李坚
(浙江浙能水电管理有限公司浙江省杭州市311322)
摘要:本文主要介绍了华光潭二级电站三、四号机投产以来,多次出现“转子一点接地”发信号的情况进行了原因及后果分析,同时提出了处理办法。
关键词:华光潭;滑环碳粉;处理方案
1电站概况
华光潭梯级电站位于浙江省临安市分水江干流昌化江上游的巨溪上,由一级电站和二级电站组成,总装机85MW。二级电站3#、4#机组2X12.5MW,枢纽建筑物由拦河大坝、引水系统、发电厂、升压站等组成,2004年5月12投产发电。
2故障现象及分析
二级电站自投产发电以来,三、四号机多次出现“转子一点接地”发信号,现场工程技术人员对发信原因进行查实,检测到发信号时转子回路的实际绝缘电阻值只有10KΩ左右,确实已达到保护发信号定值,排除了误发的可能。现场人员转而对转子回路进行了检查,发现转子磁极上积有油污及粉尘,找到了引起转子绝缘下降的原因。其中油污来自于发电机上部油槽的甩油,粉尘则可能是滑环碳刷磨损引起。现场人员为降低粉尘临时装了两台吸尘器,但从运行效果看,并不理想。
3磨损的基本概念
碳刷和滑环间工作面的磨损有两种:一是纯机械磨损;一是在电流作用下的电气磨损和机械磨损。
(1)纯机械磨损
碳刷和滑环表面相接触,由于弹簧压力作用和材料弹性变形的缘故,使直接接触部分互相嵌入。当相对滑动时,当然有摩擦作用而形成磨损。如果碳刷颗粒细软,则碳粉易被沾在滑环表面,使滑环成为具有亮滑的石磨镜面,碳刷的磨面也很光滑,两者的机械磨损都较小。但如果碳刷质量不佳,颗粒粗硬,或甚至含有少数如金刚砂之类的硬质颗粒,则必然会对滑环表面进行刮割,使后者出现金属光泽或纹路,碳刷本身磨面也会出现硬粒脱落后而划出的纹道,这就使机械磨损大大增加。
(2)在电流作用下的电气磨损和机械磨损
在电流作用下,不仅有机械磨损,还有电气磨损。所谓电气磨损,指的是由于电弧高温和放电等因素的作用,使极面材料受到损坏的情况。而由于电气磨损影响极面,所以也会对机械磨损的程度产生影响。
由于电流通过碳刷和滑环的接触面,且其直接传导的部位不断变动,电流密度又很大,使一些点温度很高;又由于电弧的高温作用,会使两侧极面局部熔化、脱落,金属会变成金属蒸汽,碳刷则结构松化,受氧化腐蚀而脱落,此即电气磨损的表现。但是,极性不同,磨损情况是不一样的。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”。由于阳极蒸发和阴极粉化的作用,碳刷和滑环由于电流方向不同会出现极性差别。
当电流由碳刷流向滑环时,此时碳刷为正极,滑环为负极,则结果是:碳刷面上发生微小程度的阳极蒸发,碳粒、石墨离子迁移到滑环表面,碳刷有电气磨损。滑环表面有轻微的阴极粉化,并附着碳粒、石墨,成润滑、光泽的镜面。由于滑环表面平滑,机械磨损较小。当电流由滑环流向碳刷时,此时碳刷为负极,滑环为正极,则结果是:碳刷面上发生阴极粉化,电气磨损小。滑环表面发生阳极蒸发。大量金属蒸发,使其表面损蚀严重,同时,这些金属粒子也易附于碳刷磨损面上,反过来会使换向器表面严重磨损,出现条痕。这种情况下,滑环表面粗糙,呈金属光亮,面间机械磨损大。
总的来说,当碳刷为正极时:碳刷电气磨损大,机械磨损轻微,滑环的电气磨损和机械磨损都很小;当碳刷为负极时,碳刷电气磨损小,机械磨损大,滑环的电气磨损、机械磨损都很大。
为了使磨损均匀一些,对于滑环,因为正环电流由碳刷流向滑环,碳刷正极性,滑环负极性,故正环磨损小;同理,负环磨损大,故两环极性应经常调换。各电厂大修时常倒换正、负环的连接电缆,就是这个道理。
(3)其他方面的影响
弹簧压力。压力过小碳刷和滑环表面接触不稳定,容易引起电弧,使电气磨损增大。压力过大,刷面的硬粒对滑环表面刮割严重,又会使机械磨损增加。因此,弹簧压力要适中。
