引言

碳刷是發(fā)電機固定部分和轉(zhuǎn)動部分之間傳遞能量或信號的裝置。碳刷的作用如下:(1)消除大軸對地的靜電電壓:(2)供轉(zhuǎn)子接地保護裝置用:(3)供測量轉(zhuǎn)子線圈正、負極對地電壓用。

碳刷性能良好的標志:(1)在換向器或集電環(huán)表面能較快形成一層均勻、適度和穩(wěn)定的氧化薄膜:(2)電刷的使用壽命長,不磨損換向器或集電環(huán):(3)電刷具有良好的換向和集流性能,使火花抑制在允許的范圍內(nèi),并且能量損耗小:(4)電刷運行時,不過熱,噪聲小,裝配可靠,不破損。

碳刷若存在問題,將會給機組安全穩(wěn)定運行帶來巨大的潛在威脅,原因如下:(1)發(fā)電機采用水一氫一氫冷卻方式,嚴禁發(fā)電機周圍明火:(2)發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護設置了跳機程序:(3)軸振標準在80μm以內(nèi),達到130μm就會跳機,長期振動較大不利于機組安全穩(wěn)定運行。

1設備概述

某廠七期兩臺1000Mw機組,發(fā)電機原廠汽端6號軸承座、勵端7號軸承座分別裝有5只大軸接地碳刷。其中汽端碳刷為兩組,每組兩只碳刷,裝在轉(zhuǎn)子大軸正上方12點處的一組用于轉(zhuǎn)子一點接地保護測量,裝在大軸東側(cè)3點處的一組用于轉(zhuǎn)子軸電流、軸電壓參數(shù)的測量:勵端僅一只碳刷,裝在大軸12點處,用于測量轉(zhuǎn)子軸電壓。

制造廠原采用EG5UAG20型號雙層碳刷,材質(zhì)有兩種:滑入邊選擇使用潤滑性能好的石墨基電化石墨材質(zhì),滑出邊選擇使用含銀電化石墨材質(zhì)。簡單地說,這種碳刷使用時轉(zhuǎn)子先通過碳層滑入,再由銀層滑出。該碳刷截面尺寸為2×0.8=1.6cm2,彈簧壓力為0.4kg/cm2。

2異常情況分析及處理

兩臺1000Mw機組自2011年投產(chǎn)運行后,大軸接地碳刷發(fā)生了多次異常情況。

2012年7月4日,#13機組#6軸瓦軸振逐步升高,且上下波動幅度較大(圖1)。

就地測#6軸瓦振動、溫度正常,就地聽音正常,但檢查發(fā)現(xiàn)#6軸承座的發(fā)電機大軸接地碳刷時常發(fā)生跳火現(xiàn)象,且時有爆鳴狀火花。對發(fā)電機接地碳刷滑環(huán)清理并更換接地碳刷后振動稍有好轉(zhuǎn),但過不了多久振動再次加劇。據(jù)此分析,很可能是由于電火花干擾#6軸承座的振動測量元件,使其軸振異常升高。

2012-07-01T16:05,#13機組"發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地報警",就地檢查轉(zhuǎn)子系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)明顯異常,按相關規(guī)定解除轉(zhuǎn)子一點接地保護。隨后檢查發(fā)現(xiàn)用于轉(zhuǎn)子一點接地裝置測量的碳刷有跳火現(xiàn)象(圖2),于是開搶修工作票進行發(fā)電機接地碳刷的清理。完成后保護班對勵磁系統(tǒng)進行檢查,正常后復歸光字牌,投入轉(zhuǎn)子一點接地保護。發(fā)電機#6軸瓦接地碳刷與大軸接觸不良是接地報警的主要原因,能否完全消除此缺陷是轉(zhuǎn)子接地正常投用的前提條件,運行人員對碳刷的維護也是重要的原因。

根據(jù)這些現(xiàn)象,結(jié)合實際情況分析,這兩次異常都是碳刷接觸不良跳火導致的。而碳刷跳火一般有以下幾種情況:

(1)碳刷過短導致其壓簧伸長、壓力下降,碳刷與滑環(huán)接觸不夠緊密:

(2)碳刷的均壓彈簧壓力偏小,碳刷與滑環(huán)接觸壓力小,接觸電阻增大:

