高压卷缆滑环箱放电检测及预防的研究与实践

0 引言

在工矿、冶金企业或大型港口，堆取料机是进行产品装卸和原料输送的重要设备，由于其移动式作业的特点，设备供电方式有安全滑触线供电( 400 V) 和高压电缆卷筒供电( 10 kV) 两种，随着企业规模逐步扩大，生产负荷逐渐增加，加之滑触线初始投资额大，设备维护工作量大，现场多数改用高压电缆卷筒供电［1］。对于采用高压电缆卷筒供电的设备，滑环箱作为连接动、静供电线路的核心枢纽部件，通过中心集电器的滑环、碳刷和引出线电缆，将高压卷缆输送过来的 10 kV 输送至机载变压器，变换至 400 V 低压电源后，供给机载设备使用。由于潮湿、盐雾、扬尘、昼夜温差大等恶劣的工作环境，滑环箱内部放电一直是影响堆 取 料 机 设 备 安全稳定运行的主要因素之一［2 － 5］。此外，因设备在运行作业过程中箱内带有10 kV 高压，日常点检手段有限，点检效率低。

因此，如何消除滑环箱内部放电、实现在线放电监测，如何实现作业过程中不拆卸箱盖的设备实现快速点检，对于减轻现场维护人员的工作强度、保证生产安全具有重要意义。

1 现场调研及问题分析

1． 1 高压电缆卷筒滑环箱运行现状

原料场堆取料机承担为配料、烧结、高炉、发电等产线供料的任务，对于负荷较小的堆取料机多数采用安全滑触线方式进行供电。因堆取料机连续性行走作业的特点，在作业时会产生较强的机械振动，加之现场粉尘、盐雾、潮气等对设备的侵蚀，在工作一段时间后，每相滑触线集电器的弹簧拉力变化不

均，造成每相电刷对导体的压紧力不一致，堆取料机作业过程中电刷打火现象严重。此外，滑触线受季节因素影响，导体热胀冷缩现象明显，每段连接处经常出现故障，现场人员更换维护工作量很大。随着生产提产的要求，现场堆取料机逐步进行升级改造，改造后设备用电负荷增加、负载电流变大。加之公司提升现场作业人员工作效率，降低重复性劳动强度的要求，安全滑触线已逐渐无法满足现场使用要求。为保证供料系统的安全稳定运行，堆取料机的供电方式逐步改造为高压电缆卷筒式供电，结构示意图见图 1。

随着高压电缆卷筒供电方式的大量采用，滑环箱故障频发成为现场维护人员亟待解决的重要问题之一。

1． 2 问题分析

1) 滑环箱出厂配置的所有紧固螺帽，其螺纹采用的均为普通螺纹型式，详见图 2。螺栓牙尖在螺纹上的法向力与螺栓轴线夹角仅有 30°，锁紧力较小，且总载荷的 80% 以上集中作用在**牙和**牙的螺纹面上。堆取料机等移动设备在行走作业过程的频繁机械振动，常常会使紧固螺栓产生松动［6 － 7］，导致电气连接部位接触**，引发局部过热甚至放电打火现象。

2) 在潮气、盐雾、机械振动、弹簧疲劳等各种因素影响下，滑环箱内部中心集电器的各个电刷刷握压紧力偏差会逐渐加大，致使各碳刷及滑环表面磨损程度不同，接触面接触**，出现碳刷打火情况。

3) 部分高压滑环箱厂家出厂配套的硅橡胶复合支撑绝缘子材质较差，且抗污闪能力较弱，中心集电器整体对地绝缘仅有 20 MΩ，虽然也可以运行，但对设备的长期安全稳定运行有较大隐患［8 － 11］。

4) 滑环箱内部空间狭小，中心集电器各相碳刷刷架接线电缆的芯线外皮与箱体间距过小，存在绝缘隐患。

5) 在滑环箱内部，中心集电器各相碳刷刷架的接线电缆较长，三相接线电缆间有交叉搭接的情况，此时相间生产的不均匀电场，会将电缆搭接处的空气电离，发生电晕放电。空气电离产生的臭氧和氮氧化物具有强烈的氧化性和腐蚀性［12］，会逐渐破坏电缆外皮绝缘性能，发生电老化和热老化，易造成绝

缘击穿事故。

6) 滑环箱箱体虽设计为密闭式，但中心集电器在工作过程中跟随电缆卷筒旋转，接缝处无法做到绝对密封。而滑环箱电缆出入口的封堵材料，以及箱盖密封胶垫随时间的推移也会逐渐老化失效，密封效果大打折扣。此时，潮气、盐雾或矿料粉尘易侵入滑环箱，导致箱内绝缘部件的绝缘强度降低，发生闪络放电现象。

