0 引言

在工礦、冶金企業(yè)或大型港口，堆取料機(jī)是進(jìn)行產(chǎn)品裝卸和原料輸送的重要設(shè)備，由于其移動(dòng)式作業(yè)的特點(diǎn)，設(shè)備供電方式有安全滑觸線供電( 400 V) 和高壓電纜卷筒供電( 10 kV) 兩種，隨著企業(yè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，生產(chǎn)負(fù)荷逐漸增加，加之滑觸線初始投資額大，設(shè)備維護(hù)工作量大，現(xiàn)場(chǎng)多數(shù)改用高壓電纜卷筒供電［1］。對(duì)于采用高壓電纜卷筒供電的設(shè)備，滑環(huán)箱作為連接動(dòng)、靜供電線路的核心樞紐部件，通過中心集電器的滑環(huán)、碳刷和引出線電纜，將高壓卷纜輸送過來的 10 kV 輸送至機(jī)載變壓器，變換至 400 V 低壓電源后，供給機(jī)載設(shè)備使用。由于潮濕、鹽霧、揚(yáng)塵、晝夜溫差大等惡劣的工作環(huán)境，滑環(huán)箱內(nèi)部放電一直是影響堆 取 料 機(jī) 設(shè) 備 安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素之一［2 － 5］。此外，因設(shè)備在運(yùn)行作業(yè)過程中箱內(nèi)帶有10 kV 高壓，日常點(diǎn)檢手段有限，點(diǎn)檢效率低。

因此，如何消除滑環(huán)箱內(nèi)部放電、實(shí)現(xiàn)在線放電監(jiān)測(cè)，如何實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程中不拆卸箱蓋的設(shè)備實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)檢，對(duì)于減輕現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的工作強(qiáng)度、保證生產(chǎn)安全具有重要意義。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及問題分析

1． 1 高壓電纜卷筒滑環(huán)箱運(yùn)行現(xiàn)狀

原料場(chǎng)堆取料機(jī)承擔(dān)為配料、燒結(jié)、高爐、發(fā)電等產(chǎn)線供料的任務(wù)，對(duì)于負(fù)荷較小的堆取料機(jī)多數(shù)采用安全滑觸線方式進(jìn)行供電。因堆取料機(jī)連續(xù)性行走作業(yè)的特點(diǎn)，在作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)，加之現(xiàn)場(chǎng)粉塵、鹽霧、潮氣等對(duì)設(shè)備的侵蝕，在工作一段時(shí)間后，每相滑觸線集電器的彈簧拉力變化不

均，造成每相電刷對(duì)導(dǎo)體的壓緊力不一致，堆取料機(jī)作業(yè)過程中電刷打火現(xiàn)象嚴(yán)重。此外，滑觸線受季節(jié)因素影響，導(dǎo)體熱脹冷縮現(xiàn)象明顯，每段連接處經(jīng)常出現(xiàn)故障，現(xiàn)場(chǎng)人員更換維護(hù)工作量很大。隨著生產(chǎn)提產(chǎn)的要求，現(xiàn)場(chǎng)堆取料機(jī)逐步進(jìn)行升級(jí)改造，改造后設(shè)備用電負(fù)荷增加、負(fù)載電流變大。加之公司提升現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員工作效率，降低重復(fù)性勞動(dòng)強(qiáng)度的要求，安全滑觸線已逐漸無法滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。為保證供料系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，堆取料機(jī)的供電方式逐步改造為高壓電纜卷筒式供電，結(jié)構(gòu)示意圖見圖 1。

隨著高壓電纜卷筒供電方式的大量采用，滑環(huán)箱故障頻發(fā)成為現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員亟待解決的重要問題之一。

1． 2 問題分析

1) 滑環(huán)箱出廠配置的所有緊固螺帽，其螺紋采用的均為普通螺紋型式，詳見圖 2。螺栓牙尖在螺紋上的法向力與螺栓軸線夾角僅有 30°，鎖緊力較小，且總載荷的 80% 以上集中作用在**牙和**牙的螺紋面上。堆取料機(jī)等移動(dòng)設(shè)備在行走作業(yè)過程的頻繁機(jī)械振動(dòng)，常常會(huì)使緊固螺栓產(chǎn)生松動(dòng)［6 － 7］，導(dǎo)致電氣連接部位接觸**，引發(fā)局部過熱甚至放電打火現(xiàn)象。

