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(福建水口發(fā)電集團有限公司,福建 福州 350000)
水電站發(fā)電機組碳刷集電環(huán)系統(tǒng)在運行中常見的故障有發(fā)熱、產(chǎn)生電火花[1-3]、集電環(huán)摩擦面灼傷、碳刷燒損、卡簧疲勞等。由于碳刷集電環(huán)系統(tǒng)是機組勵磁回路的導(dǎo)流部件,是電流從靜止部件流向旋轉(zhuǎn)部件的過渡裝置,極易產(chǎn)生各種故障現(xiàn)象。對某流域多臺機組碳刷集電環(huán)系統(tǒng)的調(diào)查維護發(fā)現(xiàn),均存在集電環(huán)負環(huán)表面積碳、摩擦面粗糙,將積碳用砂紙打磨后表面出現(xiàn)損傷的現(xiàn)象。本文針對這一現(xiàn)象,初淺分析造成集電環(huán)單極表面受損的原因,并給出處理措施,為在日常碳刷集電環(huán)系統(tǒng)的維護提供參考。
碳刷集電環(huán)系統(tǒng)是指同步發(fā)電機旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子繞組)與靜止部分(勵磁電源)的導(dǎo)電裝置,由集電環(huán)、刷盒、刷架、碳刷、彈簧組成。其中集電環(huán)是是同步發(fā)電機旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子繞組)的導(dǎo)電部件,與轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn),分為集電環(huán)正環(huán)與集電環(huán)負環(huán),集電環(huán)外表面通過與碳刷的摩擦接觸實現(xiàn)電流的輸送;碳刷是與集電環(huán)摩擦接觸傳導(dǎo)電流的部件;刷盒是是用于固定碳刷并將彈簧的壓力加在碳刷上的部件;卡簧是固定在刷盒上,并將壓力加在碳刷上,使其與集電環(huán)有良好接觸的部件;刷架是用來固定刷盒并匯集勵磁電流的部件。
集電環(huán)是發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁電流的承載體,在發(fā)電機正常運行時,高速滑動的接觸導(dǎo)流部件,與碳刷接觸摩擦形成導(dǎo)流回路。一般來說,在集電環(huán)上的摩擦、自然氧化的作用下,在集電環(huán)的接觸面上形成一層均勻、光滑的氧化膜[2],這是機組碳刷集電環(huán)系統(tǒng)運行良好的重要特征。該氧化膜是一種復(fù)合薄膜,其組成成分與碳刷型號及集電環(huán)的材料成分有關(guān),正常厚度一般在1~6μm的范圍內(nèi)。由于氧化膜的具備碳元素的導(dǎo)電性,可以有效改善了碳刷與集電環(huán)的導(dǎo)流特性;同時又具有較好的潤滑性能,可以顯著降低了碳刷與集電環(huán)之間摩擦系數(shù),減少了摩擦熱的產(chǎn)生和碳刷的磨損,延長了碳刷和集電環(huán)的使用壽命。
圖1展示為某機組集電環(huán)負環(huán)經(jīng)零號砂紙打磨后的圖片,從圖中可以很明顯的看到集電環(huán)負環(huán)表面很多的深色區(qū)域,這些就是集電環(huán)表面的受損區(qū)域。
圖1 集電環(huán)負環(huán)受損表面
發(fā)電機組在運行工況下,碳刷集電環(huán)導(dǎo)流系統(tǒng)有持續(xù)的勵磁電流流過,此時,集電環(huán)表面不僅存在機械磨損,同時還有電氣磨損。電氣磨損指的是由于電場作用、電弧高溫和放電等因素的作用下,使接觸面材料受到損傷。而由于電氣磨損損傷接觸面后,會加劇機械磨損的程度。
由于勵磁電流通過碳刷和集電環(huán)的接觸面,且其直接傳導(dǎo)的部位不斷變動,電流密度又很大,加之碳刷與集電環(huán)接觸電阻的存在,使一些接觸點的溫度很高。又由于局部電弧的高溫作用,會使兩側(cè)接觸面局部熔化、脫落,金屬會變成金屬蒸汽,碳刷則結(jié)構(gòu)松化,受氧化腐蝕而脫落,引發(fā)機組非計劃停役。