7) 滑环箱内出厂配套的绝缘子支撑横梁采用钢铁材质，当潮气或盐雾侵入后，会造成箱内安全距离不足，发生带电部位对金属横梁拉弧放电情况。

8) 现场设备工作在沿海地区，空气湿度大、含盐高、昼夜温差大，滑环箱内部易发生凝露，不仅会腐蚀箱内金属部件造成导电部位接触**，同样会造成箱内安全距离不足，出现拉弧放电情况。

9) 因箱体密闭和内部高电压的特点，现场维护人员无法在设备运行过程中进行有效的日常点检，对箱内情况无法实时掌握，只能在停机后开箱检查，隐患的发现具有严重的滞后性。而对于市场上现有的在线局放检测技术［13 － 14］，一套系统近百万，费用过高，不便于推广应用。

2 解决对策

2． 1 加强滑环箱锁紧部件防松性能

将滑环箱内部所有紧固螺帽全部更换为抗振性强的施必牢全螺纹自锁螺帽，使螺栓牙尖在螺纹上的法向力与螺栓轴线之间的夹角提高至 60°，详见图 3。载荷可以均匀分布在所有接触的螺旋线全长上，大大增加了紧固件的抗振防松紧性能，减少因连接不牢固导致的发热、放电问题。

2． 2 提高滑环箱内部构件绝缘强度

1) 将滑环箱内出厂配置的硅胶复合支撑绝缘子更换为 ZJ － 10Q 型高压环氧树脂绝缘子，更换后中心集电器整体对地绝缘达到 10 GΩ。

2) 采用 PＲTV 防污闪涂料，对滑环箱内所有支撑绝缘子进行涂刷，形成 PＲTV 复合化绝缘子，预防闪络，提高了绝缘子的外绝缘水平。

3) 将滑环箱内部的绝缘子支撑横梁的钢铁材质更换为绝缘木材质，加强带电部位对地绝缘强度。

4) 对中心集电器各相滑环的接线电缆进行整理，使各相电缆整齐顺直、无交叉，同时在每相电缆芯线外部缠绕自粘性橡胶绝缘带，增加芯线对滑环箱箱体的绝缘强度。

2． 3 降低滑环箱内部湿度防止凝露

1) 每次设备停机检修时，对滑环箱电缆出入口的封堵紧密情况和箱体密封胶垫老化情况进行检查，发现问题及时处理。

2) 根据凝露形成原理可知，凝露的形成与空气的温度和相对湿度均有关系，空气中的相对湿度越高，越容易发生凝露，且凝露形成时的露点温度一定低于环境温度，详见表 1。针对以上特点，选用带有加热器控制功能的防凝露自动除湿器安装于滑环箱内部，自动检测并降低箱内相对湿度，并视情况启动电加热器，破坏凝露形成条件，防止凝露发生。

2． 4 实现滑环箱内部放电实时监测

针对无法实时监测滑环箱内部是否有放电的情况，组织相关技术人员召开专题会讨论，决定成立专项攻关团队，自行研发一种放电实时监测装置。经团队小组的不懈努力，终于研发出一套成本低廉、使用方便、安全性好、可靠性高的放电实时监测装置。

该装置由安装在滑环箱内的光敏传感器、光电转换单元、输入输出控制单元和闪光报警单元等部件组成。当箱体内部发生放电现象时，该检测装置会将捕捉到的光信号转换成开关量信号，接入报警控制单元，触发放电报警，达到实时监测滑环箱内部放电的目的，详见图 4。现该装置已申请**并完成授权［15］。

2． 5 实现滑环箱内部隐患快速点检

针对无法对滑环箱内部进行日常点检的问题，组织机械、电气相关专业人员，成立专项攻关团队，研发出一种多功能快速点检装置。该装置由壳体、钢化玻璃、玻璃锁紧定位架、LED 照明灯、防护盖、防护盖锁紧机构、电源盒等组成，可直接安装在滑环箱箱口。在进行日常点检时，点检人员翻开防护盖即可查看滑环箱内部情况，在实现快速点检的同时还可确保箱体密封不受影响，有效地解决了对滑环箱密封箱体的点检难题。利用相关联锁回路，可在点检期间切断环箱局部放电在线监测系统的输出回路，避免出现告警误报，详见图 5。现该装置已申请**并完成授权［16］。

3 结论

通过深入现场，对高压电缆卷筒滑环箱内部放电故障频发、点检困难等难题进行研究，有针对性的制定和实施了一系列的技术改进措施，采用较低的成本使现场问题得到了解决，其设计成果对相关领域的电气技术人员具有一定的借鉴意义。