2) 在潮氣、鹽霧、機(jī)械振動(dòng)、彈簧疲勞等各種因素影響下，滑環(huán)箱內(nèi)部中心集電器的各個(gè)電刷刷握壓緊力偏差會(huì)逐漸加大，致使各碳刷及滑環(huán)表面磨損程度不同，接觸面接觸**，出現(xiàn)碳刷打火情況。

3) 部分高壓滑環(huán)箱廠家出廠配套的硅橡膠復(fù)合支撐絕緣子材質(zhì)較差，且抗污閃能力較弱，中心集電器整體對(duì)地絕緣僅有 20 MΩ，雖然也可以運(yùn)行，但對(duì)設(shè)備的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行有較大隱患［8 － 11］。

4) 滑環(huán)箱內(nèi)部空間狹小，中心集電器各相碳刷刷架接線電纜的芯線外皮與箱體間距過小，存在絕緣隱患。

5) 在滑環(huán)箱內(nèi)部，中心集電器各相碳刷刷架的接線電纜較長(zhǎng)，三相接線電纜間有交叉搭接的情況，此時(shí)相間生產(chǎn)的不均勻電場(chǎng)，會(huì)將電纜搭接處的空氣電離，發(fā)生電暈放電。空氣電離產(chǎn)生的臭氧和氮氧化物具有強(qiáng)烈的氧化性和腐蝕性［12］，會(huì)逐漸破壞電纜外皮絕緣性能，發(fā)生電老化和熱老化，易造成絕

緣擊穿事故。

6) 滑環(huán)箱箱體雖設(shè)計(jì)為密閉式，但中心集電器在工作過程中跟隨電纜卷筒旋轉(zhuǎn)，接縫處無法做到絕對(duì)密封。而滑環(huán)箱電纜出入口的封堵材料，以及箱蓋密封膠墊隨時(shí)間的推移也會(huì)逐漸老化失效，密封效果大打折扣。此時(shí)，潮氣、鹽霧或礦料粉塵易侵入滑環(huán)箱，導(dǎo)致箱內(nèi)絕緣部件的絕緣強(qiáng)度降低，發(fā)生閃絡(luò)放電現(xiàn)象。

7) 滑環(huán)箱內(nèi)出廠配套的絕緣子支撐橫梁采用鋼鐵材質(zhì)，當(dāng)潮氣或鹽霧侵入后，會(huì)造成箱內(nèi)安全距離不足，發(fā)生帶電部位對(duì)金屬橫梁拉弧放電情況。

8) 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作在沿海地區(qū)，空氣濕度大、含鹽高、晝夜溫差大，滑環(huán)箱內(nèi)部易發(fā)生凝露，不僅會(huì)腐蝕箱內(nèi)金屬部件造成導(dǎo)電部位接觸**，同樣會(huì)造成箱內(nèi)安全距離不足，出現(xiàn)拉弧放電情況。

9) 因箱體密閉和內(nèi)部高電壓的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員無法在設(shè)備運(yùn)行過程中進(jìn)行有效的日常點(diǎn)檢，對(duì)箱內(nèi)情況無法實(shí)時(shí)掌握，只能在停機(jī)后開箱檢查，隱患的發(fā)現(xiàn)具有嚴(yán)重的滯后性。而對(duì)于市場(chǎng)上現(xiàn)有的在線局放檢測(cè)技術(shù)［13 － 14］，一套系統(tǒng)近百萬，費(fèi)用過高，不便于推廣應(yīng)用。

2 解決對(duì)策

2． 1 加強(qiáng)滑環(huán)箱鎖緊部件防松性能

將滑環(huán)箱內(nèi)部所有緊固螺帽全部更換為抗振性強(qiáng)的施必牢全螺紋自鎖螺帽，使螺栓牙尖在螺紋上的法向力與螺栓軸線之間的夾角提高至 60°，詳見圖 3。載荷可以均勻分布在所有接觸的螺旋線全長(zhǎng)上，大大增加了緊固件的抗振防松緊性能，減少因連接不牢固導(dǎo)致的發(fā)熱、放電問題。

2． 2 提高滑環(huán)箱內(nèi)部構(gòu)件絕緣強(qiáng)度

1) 將滑環(huán)箱內(nèi)出廠配置的硅膠復(fù)合支撐絕緣子更換為 ZJ － 10Q 型高壓環(huán)氧樹脂絕緣子，更換后中心集電器整體對(duì)地絕緣達(dá)到 10 GΩ。

2) 采用 PＲTV 防污閃涂料，對(duì)滑環(huán)箱內(nèi)所有支撐絕緣子進(jìn)行涂刷，形成 PＲTV 復(fù)合化絕緣子，預(yù)防閃絡(luò)，提高了絕緣子的外絕緣水平。