集電環(huán)極性不同時,磨損情況是不一樣的。在電弧作用下,陽極(正極)表面局部灼熱而蒸發(fā)出“金屬蒸汽”,使陽極表面損蝕,這叫“陽極蒸發(fā)”;陰極(負極)因受正離子撞擊和高溫作用發(fā)射電子,使陰極表面也遭受破壞,這叫“陰極粉化”。由于陽極蒸發(fā)和陰極粉化的作用,碳刷和集電環(huán)由于電流方向不同會出現(xiàn)極性差別。
當(dāng)電流由碳刷流向滑環(huán)時,碳刷為正極,集電環(huán)為負極,則結(jié)果是,碳刷面上發(fā)生微小程度的陽極蒸發(fā),碳粒、石墨離子遷移到集電環(huán)表面,碳刷有電氣磨損。集電環(huán)采用合金材質(zhì),硬度高,表面幾乎不發(fā)生陰極粉化現(xiàn)象,但會附著少量碳粒、石墨分子,經(jīng)摩擦氧化作用,逐步形成潤滑、光澤的氧化膜。由于集電環(huán)表面氧化膜的形成,隔離碳刷與集電環(huán),因其良好的潤滑導(dǎo)流特性,極大的降低了電氣損耗與機械損耗,如圖2所示上集電環(huán)。
反之,當(dāng)電流由集電環(huán)流向碳刷時,此時集電環(huán)為正極,碳刷為負極,集電環(huán)發(fā)生微小程度的陽極蒸發(fā),金屬離子撞擊碳刷表面,碳刷較軟且遭受正離子撞擊極易產(chǎn)生陰極粉化現(xiàn)象,而粉化后的大量碳刷顆粒在高溫下便附著在集電環(huán)表面形成粗糙的表面,摩察系數(shù)大溫升高,集電環(huán)表面無法形成氧化膜,如圖2所示下集電環(huán),同時加劇了集電環(huán)和碳刷的機械磨損,惡化了碳刷與集電環(huán)的導(dǎo)流能力,產(chǎn)生高溫電弧,經(jīng)過長時間的逐步積累,最終將集電環(huán)表面灼傷圖1所示,使碳刷的壽命縮短,如任其繼續(xù)發(fā)展將造成集電環(huán)環(huán)火[4]現(xiàn)象的出現(xiàn)。
總的來說,當(dāng)碳刷為正極時,因為碳刷與集電環(huán)中間氧化膜的形成,使集電環(huán)和碳刷的電氣磨損和機械磨損都很??;當(dāng)碳刷為負極時,無法在集電環(huán)表面形成氧化膜,加劇了碳刷與集電環(huán)的電氣磨損、機械磨損。
圖2 同一機組集電環(huán)正、負環(huán)對比
為了使集電環(huán)正、負環(huán)均能形成氧化膜,降低集電環(huán)和碳刷的電氣磨損與機械磨損,由于集電環(huán)負環(huán)電流流向的原因?qū)е缕錈o法形成氧化膜,故可以通過有計劃的調(diào)換兩環(huán)電流極性,使得集電環(huán)兩極逐步形成氧化膜。具體可以通過調(diào)換正、負環(huán)的勵磁連接電纜來實現(xiàn)。
氧化膜具有非常好的潤滑性能,碳刷與集電環(huán)接觸表面起潤滑作用的潤滑層主要是石墨膜,這層石墨膜,將碳刷與集電環(huán)分開,使摩擦在石墨潤滑層間進行,提高導(dǎo)流效率,降低了摩擦系數(shù),減少了摩擦熱的產(chǎn)生,降低了碳刷的磨損,對機組長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)具有不可替代的作用。因此,在機組碳刷集電環(huán)系統(tǒng)的日常維護中,提高集電環(huán)氧化膜保護的意識,防止人為因素使集電環(huán)氧化膜遭到破壞。
碳刷集電環(huán)系統(tǒng)上各個部件,對系統(tǒng)安全穩(wěn)定都有重要作用。就碳刷而言,在同一臺機組上使用電阻率不同的產(chǎn)品,會導(dǎo)致各個碳刷電流分配不均,當(dāng)某一碳刷電流密度過大時,會加速碳刷損耗,引起溫升,破壞氧化膜,損傷集電環(huán)表面,最終引起集電環(huán)環(huán)火。對于卡簧、刷握等配件亦是如此。因此,選用質(zhì)量可靠,特性相同的配件也是維護過程需要注意的一個細節(jié)。
本文對水電機組碳刷集電環(huán)系統(tǒng)中集電環(huán)單極損傷的故障原因進行了粗淺的分析,找到了造成集電環(huán)單極損傷的基本成因,為水電站機組中類似問題提出了解決方案,供廣大水電機組維護檢修工作人員參考。