系数，减少了碳刷和集电环的磨损。建立良好的氧化膜增加了碳刷与集电环间的接触电压降，保证了集电环和碳刷的低磨损。在更换过程中使碳刷与刷握四壁保持0.1～0.2mm间隙，保证碳刷在刷握中伸缩顺畅，无卡涩现象。每个刷握与集电环外圆面保持5～7mm距离， 使每只电刷的作用力在同一轴线。其有关性能参数对照如下表：
　　（2）由于V型单卡簧缺点为碳刷与集电环接触面压力施加不一致，压力不平衡，造成碳刷在刷握内弹跳现象，2012年度检修期间将V型卡簧更换为U型恒压双卡簧形式。在后期运行过程中观察发现碳刷打火现象基本消失，总结缺点为运行过程中由于该发电机转速高，产生碳粉量较多，发电运行期间需定期进行碳粉清扫并且存在个别卡簧疲劳断裂的现象。
　　（3）在2013年的运行过程中，原集电环还存在一定程度的磨损现象，公司技术人员和主机厂家共同商定后，将20#钢集电环更换为不锈钢材质的集电环，提高了集电环硬度，集电环表面耐磨性大大增强。在保证碳刷满足励磁电压和电流的前提条件下，大大降低了集电环磨损程度，减少了集电环条痕、槽纹等不良现象。 　　（4）结合更换碳刷后运行中产生碳粉较多的情况，在碳刷允许压力值范围内适度降低恒压卡簧压力，2015年年度检修过程中将杂木寺电站3#发电机组原配7kg压力卡簧更换为4kg压力值的卡簧，在保证卡簧满足碳刷所需压力的条件后，每两年为一个周期调换励磁电流正负极，使集电环正负极表面磨损均匀，更加延长集电环使用寿命。
　　5 改造后的意义及效果
　　（1）使用U型恒压双卡簧替代原有的V型单卡簧，可以有效提高碳刷与集电环的接触面，减少碳刷在刷握内卡涩、受力不均匀的问题，可以有效提高发电机励磁性能的可靠性。压力值4kg卡簧较7kg压力值较低，保证碳刷所需压力的前提下降低了集电环表面磨损，延长碳刷和集电环使用寿命。
　　（2）将原型号为J201碳刷更换型号为NCC634碳刷，同时在满足导电率的前提下提高集电環材质的机械强度，降低了高转速发电机运行期间碳刷对集电环表面的磨损程度，从根本上解决了高转速水轮发电机集电环磨损较快的问题，进而延长了集电环的使用寿命。
　　6 结束语
　　经过多年的探索实践，高转速水轮发电机碳刷过热打火及集电环磨损的主要原因有电腐蚀、集电环材质易磨损、碳刷材质过硬、无法形成氧化膜等。要消除碳刷过热打火、集电环磨损严重等现象，就要选择相应材质的集电环;定期对励磁电流的极性进行调换;选择合适的碳刷材质，根据额定励磁电流的大小必要时改变碳刷的数量，给氧化膜形成和正常工作创造条件;运行中加强监视，及时清理集电环和刷架附着的碳粉;用红外测温装置定期测量集电环和各碳刷的温度，分析同温度同工况下的运行状态;检修期间根据每个碳刷的磨损状况适当调整刷握与集电环距离，及时更换碳刷和尽可能使用恒压弹簧。选择合适的碳刷型号是十分重要的，各类碳刷由于制造时所选用原材料和工艺不同而造成技术性能的差异。因此在选择碳刷型式及材质时，应该综合考虑碳刷的性能和发电机对碳刷的要求。对集电环磨损和碳刷过热、打火应给予足够的重视，及时处理，阻止故障的发展。
　　参考文献：
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