一种水轮发电机运行过程中电刷高温的预防方法与流程

1.本发明涉及一种水轮发电机运行过程中电刷高温的预防方法，属于水电站发电技术领域。


背景技术：

2.水电站的发电机采用电刷装置提供励磁电流，在高负荷运行期间，发电机电刷温度普遍超过标准运行温度(120℃)，甚至存在集电环与电刷装置的打火现象，极易引发环火事故，存在较大的安全隐患。采用常规维护方法处理后(如调整更换碳刷、更换集电环、发电机滑环室加装通风设备等)，集电环与电刷运行温度仅得到短期扼制，在长时间高负荷运行条件下，电刷运行温度仍会呈现上升趋势，得不到根本解决，仍然存在影响发电机安全运行的隐患。因此，需要研究出一种更完善的方法来有效预防和解决发电机运行过程中电刷温度过高的问题。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提高一种水轮发电机运行过程中电刷高温的预防方法来保证电刷装置的平稳正常工作，进而保证发电机的安全经济运行。
4.本发明采用如下技术方案：
5.一种水轮发电机运行过程中电刷高温的预防方法，其特征在于：结合电刷装置维护、集电环维护和其他方面维护三个部分对电刷高温进行预防；
6.电刷装置主要包括电刷、刷握、刷架、恒力弹簧：电刷是主要的导电设备，安装在刷握内部，其作用是给电刷施加压力，使电刷与集电环表面充分接触，并克服发电机旋转摆度，使电刷跟随发电机旋转摆度灵活动作；刷握(铜质)是固定电刷的支撑框架，安装在刷架上，不与集电环直接接触；刷架是固定刷握的支架，可以少量调整位置，以配合调整刷握与集电环的距离位置；恒力弹簧安装在刷握内部，其主要作用是压紧电刷，使电刷与集电环接触紧密。
7.电刷装置由于自身多种因素，都可以引起各电刷装置的运行电流分布不均匀，从而导致电刷装置温度异常升高，电刷装置维护也是多方面的，包括：
8.(1-1)根据实际使用情况选择合适电刷，保证电刷导电能力和耐磨性能满足发电机运行需求；
9.(1-2)调整发电机正负极电刷数量，进而降低流经每个电刷的电流，降低发热量；
10.发电机的设计阶段，即对电刷进行了选择，然而在实际运行的过程中，往往存在电刷不满足现场需要的现象，如电刷的整体导电能力不满足实际运行的需求、电刷的硬度较低易磨损等情况，因此需要再根据实际的使用情况选择最适合的电刷型号，此外，电刷的数量也会有影响，当电刷的数量不足时，电刷装置通过的额定电流值不满足发电机额定励磁电流的需求，高负荷运行期间电刷装置通过励磁电流的裕度不足，增加电刷的数量才能满足需求，可以明显降低电刷的电流，减少发热。
11.(1-3)将弹力不满足要求的恒力弹簧进行更换；
12.部分电刷温度过高，恒力弹簧在长期高温运行工况下发生退火现象，弹力会受到较大影响，弹力值降低，且旧弹簧存在不能完全恢复卷曲的情况，弹簧弹力变小会导致电刷与集电环的接触面受力不足，同时影响碳刷在刷握内的运动状态，通过各碳刷传递到集电环的电流不均衡，导致部分电刷装置的运行电流偏大、发热量偏大，引起部分电刷装置温度异常升高，甚至造成电刷装置与集电环存在间隙，导致发生打火现象。
13.发电机检修期间，使用弹簧拉力计逐一检查每台机组电刷装置的恒力弹簧，并统计检测数据，更换弹力不满足要求的弹簧；机组正常运行过程中，每半年对弹簧进行一次外观检查及弹力检测，及时更换不能自然卷曲或弹力不足的弹簧。
14.(1-4)对电刷装置进行清扫；
15.电刷装置内电刷长时间做往复运动，电刷会逐渐磨损并产生碳粉，在刷握内部会积累大量碳粉，导致电刷装置容易发生卡涩现象，电刷不能在刷握中顺畅活动，从而导致电刷装置与集电环接触不良，引起电刷装置温度升高；同时，大量碳粉的堆积，也存在电刷装置打火现象引发集电环和电刷装置发生环火的隐患，严重影响发电机的运行安全。
