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，提高电力系统的暂态稳定性和动态稳定性。发电机励磁系统滑环装置也是励磁系统的重要组成部分。集电环装置的主要功能是通过电刷将励磁直流电能传递给旋转滑环，然后通过导线传递给转子磁极，使磁极产生磁场。因此，集电环装置的质量直接影响发电机的工作条件。

 

一、概述：

 

水电站为坝后电站，位于河床左岸，具有不完全年度调整能力，承担部分峰值调整中型水电站，电站装机容量3×50MW，额定水头64m，单机额定流量86mm³/s，设计年发电量6.2亿kWh，每年使用4300小时。三台发电机组分别连接成发电变组单元，每台6.3万kV变压器升压至220kV，送至27公里外的220kV变电站，并网入省网。单机额定功率50MW，总装机容量150MW，保证出力35MW，多年平均发电量6.2亿kWh。水电站三台发电机型号均为SF50-28/6400，发电机转速214.3r/min。电站机组励磁方法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。从安装到运行几个月后，三台发电机组发现电刷与滑环之间的电弧较大，温度较高。维修滑环和电刷磨损严重，电刷磨损严重，需要每月更换一次，尤其是2号发电机。2013年7月28日，2号发电机滑环因电刷跳动、电弧严重、测量滑环温度高达160℃而被迫停机。拆下滑环进行检查，发现滑环表面呈蓝色，有明显的电弧腐蚀痕迹。经领导同意，联系厂家相关专家咨询，滑环必须返厂研磨，研磨后回装运行，磨损现象暂时缓解。

 

因为滑环之前已经磨过很多次了，所以要分析这种现象的原因，通过对导电环和电刷的过流进行校核计算，提出改进方案。

 

二、励磁滑环温升校计算：

 

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2.72.7(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槽，应进行校核折合计算：通风槽宽度为3mm.螺距总宽度为12mm，因此电刷的实际接触面积为：1-3/12=0.75=75%

 

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

 

3、当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：滑环圆周速：

 

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：滑环总损耗：

 

W=(We×n3)+Wm=1.4148+0.446=1.86(kw)

 

7、滑环散热系数：

 

ακ=(1+0.7)=50(1+0.7)=161.2)[w/m2·k]

 

8、滑环温升：

 

Δt===76.5(K)

 

三、滑环和电刷装置存在的问题：

 

1、根据上述校核计算，电刷电流密度已达13.65(A/cm2)，NCC634电刷允许的最大值为12(A/cm2)，但实际电流密度过高。为保证滑环装置在过载时仍能安全(允许)运行，一般采用5-6-6(A/cm2)。

 

2、电刷宽度的选择是：电刷的轴向长度应为槽距的整数倍，避免电刷下槽水平行驶时电刷接触宽度发生较大变化。

 

由于机组滑环槽距为12mm，应选择电刷宽度为25mm的电刷，实际电刷宽度为20mm。使电刷接触宽度变化较大，导致电刷运行条件差，不利于电刷的安全运行。

 

四、改造方案：

 

根据上述计算验证结果，需要对励磁滑环和导电环进行再加工制造。

 

1、根据原设计尺寸，联系厂家重新制造全套集电环装置。滑环选用导电性和耐磨性好的40mn钢材(原材料为钢16mn，加工焊接性能好，但耐磨性差)。并通过热处理提高硬度和耐磨性，因为原滑环的圆周速度只有13.46(m/s)，远小于规定值40(m/s)，因此，滑环的直径和其他尺寸保持不变，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)设计、制造、配置规格的电刷。

 

2、为了降低电刷的电流密度，将电刷的数量从16个增加到18个或20个。具体数量应根据实际位置确定。重新制作导电环，调整导电环和电刷的固定位置，使电刷中心与滑动环中心相对应。

 

3、重新选择电刷规格，截面尺寸为3.2×2.5(cm2)，品牌选用美国(上海)质量较好的摩根碳刷。使电刷在运行过程中接触宽度变化较小。从而改善电刷的运行条件。电刷宽度方向的变化不影响安装空间。

 

电流密度值通过上述变化计算如下：

 

⑴当电刷增加到20个时，计算实际电流密度：

 

j′===6.55(A/cm2)

 

实际电流密度j=6.55/0.75=8.75(A/cm2)

 

⑵当电刷增加到18个时，计算实际电流密度：

 

j′===7.27(A/cm2)

 

实际电流密度j=7.27/0.75=(A/cm2)

 

4、此外，上海（美国）摩根碳刷选用了新型耐磨电刷，具有摩擦系数小、接触电压小的优点，减少了滑环的损耗和温升。从而使滑环和刷装置系统得到更好的使用效果。

 

结语

 

采用本改造方案，制造、安装、调试后，使滑环和电刷装置达到良好的工作状态。在机组运行过程中，励磁滑环装置的电刷跳动小，温度低，稳定性大大提高，维护人员的劳动强度也降低，从根本上解决了上述问题。改造后，机组运行半年，检查滑环和电刷。滑环干净如新，电刷磨损小。在机组设备运行过程中，加强了励磁滑环装置的日常检查、维护和清洁，大大提高了励磁滑环装置运行的稳定性，为电站的安全生产提供了良好的安全保障，带来了较高的社会经济效益。