2017, Vol. 35 
水轮发电机碳刷固定于集电环的刷握上，是励磁装置与转子绕组之间进行电流传递的重要装置，碳刷与滑环的接触性能直接影响水轮发电机的运行情况。黄河万家寨水利枢纽有限公司龙口水电站（以下简称龙口水电站）5号发电机投运不久，转子上滑环（正极滑环）表面磨损严重，给机组的安全稳定运行带来威胁。
1 发电机组简介及故障现象5号发电机型号为SF20-44/6400，属于三相交流同步发电机，立轴半伞式结构，由福建南平南电水电设备制造有限公司制造。发电机额定转速136.4 r/min，额定励磁电流691 A。滑环为套筒式结构，布置于上机架上部的连接座内。滑环直径为800 mm，选用25 mm×32 mm的恒力刷握。碳刷型号为D104，设计数量为10个/极，集电环允许最高温度限值为115 ℃。
5号发电机投运1 a内，转子上滑环（正极滑环）表面即发生严重磨损，出现了大量麻点、坑槽，下滑环（负极滑环）运行正常。滑环磨损情况见图 1。
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图 1 滑环磨损情况 |
最初分析认为，故障可能与碳刷性能（电流密度、碳刷硬度及摩擦系数）不佳、运行环境较差等因素有关，机组大修时对上滑环表面进行了打磨、抛光处理，并将原设计碳刷由D104型更换为J204型，但大修结束半年后，上滑环表面再次出现大量麻点、坑槽，且碳刷磨损程度并未减轻。
针对这些问题，电厂专门组织技术人员进行了调研及讨论分析，最终认为导致滑环严重磨损的原因主要有：
（1）碳刷压簧的设计压力不均衡，且均低于使用时的工作压力；碳刷载流量分配不均，碳刷接触压降偏大，存在过热和火花现象。
经实际测量，5号发电机在运行时，滑环正、负极碳刷运行电流存在多处过零点现象，即经过碳刷的电流值为0。待机组停机后，测量发现压簧压力整体低于额定工作压力。碳刷技术性能指标、碳刷压簧压力统计分别见表 1、表 2。
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表 1 D104型碳刷技术性能指标[1] |
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表 2 D104型碳刷压簧压力统计 |
（2）碳刷原设计型号为D104，其硬度偏软，碳刷易磨损、碳粉量大。大量碳粉集聚后，污染了碳刷及滑环的运行环境，破坏了碳刷与滑环的正常接触，影响碳刷的电流分配。
（3）J204型碳刷的硬度比D104型的大，对滑环的磨损也大一些，与滑环的接触效果相对较差。
（4）碳刷及滑环均处于相对密闭的环境中，通风不畅、运行温度偏高（红外测温图见图 2所示）对安全运行造成不利影响[2]。通过在滑环表面涂抹凡士林，滑环及碳刷运行温度可在短时间内有所降低，但不能解决根本问题。
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图 2 改造前碳刷及滑环红外测温图（冬季运行时拍摄） |
（5）机组运行过程中，滑环室属封闭空间，不能实现实时监控检查。
2.2 处理方案经研究，制订了以下处理方案，并利用发电机小修机会进行了实施。
（1）定做并更换相同规格的滑环。
（2）更换导电环并增加其弧长，增加碳刷数量（由10个/极增加为16个/极），以降低单个碳刷载流量，避免因运行工况恶化而出现打火加剧的现象。
（3）更换所有压力不合格的压簧，依次采用D104、D172型碳刷，进行不同型号碳刷的性能对比试验，密切监视碳刷及滑环运行状况。
（4）在5号发电机上盖板上增设观察窗，以便于机组运行时进行观察。
2.3 处理过程 2.3.1 部件的拆装检修时，按照以下步骤进行部件的拆装工作。
2.3.1.1 部件拆卸（1）拆除发电机顶灯接线；
（2）拆除导电环上的4根励磁电缆，正负极导电环及其支撑杆；
（3）拆除转子绕组与滑环连接铜排；
（4）分解中心孔补气装置相关部件；
（5）拆除导电环；
（6）拆除滑环。
2.3.1.2 部件回装（1）回装新滑环；
（2）新导电环安装；
（3）回装中心孔补气装置；
（4）恢复转子绕组与滑环连接铜排；
（5）恢复励磁电缆、调整刷握；
（6）恢复发电机顶灯接线。
2.3.2 更换压簧用符合碳刷运行要求的新压簧替换原老旧压簧。压簧安装完成后进行压力测试，并做好记录。
2.3.3 安装碳刷为了对比分析不同型号碳刷的运行性能，更换滑环和导电环后，在上滑环（正极）上装设了16个原设计的D104碳刷，在下滑环（负极）上装设了16个D172碳刷。
2.3.4 运行监测新设备投入运行后，利用观察窗目测、红外成像仪监测等手段，对滑环及导电环的运行状况进行仔细监测。
3 处理效果 3.1 运行数据图 3为改造后的碳刷及滑环红外测温图。表 3为5号发电机碳刷及滑环改造后的运行纪录，记录时发电机运行工况：发电机转子电流460.1 A，转子电压157.2 V，有功功率20.1 MW，无功功率0.54 Mvar，环境温度15 ℃，湿度20%。
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图 3 改造后碳刷及滑环红外测温图（夏季运行时拍摄） |
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表 3 改造后5号发电机碳刷及滑环运行工况1） |
方案实施后，经过1 a多的实践检验，滑环及碳刷的运行状态如下：
（1）滑环运行良好，无坑槽、无麻点；碳刷及滑环接触面氧化膜均匀、稳定，运行状态良好（见图 3）。
（2）上、下滑环碳刷压簧压力均匀适中，均符合设计工作压力的要求。
（3）滑环安装后的高压试验数据符合规范[3-4]要求：转子绕组绝缘电阻为22.6 mΩ（规范要求＜0.5 MΩ）；转子绕组直流电阻为289.9 mΩ（规范要求＜0.5 MΩ）。
（4）试用结果表明，D172碳刷在电流分布、磨损量及运行温度方面优于D104碳刷，遂全部更换为D172碳刷。
（5）检修后滑环及碳刷温度均有所降低，其夏季运行温度与原冬季运行温度相近。
技改完成1 a多以来，5号发电机滑环运行情况良好，再未出现麻点现象（见图 4），彻底解决了转子上滑环表面的磨损故障。
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图 4 改造后滑环的表面情况 |
本次改造虽然解决了滑环的磨损问题，但仍有以下缺陷需要继续整改：
（1）滑环室运行环境未得到根本改善，还存在碳粉大量散落的问题。
（2）与本电厂内其他4台机组相比，5号机组碳刷及滑环夏季的运行温度仍相对较高。
建议在滑环室内集电环通风循环通道上安装积尘装置，以改善其内部运行环境[5-6]；建议在滑环表面开设通风槽，增加滑环与碳刷接触面的通风强度，改善散热条件并促进碳粉的散落[7-8]。
4 结语5号发电机组的滑环、碳刷及压簧改造后，发电机滑环及导电环运行情况良好，再未出现麻点、坑槽，相关技术指标正常，解决了发电机组滑环严重磨损问题，保障了机组的安全稳定运行，处理经验可供存在类似问题的电厂参考。
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