碳刷本身电阻。不同批次的碳刷混用,其电阻系数不一样,运行中造成碳刷温升不同,导致并联碳刷的电流分配不均匀,不仅个别电流超标,而且磨损增大。
刷架。碳刷中心线不完全垂直于滑环圆周切面,倾斜势必造成碳刷的接触不良、弹簧压力不一致。刷握与滑环表面距离不一致,碳刷有效接触面有差别,刷架周边有毛刺不光滑,易挂碳粉和粉尘,这都会造成碳刷电流偏差增大。
外界环境。滑环和碳刷靠近发电机轴瓦,存在油雾,影响碳刷和滑环的使用寿命。周围空气湿度影响滑环碳素薄膜的形成,从而影响碳刷的导电性能。
4转子绝缘下降原因及后果分析
水轮发电机转子绝缘下降主要原因有:一是转子主绝缘出问题。这两台机投入运行不久,不可能很快出现绝缘老化,有可能是制造工艺或者选用的材料质量出现问题,从现场情况来看,已基本排除。
第二个原因就是脏污引起。从这两台机情况来看,已基本确定是这个因素。脏污来源于发电机上部油槽甩油、发电机滑环碳刷磨损的粉尘,还有可能是由于空冷器结露引起的潮湿环境。
发电机滑环碳刷磨损引起的粉尘,主要原因是由于该发电机部分空间结构设计上的问题。该发电机滑环部分与定子、转子同属一个空间内,当时设计也未考虑一些粉尘处理的措施,滑环碳刷磨损引起的粉尘直接甩到了定子、转子上,再加上油污、潮湿环境,转子绝缘就很容易下降。
水电厂发电机定子、转子运行环境一般都比较潮湿,尤其对水头较高、水温较低的机组,情况更加明显。原因就是空冷器由于水温较低,与空气温差较大,容易结露。
水轮发电机在转子一点接地时不允许长期运行,若继续运行,情况进一步恶化,造成两点接地,将对发电机造成很大冲击,直接影响到发电机的安全,甚至影响系统的稳定。而且油污、粉尘、潮气对发电机定子运行也有较大影响。若长期在这种环境下运行,容易造成定子绝缘下降、泄露加大,将大大缩短定子的使用寿命。
5采取措施
为了减小发电机碳刷和滑环之间磨损,排除因此而带来的隐患,可以考虑如下措施:
(1)机组大修时倒换正、负环的连接电缆。
(2)选用质地均匀、材质较好、厂家指定的同一型号的碳刷。更换碳刷时,尽量使更换产品与运行碳刷保持生产批次相同,尤其是在滑环的同一极上。保证每块碳刷的电阻系数相同,使碳刷的电流分配均匀。
(3)适当增加负极侧碳刷数量,降低电流密度,减少电气磨损,从而降低机械磨损。
(4)制定维护制度,及时擦拭滑环,更换碳刷时弹簧压力要调整适当。运行维护时,特别是更换新刷块和日常清扫刷握时,定量调节刷握弹簧压力为一定值,虽然刷体长短不一,并联运行的碳刷压力却保持一致,使碳刷的磨损有所降低,延长使用周期。
(5)在机组中、小修时,对滑环作充分的研磨,消除滑环上的毛刺。检查刷握的位置,对刷架的安装,使每个刷握安装孔与滑环切面垂直,保持滑环轴线与刷架的轴线同心。机组停运时,按照规定调换滑环极性,控制滑环的异常磨损。
(6)加强对发电机的卫生监督和检查,确保发电机在清洁的环境中运行。利用机组停运的机会,彻底整治发电机轴瓦漏油,使碳刷附近的油雾减少,及时清理滑环和刷架上的粉尘。
6结论
对滑环和碳刷的监视、维护并及时处理其发生的故障和损伤,是保证发电机长期稳定运行的重要工作之一。运行中观察是否有火花及火花的大小,滑环和碳刷装置的温升情况及噪声。开机时,应检查构成滑动接触的各个部件的工作是否正常,滑环的表面状态是否良好,碳刷镜面是否光亮,碳刷体在刷握内上下滑动是否灵活,弹簧压力是否均匀。本文所提出的几种处理方法,是经过实践证实卓有成效的,希望有一定的借鉴作用。日常运行过程中,首先选择质量合格的刷握和碳刷,运行中做好维护,配备直流钳形电流表,定期测量各个碳刷工作电流,尽量调整各个碳刷电流基本平衡;保持碳刷工作状态良好。