紫坪铺电厂发电机刷架及碳粉收集装置技改尹冲

紫坪铺电厂发电机刷架及碳粉收集装置技改尹冲

尹冲桂列鑫

（四川省紫坪铺开发有限责任公司四川成都610091）

摘要：紫坪铺电厂投产后，集电环、碳刷、刷握等部位碳粉堆集情况严重，集电环绝缘性能下降，2016年机组碳刷打火现象加剧，维护人员经常停机进行人工清扫，严重影响机组连续可靠运行。鉴于以上原因，先期对4#机组进行技改，更换刷架、加装碳粉收集装置，技改后碳刷打火现象得以消除，现机组运行状况良好。

关键词：碳刷打火；原因分析；技改方案；应用情况

1、概述

四川省紫坪铺电厂位于四川省都江堰市境内的岷江上游，具有灌溉、供水、防洪和发电等综合利用效益，大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高156m，总库容11.12亿m3。电厂装机总装机容量760MW，年发电量约34亿kW•h，以一回500kV出线接入成都环网。电厂承担四川电网调峰、调频、事故备用等任务，是川西电网比较经济的调峰调频电源。

2、技改背景

紫坪铺电厂自2005年投运以来，4台发电机在运行过程中，碳刷与集电环摩擦产生大量碳粉，因机组未安装碳粉收集装置，碳粉无法有效排除，集电环、刷握、励磁引线、螺杆等部位碳粉堆集现象十分严重；转子接地电阻时常报警，维护人员经常停机进行人工清扫，严重影响机组连续可靠运行。2013年3#机集电环与碳刷拉弧导致集电环和刷握严重烧损，集电环返厂处理并更换全部碳刷和刷握，造成不必要的经济损失。2016年1#、3#、4#机组碳刷打火现象加剧，机组带负荷与不带负荷均打火。停机处理排查故障原因（如：加大恒压弹簧压力、变更碳刷数量、调整刷握角度等）数十次，均无较大好转，无法彻底解决碳刷打火缺陷，为保持滑环室内清洁无碳粉堆积，提倡绿色环保运行，故有必要加装碳粉收集装置。

3、碳刷打火原因分析

3.1上下导电环各由2个1/4环组成，机组运行时，相对于整环，刷架更容易振动，从而可能引起碳刷打火。

3.2机组额定励磁电流1380A，每极有14只碳刷，尺寸为32×32，电流密度为9.6A/cm2，其电流密度偏大可能引起碳刷打火。

3.3发电机在运行过程中，碳刷与集电环环面摩擦产生大量碳粉，碳粉在外罩内四处飘散，无法有效排除，使碳粉积存覆盖在集电环、碳刷、刷握、励磁引线、螺杆及绝缘垫圈等处，导致集电环绝缘性能急剧下降。

4、技改方案：

紫坪铺电厂190MW水轮发电机组刷架碳粉收集装置技改方案有以下主要内容：

4.1碳刷选型：根据碳刷选型原则，碳刷允许线速度＞碳刷与滑环相对线速度，电厂发电机额定转速为150r/min，滑环直径1870mm，碳刷与滑环相对线速度约为14.68m/s，上海摩腾HMT-702碳刷允许最大线速度70m/s，符合要求；碳刷电压降越小越好，上海摩腾MT-702碳刷电压降为2.8V，不大于要求值4V，符合要求；碳刷允许电流密度＞实际电流密度，电厂发电机额定励磁电流1380A，设计电流密度5.3A/cm2，HMT-702碳刷允许电流密度9.3A/cm2，符合要求；依据以上技术指标，可选择上海摩腾HMT-702碳刷。

4.2碳刷数量：机组容量190MW，额定励磁电流1380A；预计增容后机组容量210MW，额定励磁电流1450A。碳刷电流密度取值区间为0.07～0.08A/mm2。集电环沟槽凹、凸部分分别是3mm和9mm，碳刷接触系数为0.75，考虑到碳刷与集电环的贴合度和碳刷的跳动等综合因数，碳刷接触系数取0.7。上海摩腾HMT-702碳刷尺寸为34mm×38mm×64mm。依据计算原则，碳刷数量N=I/（S*k）（I：额定励磁电流；S：碳刷截面积；k：接触系数），所以在工况190MW时和210MW时，碳刷数量分别为19只/极和20只/极。本次技改将在导电环圆周上预留多个碳刷备用位置，运行过程中可根据实际情况适量增、减碳刷。

