某电站励磁系统集电环磨损严重原因分析及改造方案

某电站励磁系统集电环磨损严重原因分析及改造方案

何 ,甫

四川武都电站有限公司   四川绵阳  621000

摘要：水电站发电机励磁系统是发电机中的一个重要组成部分，滑环和电刷均出现了严重磨损、烧蚀现象，对此现象进行原因分析，对导电环电刷过流进行了校核计算，提出改进方案。重新制造整套集电环装置，安装、调试，使滑环与电刷装置达到较好的工作状态。

    关键词：水电站；励磁集电环装置；技术改造

水电站发电机励磁系统的作用是调节系统电压，提高电力系统运行的静态稳定性，改善电力系统暂态稳定性和动态稳定性。发电机励磁系统滑环装置又是励磁系统中的一个重要组成部分，集电环装置的主要功能是将励磁直流电能通过电刷传递给转动滑环，再通过引线传递给转子磁极，使磁极产生磁场，所以集电环装置质量的优劣直接影响着发电机的工作状况。

一、概述：

某水电站是一座坝后式电站，电站位于河床左岸，具有不完全年调节能力，承担部分调峰的中型水电站，电站装机容量3×50MW，额定水头64m，单机额定流量86m³/s，设计年发电量6.2亿kWh，年利用小时数4300小时。三台发电机组分别接成 发-变组单元接线，各经一台6.3万千伏安的变压器升压到220kV，送至27公里以外的220kV变电站，并网入省网。 发电机单机额定功率50 MW,总装机容量150MW,保证出力35 MW,多年平均发电量6.2亿kWh。该水电站三台发电机型号均为SF50-28/6400，发电机转速214.3r/min。该电站机组励磁方式采用-自并激静止可控硅励磁，额定励磁电压：195V，额定励磁电流：1185A，励磁电刷型号：NCC634，励磁电刷布置为正、负级各16只。三台发电机组从安装到运行几个月后，发现电刷与滑环之间电弧较大，温度较高，检修滑环和电刷均出现了严重磨损、烧蚀现象，电刷磨损严重，需每个月更换一次电刷，尤其二号发电机情况最为严重。2013年7月28日，二号发电机滑环因运行过程中电刷跳动、电弧严重、测量滑环温度高达160℃，被迫停机处理。将滑环拆下检查，发现滑环表面发蓝，出现明显电弧腐蚀痕迹。通过请示领导同意，联系厂家相关专家会诊，滑环必须进行返厂修磨处理，修磨后回装投运，磨损现象得到了暂时缓解。

由于该滑环在此之前已经进行过多次修磨，针对这一问题，必须对此现象进行原因分析，通过对导电环、电刷过流进行了校核计算，提出改进方案。

二、励磁滑环温升校核计算：

1、励磁滑环装置基本数据：

滑环转速：nN = 214.3 (r/min)

滑环直径：D = 1.2  (m)

滑环轴向高度：b2 = 0.04 (m)

额定励磁电流：If = 1048 (A)

滑环电刷排数：n1 = 2

每排电刷个数：n2 = 8

滑环数量：n3 = 1

电刷端面尺寸：a1×b1 = 3.2×2 (cm2)

电刷压力(电刷型号为:NCC634)： p 取 17.3 ( kPa )= 0.176 (kg/cm2)  

接触电压降(电刷型号为:NCC634)：Δu取2.7  2.7(V)

摩擦系数(电刷型号为:NCC634)： μ 取 0.25

2、电刷电流密度计算：

      j′ = = = 10.23(A/cm2)

考虑到滑环螺旋除尘沟槽，应进行校核折合计算：通风沟槽宽度为3mm.一个螺距总宽度为12mm,故电刷实际接触面积为： 1-3/12 = 0.75 = 75%  

    实际电流密度为：j =  j′/ 75% = 13.65 (A/cm)  ( 注：对于型号NCC643的电刷允许电流密度值为12 (A/cm2)。

3、每个滑环通过电流时电气损耗：

We = IfΔu÷2×10-3 = 1048×2.7÷2×10-3 = 1.4148 (kw)

4、滑环圆周速度：

V = = = 13.46 (m/s )