16.发电机组检修期间，对电刷装置进行统一清扫，先使用吸尘器去除碳粉，再使用酒精擦拭电刷装置，使刷握内部无碳粉污垢，碳刷可以在刷握内前后灵活移动；如清理碳粉后仍有卡涩现象，打磨刷握内侧或更换新的电刷装置；运行期间结合发电机停机机会，将清扫电刷装置碳粉清理干净。
17.(1-5)选择同一型号且同一批次的电刷；
18.不同型号、不同批次的碳刷导电率不一样，导致电流在各电刷装置分布不均匀，从而引起部分运行电流较大的电刷装置温度异常升高；同时，不同型号、批次的碳刷磨损速度也不一样，导致部分电刷装置内的碳粉堆积较多，容易形成其他安全隐患因素，因此尽量选择同一型号且同一批次的电刷。
19.集电环也叫导电环、滑环、集流环、汇流环等，它可以用在任何要求连续旋转，同时又需要从固定位置到旋转位置传输电源和信号的机电系统中，发电机集电环安装在发电机励磁系统的转动部分中，与转子同步旋转，同时接收从固定的电刷装置传递过来的励磁电流。集电环的表面可能存在氧化层被破坏或脏污等情况，导致电刷装置中正负极磨损程度不均匀、与电刷装置接触不良等情况，引起部分电刷装置温度异常升高，甚至发生打火现象，集电环维护包括：
20.(2-1)将发电机滑环室内励磁电缆正负极进行调换，以平衡集电环正负极磨损量；
21.在电弧作用下，阳极(正极)表面局部灼热而蒸发出“金属蒸汽”，使阳极表面损蚀，这叫“阳极蒸发”；阴极(负极)因受正离子撞击和高温作用发射电子，使阴极表面也遭受破坏，这叫“阴极粉化”。
22.总的来说，当电刷为正极时：电刷电气磨损较大，机械磨损轻微，滑环的电气磨损和机械磨损都很小；当电刷为负极时：电刷电气磨损小，机械磨损大，滑环电气磨损、机械磨损很大。故励磁系统中集电环和电刷装置的运行极性应经常调换，以保障其两极磨损均匀。
23.发电机组检修期间，将发电机滑环室内励磁电缆正负极进行调换，励磁电缆正负极调换时，应同步将转子引出线铜排进行调换，防止转子磁极正负极接反。
24.(2-2)对集电环表面进行打磨；
25.发电机组检修期间，用精锉刀或天然油石局部修磨集电环表面的电蚀点；机组静态试验结束后，发电机空转状态下使用天然油石对集电环表面进行打磨处理，包括粗磨和细磨两道工序；运行期间结合停机机会开展集电环的打磨工作。
26.(2-3)对集电环表面以及其通风沟槽进行清扫；
27.氧化层是机组在运行旋转过程中，集电环与碳刷产生摩擦，在两者表面形成的保护层，其作用是减小集电环与碳刷的摩擦系数，有效降低发电机运行中碳刷的抖动和噪音，减小碳刷与集电环的接触电阻，使碳刷和集电环的电流、温度始终处于正常值，确保其使用寿命。
28.集电环在运行工况下长时间与碳刷摩擦，集电环表面和散热勾槽内会积累大量碳粉，加大接触电阻，影响集电环与碳刷的正常散热，严重时发生碳刷打火现象，灼伤集电环表面，形成电蚀坑，不光滑的集电环表面更加剧了碳刷的磨损，形成恶性循环，最终导致集电环表面氧化层被破坏，表面电蚀现象更加严重，电刷装置间的电流分配不均匀，部分电刷装置的运行电流增大，超过了碳刷运行的额定电流，其运行温度也异常上升，甚至引发电刷装置与集电环间产生打火现象，严重时打火现象可能导致碳刷与集电环环之间发生环火事故，造成发电机运行事故。
29.发电机组检修期间，用无水酒精对集电环表面脏污点及其沟槽进行清洁处理，针对难以处理的污点，使用勾刀进行清理；运行期间根据发电机运行情况，在停机状态下开展集电环的清理工作。