(3)發(fā)電機軸瓦振動大,導致滑環(huán)與碳刷接觸不良:

(4)滑環(huán)不圓導致滑環(huán)與碳刷接觸不良,接觸電阻大:

(5)滑環(huán)與碳刷的接觸面有臟污,導致滑環(huán)與碳刷接觸不良:

(6)碳刷設計不合理或者碎裂,導致其與滑環(huán)接觸面積過小,接觸電阻過大:

(7)軸電壓過高。

為保證機組安全,必須消除這5只碳刷的接觸不良和跳火現(xiàn)象。為此,運行維護人員采取了一些臨時措施:

(1)增加碳刷更換頻率,碳刷稍有碎裂和臟污就進行更換,新碳刷長度更長,使得壓簧行程縮短,增加了接觸壓力,改善了接觸效果:

(2)更換碳刷前對碳刷與滑環(huán)的接觸面充分研磨,使碳刷與滑環(huán)盡量緊密貼合:

(3)每次更換碳刷時檢查刷架結(jié)構及彈簧松緊度,清理刷架積粉:

(4)使用棉布蘸取四氯化碳溶液清洗滑環(huán):

(5)加強對接地碳刷與轉(zhuǎn)子大軸間接觸電阻的監(jiān)測,定期測量電阻,確保轉(zhuǎn)子接地保護裝置的可靠運行。

此后情況雖有所好轉(zhuǎn),但碳刷破損情況發(fā)生頻繁,運行維護人員工作量大幅增加,未解決根本問題。

由于制造廠選用刷盒尺寸較小,碳刷截面積、彈簧壓力均偏小,在現(xiàn)場惡劣的運行環(huán)境下易產(chǎn)生振動,使碳刷破裂及磨損嚴重:又因發(fā)電機汽端密封瓦蓋處長期有油汽滲出,油污及碳粉附著在測量碳刷的刷架和轉(zhuǎn)軸上,增大了碳刷與轉(zhuǎn)軸之間的接觸電阻,易產(chǎn)生火花。最終,向設備管理部申請利用停機檢修的機會,將刷握進行改裝,增大刷盒的尺寸,即增加碳刷與轉(zhuǎn)軸的接觸面。

3碳刷改造的過程

3.1第一次改造

該廠四、五期300Mw發(fā)電機組上采用的是具有良好集電性能的上海摩根NCC634型碳刷,其標配的恒壓彈簧壓力為1.2kg/cm2,碳刷截面積尺寸為3.2×2.5=8cm2,壓力及截面積均遠大于原碳刷,且該廠對NCC634型碳刷有多年運行維護經(jīng)驗。運行人員與設備管理部進行了多次討論分析,一致認為將碳刷改型后能夠使碳刷與滑環(huán)更好地接觸,提高其工作穩(wěn)定性,減少維護工作量,故決定優(yōu)先對#13機組6號軸承座的碳刷嘗試更型。經(jīng)過設備管理部和檢修人員對刷架和刷握的改造,最終原刷架保留,將原來的小刷握(圖3)更換為NCC634的刷握(圖4),將刷架清洗干凈,保證刷握與刷架接觸良好,至此,成功更換了碳刷。

更換好#13發(fā)電機汽端6號軸承座的碳刷后,振動恢復了正常(圖5),碳刷暫時未再產(chǎn)生跳火(圖6)。后經(jīng)過同樣的處理,將#13、#14發(fā)電機組的大軸接地碳刷一一更換。改造工作完成后,短期內(nèi)減少了清理碳刷的次數(shù),減小了運行維護人員的工作量,降低了維護成本,同時操作風險也隨之降低。

第一次改造在短期內(nèi)取得了成功,但隨著機組長周期運行,2014年6月發(fā)電機大軸接地碳刷再次產(chǎn)生了問題:

(1)運行人員抄表時多次發(fā)現(xiàn)發(fā)電機軸電壓參數(shù)異常,數(shù)值上下波動較大,有效值從正常的17V左右上升到50V左右,對發(fā)電機大軸接地碳刷檢查發(fā)現(xiàn)碳刷又發(fā)生了跳火現(xiàn)象,更換碳刷后參數(shù)正常:

