發(fā)電電動(dòng)機(jī)滑環(huán)發(fā)出響聲的原因分析

趙貴前

（北京十三陵蓄能電廠，北京 102200）

1 某廠發(fā)電電動(dòng)機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)的主要參數(shù)

1.1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)

額定容量：發(fā)電222 MVA/電動(dòng)218 MW。

額定功率因數(shù)：發(fā)電工況為0.9(滯后)，電動(dòng)工況為1.0。

額定轉(zhuǎn)速：500 r/min。

額定電壓：13.8 kV。

額定頻率：50 Hz。

調(diào)相容量：發(fā)電工況最大為154 Mvar，電動(dòng)工況為100 Mvar。

最大進(jìn)相容量：發(fā)電工況及電動(dòng)工況為171 Mvar。

1.2 勵(lì)磁系統(tǒng)主要參數(shù)

空載勵(lì)磁電壓：68 V。

空載勵(lì)磁電流：1 136 A。

額定勵(lì)磁電壓：154 V。

額定勵(lì)磁電流：2 134 A。

頂值勵(lì)磁電壓：385 V。

頂值勵(lì)磁電流：4 270 A。

1.3 滑環(huán)與電刷裝置

發(fā)電電動(dòng)機(jī)采用螺桿裝配式滑環(huán)，其由上層的整圓絕緣板、下層的托板及中間的2層集電滑環(huán)組成。如圖1所示，滑環(huán)外徑為1 200 mm、內(nèi)徑為900 mm、高為408 mm，各滑環(huán)均由把合絕緣螺桿及絕緣支撐套管連接。為使電流密度分布均勻、降溫、碳刷粉塵散落，兩集電環(huán)外圓面均有螺旋槽，槽寬為3 mm、深為12 mm、螺距為28 mm。各環(huán)間均設(shè)風(fēng)扇葉，用螺釘固定在集電環(huán)上。

與滑環(huán)配套的碳刷架為半圓式，正負(fù)導(dǎo)電環(huán)沿軸向上下分層平行布置，每個(gè)導(dǎo)電環(huán)上安裝8對(duì)杠桿式彈簧刷握，32個(gè)碳刷。碳刷最大運(yùn)行尺寸：長(zhǎng)×寬×高(深)=32×25×40 mm，最小運(yùn)行尺寸：長(zhǎng)×寬×高(深)=32×25×20 mm。

圖1 螺桿裝配式滑環(huán)結(jié)構(gòu)示意

2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)滑環(huán)發(fā)出響聲的原因

2.1 滑環(huán)發(fā)出響聲的情況

該廠發(fā)電電動(dòng)機(jī)C修后，對(duì)勵(lì)磁電纜進(jìn)行了正負(fù)極性倒換，運(yùn)行一段時(shí)間后，運(yùn)行人員巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)滑環(huán)有響聲。檢查后發(fā)現(xiàn)，上層滑環(huán)的其中一個(gè)刷握盒邊緣有過(guò)熱熔化痕跡，對(duì)應(yīng)滑環(huán)面有劃痕。測(cè)量該刷握盒邊緣與滑環(huán)間隙不到1 mm，而其他刷握盒邊緣與滑環(huán)間隙都在1.5 mm左右。用彈簧秤對(duì)所有碳刷刷握的壓緊力進(jìn)行檢查，全部都在1.25～1.5 kg之間。對(duì)故障刷握盒作磨平處理，并對(duì)滑環(huán)劃痕作打磨光滑處理，同時(shí)對(duì)故障刷握盒邊緣與滑環(huán)間隙，以及其他全部刷握盒邊緣與滑環(huán)間隙作檢查調(diào)整，但投入運(yùn)行不長(zhǎng)時(shí)間后滑環(huán)又出現(xiàn)了響聲，而且響聲仍然來(lái)自上層滑環(huán)(在空轉(zhuǎn)不加勵(lì)磁時(shí)無(wú)響聲，當(dāng)加勵(lì)磁電流時(shí)出現(xiàn)響聲)。