30.除了上述电刷装置和集电环自身原因所引起的发电机运行是电刷温度过高，环境原因也会引发此现象，由于滑环室内部安装了集电环与电刷装置及支架系统，是一个相对密闭的空间，除留有一定数量的自然通风孔外，无额外的强制通风散热装置，在汛期机组大负荷运行条件下，电刷装置产生的额外热量无法依靠自身散热实现有效降温，便会使整个滑环室环境温度升高，进而影响电刷装置的运行温度，可以相应的设置一些辅助装置进行通风散热。另外，以下两方面也会引起电刷过热，也需要进行相应的维护。
31.(3-1)校准碳刷中心线与集电环表面的垂直度；
32.发电机电刷装置的刷架是通过螺栓与正负极相连接，高层刷架通过支座与正负极相连接，刷架和支座的螺栓孔均为“腰形”孔，若安装或检修时未进行电刷装置中心线的校准，极易造成电刷中心线与集电环表面不垂直，不符合《立式水轮发电机检修技术规程》(dl/t 817-2014)的标准要求，同时也会导致运行中电刷与集电环表面的接触面积不够(要求接触面积不应小于电刷端面的3/4)；电刷中心线发生倾斜会直接导致电刷“偏磨”，且每只电刷倾斜量不一样，“偏磨”的量也会不一样，使得每只电刷与集电环的接触面积不一致，最终导致通过每只电刷的电流不一致。电刷装置的“偏磨”现象也会导致电刷磨损形状的不规则，甚至在电刷和集电环之间形成空隙，引起打火现象，加剧集电环的电蚀现象，甚至导致环火事故。
33.发电机组检修期间，对转子进行盘车调整来校准碳刷中心线与集电环表面的垂直度，或者松开刷架的固定螺栓，适量调整刷架位置，确保刷架应垂直对正集电环表面切线。
34.(3-2)调整电刷刷握与集电环之间的距离。
35.《立式水轮发电机检修技术规程》(dl/t 817-2014)7.3.4条明确要求“刷架距离集电环表面应有2mm～3mm间隙”。然而实际运行过程中电刷刷架距离集电环表面的间隙最高
达5mm，且每只电刷的间隙还不一致。发电机电刷刷架距离集电环表面的间隙过大，造成电刷装置的电刷振动幅度增大，电刷装置运行稳定性降低，电刷的磨损量变大且磨损不均匀；发电机电刷刷架距离集电环表面的间隙过小，则存在机组振动偏大时刷架与集电环接触，造成金属间的摩擦，一方面造成集电环和刷架的机械磨损，另一方面会发生严重的打火现象，甚至引发环火事故；每只电刷的间隙不一致，造成恒力弹簧压紧力不一致，导致每只电刷电流不均，最终造成部分电刷装置的运行电流偏大，电刷装置运行温度迅速升高。
36.将每只电刷装置的刷握与集电环表面的间隙调整为3mm。调整方法为：松开刷架或支座连接螺栓，在刷架与集电环之间放置一块3mm厚度的橡胶垫，轻推刷架使之与橡胶垫充分接触，刷握两侧与集电环距离保持一致，刷握中心线与集电环表面切线相垂直，再拧紧固定螺栓。
37.工作原理：本发明对引起电刷装置温度异常升高的根本原因进行分析，针对电刷装置、集电环和其他方面采用相应的防护措施对电刷装置和集电环进行维护，避免发电机组运行时出现电刷温度过高的现象，同时在出现此类问题后可以技术有效的采取对应处理方法。
38.有益效果：
39.(1)本发明深入全面的分析出导致发电机电刷温度过高的因素，并采用合理的处理方式及时全面的对电刷装置进行维护，预防电刷温度过高，保证发电机安全运行；
40.(2)本发明所采用的方法实施起来成本低廉、不需投入过多的人力物力，降低了维护成本，而且对发电机的保护效果显著；
41.(3)本发明不仅可应用在水电站的水轮发电机中，还可应用在大型电动机的使用中，在同行业中也具有较大的借鉴推广价值。
附图说明
42.图1：实施例1中阿海水电站滑环室集电环及电刷装置；
43.图2：实施例1中电刷装置运行热成像对比图；
44.图3：实施例1中电刷装置与集电环的接触面示意图；
45.图4：实施例1中发电机的正负极增加电刷装置图；
46.图5：实施例1中发电机电刷装置改造前后最高运行温度示意图。
具体实施方式
