淺談集電環(huán)單極損傷的原因

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(福建水口發(fā)電集團有限公司，福建 福州 350000)

1 引言

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。

2 機組碳刷集電環(huán)系統(tǒng)的工作原理

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

3 集電環(huán)單極表面受損的原因分析

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

4 采取的處理措施

4.1 倒換集電環(huán)的極性

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)。

4.2 對集電環(huán)表面氧化膜的保護

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。

4.3 配件的選擇

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)。

5 結(jié)語

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。