2.2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)滑環(huán)響聲的起因分析

2.2.1 最初的響聲起因

正負(fù)極性倒換后，上層滑環(huán)原來(lái)的正極性碳刷變成了負(fù)極性碳刷，相對(duì)應(yīng)的滑環(huán)則變成了正極性，從而使得大量的金屬粒子和機(jī)械磨損的碳粉向碳刷方向聚集。在風(fēng)扇的吹拂下，一部分粉塵被吹到了過(guò)濾網(wǎng)上，另一部分粉塵則落在相鄰的部件上。由于故障刷握盒的邊緣與滑環(huán)距離太近(間隙不到1 mm)，粉塵很容易就會(huì)堆積起來(lái)，并斷續(xù)地對(duì)滑環(huán)一定部位放電；使滑環(huán)這一部位由于電灼傷而變得不平，出現(xiàn)高點(diǎn)，繼續(xù)與粉塵不斷堆積的故障刷握盒邊緣放電而使刷握邊緣熔化，同時(shí)伴隨有響聲。由于發(fā)現(xiàn)及時(shí)，沒有造成較大的事故。而下層滑環(huán)由于是負(fù)極性，碳粒、石墨離子遷移到滑環(huán)表面，對(duì)滑環(huán)表面的氧化膜有強(qiáng)化作用；大部分多余的粉末則通過(guò)表面的螺旋槽被風(fēng)扇吹走。經(jīng)檢查，下層滑環(huán)運(yùn)行情況良好，無(wú)過(guò)熱、無(wú)響聲。

2.2.2 處理后的滑環(huán)仍出現(xiàn)響聲的原因

在碳刷架及刷握固定良好，接線無(wú)松動(dòng)斷開，滑環(huán)固定及擺度正常的情況下，引起滑環(huán)產(chǎn)生響聲的可能因素有以下幾點(diǎn)：

(1) 碳刷質(zhì)量不佳，顆粒粗硬，甚至含有少量如金剛砂之類的硬質(zhì)顆粒，在碳刷與滑環(huán)表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生刮割和拉??；

(2) 刷握盒邊緣與滑環(huán)間距太小，出現(xiàn)刮蹭或因碳粉堆積而放電，造成滑環(huán)面受損；

(3) 碳刷壓力不夠，碳刷與滑環(huán)表面接觸不實(shí)；

(4) 碳刷表面與滑環(huán)吻合面不到75 %；

(5) 碳刷在刷握盒內(nèi)卡澀，不能靈活運(yùn)動(dòng)；

(6) 刷握盒固定松動(dòng)或彈簧斷裂等；

(7) 滑環(huán)面磨損大，表面氧化膜被破壞，出現(xiàn)了一定程度的糙化。

但在對(duì)故障刷握和滑環(huán)面進(jìn)行處理后，滑環(huán)仍再次出現(xiàn)響聲。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)，上述前6項(xiàng)產(chǎn)生響聲的原因完全可以排除。因此，出現(xiàn)響聲的原因可能就是“滑環(huán)面磨損大，表面氧化膜被破壞，出現(xiàn)了一定程度的糙化”。因?yàn)樯蠈踊h(huán)表面出現(xiàn)過(guò)劃痕且作了處理(用油石打磨)，使得原來(lái)的氧化膜遭到破壞，并且C修倒換極性后，故障滑環(huán)(上層滑環(huán))變成了正極性，加重了滑環(huán)的電氣磨損，使新的氧化膜的形成存在困難。

在電流的作用下，滑環(huán)與碳刷間不僅有機(jī)械磨損，還有電氣磨損。所謂電氣磨損，指的是由于電弧高溫和放電等因素的作用，使極面材料受到損壞的情況。并且由于電氣磨損影響極面，所以也會(huì)對(duì)機(jī)械磨損的程度產(chǎn)生影響，兩者相互“促進(jìn)”。電流通過(guò)碳刷和滑環(huán)的接觸面時(shí)，因直接傳導(dǎo)的部位不斷變動(dòng)，且電流密度很大，會(huì)造成一些點(diǎn)的溫度很高；同時(shí)又由于電弧的高溫作用，使兩側(cè)極面局部熔化、脫落，金屬變成金屬蒸汽，碳刷結(jié)構(gòu)松化，受氧化腐蝕而脫落，此即電氣磨損的表現(xiàn)。但是，極性不同，磨損的情況也是不一樣的。在電弧作用下，陽(yáng)極(正極)表面局部灼熱而蒸發(fā)出“金屬蒸汽”，使陽(yáng)極表面損蝕，這叫“陽(yáng)極蒸發(fā)”；陰極(負(fù)極)因受正離子撞擊和高溫作用而發(fā)射電子，使陰極表面遭受破壞，這叫“陰極粉化”。