47.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.实施例1：本实施例以阿海水电站为例进行详细说明，阿海水电站发电机由哈尔滨电机厂设计制造，型号为：sf400-68/16250，额定容量：444.5mva，额定电压：20kv，额定转速：88.2r/min，额定励磁电流：2855.2a，额定励磁电压：434.1v。发电机集电环直径约1800mm，正负极各安装电刷24只，投产运行至今一直使用摩根新材料(上海)有限公司生产的碳刷，碳刷型号：e468(曾使用过ng16型)，规格：34mm
×
38mm
×
60mm，单位截面积通过电流
为9a/cm2，单只电刷额定通过电流116.28a，电刷装置采用上下层布置。
49.如图1所示为本水电站滑环室集电环及电刷装置，在汛期大负荷运行方式下，全厂日均有功功率2000mw，机组长周期处于满负荷运行状态，加之500kv母线电压控制较高(540kv左右)，机组无功功率均在140～175mvar，发电机励磁电流在2500a以上，各机组集电环电刷运行温度普遍在120℃以上，部分电刷温度达到180℃左右，如图2所示为本电站中3号发电机上层5号电刷装置运行对比图，左边图(a)为正常情况，最高运行温度为115.4℃，右边图(b)为高温时的图像，最高运行温度为184.3℃，严重超过了电刷正常运行温度范围。由于电刷运行温度过高，易引起电刷与集电环接触不良发生打火现象，破坏集电环表面保护性氧化层，导致集电环表面出现大量电蚀坑，造成接触电阻增大，电流分布不均，加剧滑环与电刷温度持续上升。同时，若频繁出现电刷打火易导致碳粉燃烧，造成集电环发生环火事故，影响机组安全运行。
50.电厂2019年汛期出现发电机电刷温度异常升高后，便立即着手采取措施进行处理，在采用常规维护方法处理后(如调整更换碳刷、发电机滑环室加装通风设备等)，集电环与电刷运行温度仅得到短期扼制，在长时间高负荷运行条件下，仍处于高温运行状态，对发电机安全稳定运行造成严重威胁。而发电机电刷装置温度异常升高是普遍存在的问题，相关电厂已开展了技术改造，采取更换集电环、更换电刷等方式进行处理，单台机组集电环改造费用超过40万元，若按我厂5台机组测算将投入改造费用约200万元，但改造效果仍不能到达预期，在经过一个汛期高负荷运行后，电刷运行温度仍会呈现上升趋势，得不到根本解决，仍然存在影响发电机安全运行的隐患。
51.阿海水电站自出现发电机电刷装置温度异常升高的情况以来，一直坚持开展电刷装置运行情况跟踪检测，每日定期检测温度超高的电刷装置，确保电刷装置的运行温度在可控范围之内，同时对各电刷装置的运行温度及运行电流进行统计(见表1)，为后期原因分析提供参考数据。
[0052][0053]
通过表2中电刷装置的运行温度和运行电流数据分析，发现其运行温度与运行电流呈正相关系，即运行温度较高的电刷装置其运行电流较大，运行温度较低的电刷装置其运行电流较小，并且在处理高温电刷装置的过程中发现，新更换的电刷装置普遍存在运行温度急剧上升且电刷装置运行电流特别大的情况，电刷装置经过一段时间的磨合后，运行温度和运行电流逐步降低。
[0054]
根据热量产生公式：q＝i2×r×
t，可以初步判断电刷装置因电流分布不均匀，部分电刷的电流偏大，导致产生的热量偏大，引起电刷装置温度异常升高，与现场实际检测的数据情况相符。
[0055]
同时在日常维护与检测过程中也发现部分电刷装置与集电环的接触面不光滑，高温电刷装置与集电环的接触面存在明显脏污，如图3所示，(a)为高温电刷装置接触的集电环表面，可见脏污严重，且伴随着电蚀痕迹；(b)为非高温电刷装置接触的集电环表面，无明显脏污，也没有明显的电蚀痕迹，部分区域接触不良的情况，导致电刷与集电环的接触面存在少量的放电打火现象，也会引发电刷装置的温度异常升高。