4.3碳粉收集系统：

4.3.1装设集电环集尘罩、风管路和碳粉收集装置，机组启机时无延时自动投入碳粉除尘器，机组停机时经一定延时自动停止碳粉除尘器。

4.3.2碳粉收集装置工作原理：通过封闭腔体密封碳粉尘，避免碳粉尘污染发电机及其周围空间，利用除尘器收集处理碳粉尘。先用集尘罩使滑环与刷杆座在一个密闭腔体内，再用碳粉除尘器将含有碳粉的气体由集尘罩出风口吸出，外部空气由集尘罩与集电环之间的间隙进入腔体，补充被吸走的气体，如此循环，即能带走碳粉又能将摩擦产生的热量带走，有效降低滑环表面温度。

4.3.3安装要求：

4.3.3.1集尘罩安装时，不仅要保证集尘罩具有一定的密闭性，还需考虑因发电机甩负荷而产生抬机现象时，集电环和集尘罩不能相互接触。

4.3.3.2绝缘档板与集电环缝隙用绝缘胶填满封堵。

4.3.3.3由于集电环为转动部件，集尘罩所用螺栓必须用螺纹锁固胶锁死。

4.4控制系统：在滑环室内装设风机控制箱，控制箱设“手动-切除-自动”定位接点选择开关，除尘器既能独立手动启停，也可自动启停。将风机启停开关量接入机组开停机流程，除尘器随机组运行情况而自动启停。风机运行和故障信号上传监控后台，运行人员可随时观察除尘器运行情况。

4.5外罩通风降温：为解决滑环室内温度较高问题，对外罩进行改造，采用通风冷却方案，如下图：

4.6刷架：现有的水轮发电机组碳刷分布主要有整圆分布和双半圆分布两种方式。双半圆布置方式有以下特点：可以在不拆卸碳刷的情况下，为清扫和打磨集电环环面提供另外半圆空间，便于带电处理碳刷打火。但是，这种分布方式碳刷之间的工作空间较小，不便带电更换碳刷，也不利于散热，与整圆分布相比电流分布不够均匀。整圆布置方式有如下特点：碳刷之间的工作空间较大，便于带电更换碳刷，同时有利于散热，电流分布均匀。鉴于以上因素，本次技改将原双半圆刷架改造为整圆式刷架，可提高机组运行过程中刷架的稳定性，避免因刷架振动过大而导致的碳刷产火情况。刷架上下环之间加装绝缘隔板，防止正负极短路。刷架支撑螺杆加装绝缘垫块，提高刷架整体绝缘性。

4.7刷握：将原刷握更换为可带电拆卸式单孔刷握，以便在不停机的情况下抽出刷握，检查碳刷磨损情况和更换碳刷。该类刷握易于调整正对滑环中心，且单孔刷握稳定性更好，不受相邻碳刷影响。

4.8集电环加工：将集电环返厂进行车削处理，对集电环沟型槽槽边进行倒角处理，并对倒角处进行修磨，剔除局部高点或毛刺，保证集电环表面光洁度。集电环安装前进行绝缘电阻测试和直流耐压检测。

5应用情况

根据计划安排，2017年1月，在4#机组A修期间完成了该机组刷架和碳粉收集装置的技改工作。2017年2月22日，对4#机组碳刷进行单个电流测试、碳刷与集电环接触面进行温度测试，电流分布均匀，集电环上环温度在51℃左右、下环温度在53℃左右。为了更好的在碳刷表面形成氧化膜，改变碳刷与集电环的接触性、减少摩擦、降低磨损、延长使用寿命，将上下环各拆除2只碳刷，即上下环各保留18只碳刷。调整碳刷数量后，上下环温度各升高近10℃，效果明显改善。经过6个月的运行验证，4#机组集电环、刷握、励磁引线、螺杆等部位碳粉堆集现象大大减少，避免了油性碳粉污垢的产生，成功解决了碳刷打火缺陷，现运行状况良好。

作者简介：

尹冲（1978—）男，四川营山人，从事水电厂技术管理工作；桂列鑫（1973—）男，四川茂县人，从事水电厂技术管理工作