(2)發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護發(fā)生間歇性誤報警,檢查發(fā)電機大軸接地碳刷有跳火現(xiàn)象,更換碳刷后報警消除。

通過運行和檢修人員的仔細排查發(fā)現(xiàn),汽端轉(zhuǎn)軸上接軸碳刷接觸部位有發(fā)白痕跡(圖7),勵端無異常,在機組大修時對該部位檢查,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸表面有輕微磨痕(圖8),初步懷疑為恒壓彈簧壓力問題,但用哪種壓力的恒壓彈簧是需要結(jié)合碳刷等因素進行多方面驗證的,該廠不具備試驗條件,且1000Mw機組投入運行后必須安全穩(wěn)定。在綜合考慮后,設管部決定對汽端接軸碳刷進行第二次改造,以便徹底解決碳刷跳火的問題。

3.2第二次改造

第二次改造的目標仍然是增加碳刷與滑環(huán)的接觸面積,但彈簧壓力可稍微降低,防止對大軸滑環(huán)表面造成磨損。于是設備管理部采用了65Mn硬料彈簧鋼帶,該材料硬度和彈性都很好。該鋼帶寬40mm,厚度0.8mm,鋼帶表面附一層編織軟銅線作為導體與滑環(huán)表面接觸摩擦。根據(jù)現(xiàn)場實際位置,在發(fā)電機#5軸瓦處加裝了兩組該接軸裝置,一組為轉(zhuǎn)子軸電流測量用,另一組為轉(zhuǎn)子一點接地保護測量用,新增接軸裝置與原大軸接地碳刷并列運行。

第二次改造取得了徹底的成功,機組投運后未發(fā)生碳刷跳火等異常情況,發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸電壓穩(wěn)定,在12~15V。觀察運行一段時間后,取消原#6瓦側(cè)大軸接地碳刷(圖9),由#5瓦側(cè)新增大軸接地裝置替代原#6瓦側(cè)接軸裝置獨立運行(圖10),將轉(zhuǎn)子一點接地保護跳閘出口壓板重新投入。

這次改造成功的原因,總結(jié)出來主要有以下兩點:

(1)65Mn硬料彈簧鋼帶彈性良好,不再受到汽輪機大軸輕度振動的影響,徹底解決了碳刷的振動問題。

(2)編織軟銅線作為與滑環(huán)接觸并摩擦的主體,其接觸面積比碳刷更大,最主要的是將原來的單面接觸改為了多點接觸,在滑環(huán)有油污且輕微振動的環(huán)境下,多點接觸的效果明顯好于單面接觸。

由于該碳刷采用編織軟銅帶作為磨損件,磨損周期較長,相對于原來5塊碳刷每隔一周左右就需清理更換來說,不但大大減輕了運行維護工作量,而且大大節(jié)約了碳刷維護費用:但缺點是更換難度較大,單次更換時間較長。目前更換工作已交由檢修人員進行,并新增了碳刷維護規(guī)定:凡是更換轉(zhuǎn)子一點接地保護用碳刷時,需解除轉(zhuǎn)子一點接地保護跳閘出口壓板。

4成果總結(jié)

通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)子汽端大軸接地碳刷及勵端接軸測量碳刷的兩次改造,碳刷帶來的接地不良導致轉(zhuǎn)子一點接地保護誤跳機現(xiàn)象再沒發(fā)生過。這兩次改造積累了運行維護經(jīng)驗,解決了因碳刷異常而造成的一系列不安全情況,總結(jié)下來有以下成果:

(1)降低了碳刷維護成本,節(jié)省兩臺1000Mw機組原碳刷每年的維護費用近50萬元,碳刷更換次數(shù)大大減少(圖11)。

(2)操作風險降低,避免了因碳刷接觸不良誤發(fā)轉(zhuǎn)子一點接地信號或有可能造成的誤跳機,轉(zhuǎn)子一點接地保護裝置的投入使用也提高了發(fā)電機安全運行可靠性。

(3)消除了發(fā)電機6號軸承座軸振異常升高的情況,確保了機組安全運行。

(4)消除了大軸接地碳刷跳火可能導致的一些其他安全隱患,如氫氣爆炸、油膜擊穿等。