[0056]
集电环上层连接励磁电流负极，普遍存在电刷装置运行温度比下层电刷装置(励磁电流正极)的温度高的现象；电刷装置电流分布不均匀，更容易产生个别电刷装置温度偏高的情况，进而引发打火现象，导致上层的集电环电蚀现象更加明显。
[0057]
采用前述方法对阿海水电站发电机组出现的电刷温度过高进行处理，针对电刷装置原因的处理措施为：
[0058]
(1)选择更适合现场情况的碳刷
[0059]
碳刷的初始选择是在设计阶段进行的，在实际运行的过程中，往往存在碳刷不满足现场需要的现象。例如碳刷的整体导电能力不满足实际运行的需求、碳刷的硬度较低易磨损等情况。阿海水电站经过综合对比分析，最终选择使用摩根新材料(上海)有限公司生
产的新型e468型号碳刷，不再使用ng16型号碳刷，保障导电能力的同时，兼顾碳刷的耐磨性能。
[0060]
(2)增加各极电刷装置数量
[0061]
电刷装置主要使用e468型碳刷，额定电流为8-10a/cm2，根据计算单只碳刷额定过流量为3.4cm
×
3.8cm
×
9a/cm2＝116.28a，单极装备24只电刷，每极电刷通过的额定电流：116.28a
×
24＝2790.72a，低于发电机额定励磁电流2855.2a，电刷装置通过的额定电流值不满足发电机额定励磁电流的需求，因此可以认为发电机设计采用的电刷数量不足，高负荷运行期间电刷装置通过励磁电流的裕度不足。
[0062]
结合2019年汛后至2020年汛前机组检修，在发电机的正负极增加电刷装置数量。经现场勘查，每台机组正负极各增加4只至5只电刷(如图4所示)，增加后(按照增加4只计算)每极电刷通过的额定电流为：116.28a
×
28＝3255.84a，大于额定励磁电流2855.2a，裕度为14.03％，改造后电刷装置每个碳刷的电流将明显降低，发热量也同步降低，可以有效降低电刷装置的运行温度。
[0063]
(3)更换弹力合格的恒力弹簧
[0064]
在检修期间使用弹簧拉力计(依梦达psm-5k)逐一检查每台机组电刷装置的恒力弹簧，并统计检测数据，新的弹簧拉力值为4-5kg，部分运行的弹簧拉力值仅为3kg左右，且旧弹簧存在不能完全恢复卷曲的情况。更换弹力不满足要求(弹力小于40n)的弹簧。机组正常运行过程中，每半年对弹簧进行一次外观检查及弹力检测，及时更换不能自然卷曲或弹力不足的弹簧。通过检测并更换恒力弹簧的方式，确保电刷装置的弹簧弹力满足要求，避免因弹簧因素造成电刷装置温度异常及发生打火现象。
[0065]
(4)对电刷装置进行清扫
[0066]
发电机检修期间对电刷装置进行统一清扫，先使用吸尘器去除碳粉，再使用酒精擦拭电刷装置，使刷握内部无碳粉污垢，碳刷可以在刷握内前后灵活移动；如清理碳粉后仍有卡涩现象，可以适当打磨刷握内侧或更换新的电刷装置；运行期间结合发电机停机机会，将清扫电刷装置碳粉清理干净。
[0067]
(5)使用同一型号、同一批次的碳刷
[0068]
阿海水电站发电机电刷装置主要使用e468型号碳刷，且各批次的碳刷也存在一定的性能差距；同时少量搭配使用ng16型号的碳刷，此类型号碳刷外观尺寸与e468型相同，硬度比e468型碳刷高，但导通的额定电流低于e468型碳刷，总体而言，ng16型号的碳刷耐磨性较好，产生的碳粉较少，但其额定电流更小，更易导致碳刷因过流造成温度已成升高。
[0069]
发电机检修期间将电刷装置的碳刷更换为同一批次的e468型号碳刷，确保各电刷装置导电性能一致，避免因碳刷不同造成电刷装置电流分布不均匀，引发电刷装置温度异常升高。
[0070]
针对集电环原因的处理措施
[0071]
(1)调整电刷装置正负极
[0072]