3) 將滑環(huán)箱內(nèi)部的絕緣子支撐橫梁的鋼鐵材質(zhì)更換為絕緣木材質(zhì)，加強(qiáng)帶電部位對(duì)地絕緣強(qiáng)度。

4) 對(duì)中心集電器各相滑環(huán)的接線電纜進(jìn)行整理，使各相電纜整齊順直、無交叉，同時(shí)在每相電纜芯線外部纏繞自粘性橡膠絕緣帶，增加芯線對(duì)滑環(huán)箱箱體的絕緣強(qiáng)度。

2． 3 降低滑環(huán)箱內(nèi)部濕度防止凝露

1) 每次設(shè)備停機(jī)檢修時(shí)，對(duì)滑環(huán)箱電纜出入口的封堵緊密情況和箱體密封膠墊老化情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

2) 根據(jù)凝露形成原理可知，凝露的形成與空氣的溫度和相對(duì)濕度均有關(guān)系，空氣中的相對(duì)濕度越高，越容易發(fā)生凝露，且凝露形成時(shí)的露點(diǎn)溫度一定低于環(huán)境溫度，詳見表 1。針對(duì)以上特點(diǎn)，選用帶有加熱器控制功能的防凝露自動(dòng)除濕器安裝于滑環(huán)箱內(nèi)部，自動(dòng)檢測(cè)并降低箱內(nèi)相對(duì)濕度，并視情況啟動(dòng)電加熱器，破壞凝露形成條件，防止凝露發(fā)生。

2． 4 實(shí)現(xiàn)滑環(huán)箱內(nèi)部放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

針對(duì)無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑環(huán)箱內(nèi)部是否有放電的情況，組織相關(guān)技術(shù)人員召開專題會(huì)討論，決定成立專項(xiàng)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，自行研發(fā)一種放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。經(jīng)團(tuán)隊(duì)小組的不懈努力，終于研發(fā)出一套成本低廉、使用方便、安全性好、可靠性高的放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。

該裝置由安裝在滑環(huán)箱內(nèi)的光敏傳感器、光電轉(zhuǎn)換單元、輸入輸出控制單元和閃光報(bào)警單元等部件組成。當(dāng)箱體內(nèi)部發(fā)生放電現(xiàn)象時(shí)，該檢測(cè)裝置會(huì)將捕捉到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成開關(guān)量信號(hào)，接入報(bào)警控制單元，觸發(fā)放電報(bào)警，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑環(huán)箱內(nèi)部放電的目的，詳見圖 4。現(xiàn)該裝置已申請(qǐng)**并完成授權(quán)［15］。

2． 5 實(shí)現(xiàn)滑環(huán)箱內(nèi)部隱患快速點(diǎn)檢

針對(duì)無法對(duì)滑環(huán)箱內(nèi)部進(jìn)行日常點(diǎn)檢的問題，組織機(jī)械、電氣相關(guān)專業(yè)人員，成立專項(xiàng)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，研發(fā)出一種多功能快速點(diǎn)檢裝置。該裝置由殼體、鋼化玻璃、玻璃鎖緊定位架、LED 照明燈、防護(hù)蓋、防護(hù)蓋鎖緊機(jī)構(gòu)、電源盒等組成，可直接安裝在滑環(huán)箱箱口。在進(jìn)行日常點(diǎn)檢時(shí)，點(diǎn)檢人員翻開防護(hù)蓋即可查看滑環(huán)箱內(nèi)部情況，在實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)檢的同時(shí)還可確保箱體密封不受影響，有效地解決了對(duì)滑環(huán)箱密封箱體的點(diǎn)檢難題。利用相關(guān)聯(lián)鎖回路，可在點(diǎn)檢期間切斷環(huán)箱局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出回路，避免出現(xiàn)告警誤報(bào)，詳見圖 5。現(xiàn)該裝置已申請(qǐng)**并完成授權(quán)［16］。

3 結(jié)論

通過深入現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)高壓電纜卷筒滑環(huán)箱內(nèi)部放電故障頻發(fā)、點(diǎn)檢困難等難題進(jìn)行研究，有針對(duì)性的制定和實(shí)施了一系列的技術(shù)改進(jìn)措施，采用較低的成本使現(xiàn)場(chǎng)問題得到了解決，其設(shè)計(jì)成果對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的電氣技術(shù)人員具有一定的借鑒意義。