5、电刷摩擦损耗：

   Wm = 9.81×10-3×n1×n2×a1×b1×0.75×μ×p×v

      = 9.81×10-3×2×8×3.2×2×0.75×0.25×0.176×13.46 = 0.446(kw)

6、滑环总损耗：

   W = (We×n3) + Wm = 1.4148 + 0.446 = 1.86(kw)

7、滑环散热系数：

     ακ= 50(1+0.7) = 50(1+0.7)= 161.2 [w/m2·k]

8、滑环温升：

  Δt = = = 76.5 (K)

三、滑环与电刷装置存在的问题：

1、根据以上的校核计算发现，电刷电流密度已经达到13.65 (A/cm2)，对于型号为NCC634电刷允许的最大值为 12 (A/cm2)，而实际电流密度偏大。为保证过载时滑环装置仍能安全 (允许)运行，一般应取5-6 (A/cm2)。

2、电刷宽度的选择则是：电刷的轴向长度应正好为沟槽距的整数倍，以避免运行时在电刷下面的槽横向行进时，引起电刷接触宽度有大的变化。

因该机组滑环的槽距为12mm，因此应选择电刷宽度为25mm的电刷，而实际电刷宽度为20mm。使得电刷在运行时接触宽度变化较大，从而造成电刷运行条件变差，不利于电刷的安全运行。

四、改造方案：

    根据以上计算校核结果，需对该励磁滑环及导电环进行重新加工制造。

    1、按照原设计尺寸，联系厂家重新制造整套集电环装置，滑环选择导电性能、耐磨性能较好的40Mn钢材（原用材料为钢16Mn,虽加工焊接性能好，但耐磨性能较差）。并经热处理提高硬度和耐磨性能，因原滑环圆周速度仅为13.46 (m/s )，远小于规定值40 (m/s )，故滑环直径及其它尺寸均保持不变，仍按原尺寸加工制造。其余部件按增加电刷和选择3.2×2.5(cm)规格的电刷进行设计、制造、配置。

2、为了减小电刷电流密度，将电刷个数由原来的16只增加到18只或20只。具体增加个数，要根据实际位置确定。重新制造导电环并调整导电环及电刷的固定位置，使电刷中心与滑环中心相对应装配。

3、重新选择电刷规格，其型号选择为截面尺寸为3.2×2.5(cm2)，品牌选用质量较好的美国（上海）摩根碳刷。使得电刷在运行时接触宽度变化较小。从而改善电刷的运行条件。电刷宽度方向的改变不影响安装空间。

通过上述变更后电流密度值计算如下：

⑴ 电刷增加至20只时的实际电流密度计算：

   j′ = = = 6.55(A/cm2)

        实际电流密度 j = 6.55/0.75 = 8.7 (A/cm2)

 ⑵ 电刷增加至18只时的实际电流密度计算：

   j′ = = = 7.27 (A/cm2)

      实际电流密度 j = 7.27/0.75 = 9.69  (A/cm2)

4、除此之外选择了新型的耐磨电刷上海（美国）摩根碳刷，其具有摩擦系数小和接触电压小的优点，减小了滑环的损耗和温升。从而使滑环与电刷装置系统获得更好的使用效果。

结语

采用本改造方案，通过制造安装调试后，使滑环与电刷装置达到较好的工作状态。机组运行中励磁滑环装置电刷跳动小、温度较低，其稳定性得到了很大程度提高，也减少了维护人员的劳动强度，完全实现了从根本上解决上述问题。通过改造后机组运行半年时间，检查滑环和电刷，滑环光洁如新，电刷磨损量很少。在机组设备运行过程中，加强了励磁滑环装置的日常检测、维护保养和清洁卫生，大大的提高励磁滑环装置运行的稳定性，为电站的安全生产提供较好的安全保障，带来较高的社会效益和经济效益。

参考文献

[1]李基成.现代励磁系统设计及应用[1]中国电力出版社.2022。

[2]吕敏泰.水电站励磁系统改造[J].探讨城市建设研究（中国电能及电气化，2012（12）

[3]GB/T8564-2003,水轮发电机组安装技术规范[S]。

[4]   GB7409-87同步发电机励磁系统基本技术条件。

作者介绍：

何 甫，男，工程师，就职于四川武都电站有限公司，从事水电站设备运行维护工作。

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