与发电机集电环的检查情况做对比，发现电刷装置负极侧对应的集电环磨损较大，且伴随着程度不一的电蚀现象，可以认定电刷装置负极侧的集电环磨损较大，两极磨损随运行时间推移而逐渐不均衡。
[0073]
在机组检修期间，将发电机滑环室内励磁电缆正负极进行调换(励磁电缆正负极
调换时，应同步将转子引出线铜排进行调换，防止转子磁极正负极接反)，以平衡集电环正负极磨损量。
[0074]
(2)打磨集电环表面
[0075]
在机组检修期间，用精锉刀或天然油石局部修磨集电环表面的电蚀点；机组静态试验结束后，发电机空转状态下使用天然油石对集电环表面进行打磨处理(粗磨和细磨两道工序)；运行期间也可以结合停机机会开展集电环的打磨工作。
[0076]
(3)对集电环表面以及其通风沟槽进行清扫
[0077]
在机组检修期间，用无水酒精对集电环表面脏污点及其沟槽进行清洁处理，针对难以处理的污点，可以使用勾刀进行清理；运行期间也可以根据发电机运行情况，在停机状态下开展集电环的清理工作。
[0078]
针对其他因素的处置措施
[0079]
(1)校准碳刷中心线与集电环表面的垂直度
[0080]
解决集电环的同心度问题，最好的方式是在机组检修期间，对转子进行盘车调整，但因阿海水电站的发电机不具备对该机组集电环盘车的能力，便采用另一种调整方式，即在检修期间松开刷架的固定螺栓，适量调整刷架位置，确保刷架应垂直对正集电环表面切线。调整方法可以结合下一条措施同步开展。
[0081]
(2)调整电刷刷握与集电环之间的距离
[0082]
按照规范要求，将每只电刷装置的刷握与集电环表面的间隙调整为3mm。调整方法是：松开刷架或支座连接螺栓，在刷架与集电环之间放置一块3mm厚度的橡胶垫，轻推刷架使之与橡胶垫充分接触，刷握两侧与集电环距离保持一致，刷握中心线与集电环表面切线相垂直，再拧紧固定螺栓；每只电刷装置均重复上述步骤进行调整即可。
[0083]
经检修整改和调整，发电机电刷装置运行正常。在汛期进行跟踪测量，并进行数据对比如图5和表2所示。
[0084]
表2发电机电刷装置汛期最高运行温度监测数据表
[0085][0086]
通过数据对比，在改造后发电机电刷装置的运行温度已明显降低(最高平均温度下降57℃)，最高运行温度不超过120℃，未发生电刷装置温度超限运行的情况；结合维护检查工作，发现电刷装置运行情况稳定，未发生打火现象，最终成效达到了预期目标。
[0087]
按照一次环火事故造成1台机组停产5天计算：
[0088]
避免发电量损失＝发电功率40万千瓦时
×
24小时
×
5天＝4800万千瓦时
[0089]
发电量的换算价值＝0.2元/千瓦时
×
4800万千瓦时＝960万元
[0090]
避免发电机集电环及电刷装置的更换费用，折算为40万元
[0091]
原来每年消耗在电刷装置处理上的人力成本为110人*日，实施该方法后人力成本为20人*日，按照每人每日的人工成本300元计算：
[0092]
每年节省人工成本价值＝300元
×
(110-20)＝2.7万元
[0093]
该方法实施的改造施工费及材料费为2万元/台
×
5台＝10万元
[0094]
该方法持续实施每年消耗材料折算为1.2万元
[0095]
该方法每年创造的经济价值r：
[0096]
r＝960万元+40万元+2.7万元－10万元－1.2万元＝991.5万元，
[0097]
可见本方法不仅有效避免发生环火事故，同时产生了很好的经济效益。彻底解决了阿海水电站电刷装置高温运行的安全隐患，保障了发电机组安全运行。本方法也同样适用于其他大型水电站，可有效降低电刷装置的运行温度；由于大型电动机的电刷装置结构与发电机电刷装置结构类似，本方法也可以推广到电刷装置温度高的大型电动机设备中应用。