由于陽(yáng)極蒸發(fā)和陰極粉化的作用，碳刷和滑環(huán)由于電流方向不同會(huì)出現(xiàn)極性差別。當(dāng)電流由碳刷流向滑環(huán)時(shí)，此時(shí)碳刷為正極，滑環(huán)為負(fù)極，則結(jié)果是：碳刷面上發(fā)生微小程度的陽(yáng)極蒸發(fā)，碳粒、石墨離子遷移到滑環(huán)表面，碳刷有電氣磨損；滑環(huán)表面有輕微的陰極粉化，并附著碳粒、石墨，形成潤(rùn)滑、光澤的鏡面。此時(shí)滑環(huán)表面平滑，機(jī)械磨損較小。當(dāng)電流由滑環(huán)流向碳刷時(shí)，此時(shí)碳刷為負(fù)極，滑環(huán)為正極，則結(jié)果是：碳刷面上發(fā)生陰極粉化，電氣磨損??；滑環(huán)表面發(fā)生陽(yáng)極蒸發(fā)，大量金屬蒸發(fā)使其表面損蝕嚴(yán)重；同時(shí)，這些金屬粒子也易附著于碳刷面上，使滑環(huán)表面嚴(yán)重磨損，出現(xiàn)劃痕。實(shí)際情況也完全如此，上層滑環(huán)為陽(yáng)極(正極性)，在很大的勵(lì)磁電流作用下，電氣磨損、機(jī)械磨損都很大，并產(chǎn)生惡性循環(huán)，在滑環(huán)表面原有氧化膜被破壞的情況下變得更加粗糙，從而響聲不斷。

3 滑環(huán)響聲的處理措施

(1) 將勵(lì)磁電纜正負(fù)端在勵(lì)磁功率柜內(nèi)進(jìn)行極性倒換，使上層滑環(huán)變?yōu)樨?fù)極性。這樣，碳粒、石墨離子就會(huì)遷移到滑環(huán)表面上，使滑環(huán)表面氧化膜得以修復(fù)，糙化下降，形成潤(rùn)滑、光澤的鏡面。在上層滑環(huán)極性倒換后，開機(jī)試驗(yàn)，響聲停止；紅外成像測(cè)溫顯示滑環(huán)溫度正常。

(2) 上下滑環(huán)極性倒換后，下層滑環(huán)受到的電氣磨損將加重，在一定的時(shí)間內(nèi)會(huì)變得粗糙，也可能會(huì)發(fā)出響聲，因此需要定期倒換極性。

(3) 應(yīng)對(duì)滑環(huán)響聲的維護(hù)措施及需定期檢查的項(xiàng)目如下：

① 檢查刷握盒的固定及邊緣與滑環(huán)的間隙符合要求(該廠要求在1.2～1.5 mm)；

② 檢查刷握彈簧，保證碳刷壓緊力在合理的范圍內(nèi)（該廠使用彈簧秤檢查，緊力在1.25～1.5 kg之間)；

③ 定期倒換滑環(huán)極性，以減小滑環(huán)磨損，確?；h(huán)表面氧化膜不被破壞；

④ 使用質(zhì)量符合要求的碳刷，更換碳刷時(shí)要對(duì)碳刷表面進(jìn)行整形，使之與滑環(huán)面吻合；

⑤ 定期清理滑環(huán)與刷握盒邊緣間隙處堆積的碳粉，及時(shí)清理、更換濾網(wǎng)。