华光潭梯级电站三、四号机滑环碳粉问题分析与处理

华光潭梯级电站三、四号机滑环碳粉问题分析与处理

李坚

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。