汽輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)的評估方法

史德利，李俊武，趙 博

（上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠，上海200240）

0 前言

汽輪發(fā)電機(jī)組大多數(shù)采用靜態(tài)勵(lì)磁，集電環(huán)是實(shí)現(xiàn)靜態(tài)勵(lì)磁的重要裝置，它將幾千安培的直流電流通過多個(gè)電刷與集電環(huán)接觸傳送至高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中。

集電環(huán)運(yùn)行好壞直接影響發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全可靠性。實(shí)際上每年都有電廠發(fā)生集電環(huán)電刷溫度高、打火，甚至集電環(huán)燒毀事故［1－4］。

IEC 60034-1-2004《旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定額與性能》對集電環(huán)和電刷溫升 （溫度）要求：不超過所用絕緣等級要求及不超過所用電刷及集電環(huán)承載電流的水平［5］；GB／T 7064-2017《透平型同步電機(jī)技術(shù)要求》要求：進(jìn)風(fēng)溫度40℃時(shí)，集電環(huán)溫升 （溫度）限值為80K（120℃）［6］；《汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程》有詳細(xì)集電環(huán)打火的原因及消除方法［7］，但這些還不能完全滿足集電環(huán)現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)要求。

集電環(huán)是大電流傳輸裝置，須密切監(jiān)測集電環(huán)溫度、電刷運(yùn)行狀態(tài)等。集電環(huán)作為易多發(fā)故障的部件，當(dāng)集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)變差時(shí)若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，會導(dǎo)致運(yùn)行惡化并面臨發(fā)生環(huán)火燒毀故障的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評估，識別出風(fēng)險(xiǎn)，并提出有針對性的檢修措施，做到早發(fā)現(xiàn)早處理，及時(shí)將隱患消除于萌芽狀態(tài)，對保證集電環(huán)安全運(yùn)行避免故障具有重要意義。

目前有多種方法可對集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估，如監(jiān)測集電環(huán)溫度和電刷接觸面溫度等，但這些方法存在測量對象、方法不統(tǒng)一、不規(guī)范的現(xiàn)象，具有較大隨機(jī)性和分散性，很難客觀評估集電環(huán)真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

本文提出一種集電環(huán)平均溫升法來評估集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，可準(zhǔn)確判斷集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，有效識別集電環(huán)運(yùn)行可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。該方法簡單有效，便于操作，能夠減少對集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)不必要的誤判，提高集電環(huán)運(yùn)行維護(hù)水平。

本文從集電環(huán)相關(guān)結(jié)構(gòu)、集電環(huán)發(fā)熱、集電環(huán)溫度測量、集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)評估方法、實(shí)際應(yīng)用案例等方面進(jìn)行介紹。

1 集電環(huán)相關(guān)結(jié)構(gòu)

一般集電環(huán)裝置由集電環(huán)和刷架組成。隔音外罩將其罩住，起到隔音降噪和形成風(fēng)路的作用。每極集電環(huán)分布一定數(shù)量的電刷，將靜止的直流電通過碳刷與集電環(huán)送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中，如圖1所示。

圖1 集電環(huán)和刷架結(jié)構(gòu)

整個(gè)裝置采用強(qiáng)迫式空氣冷卻，離心式風(fēng)扇將碳刷和集電環(huán)產(chǎn)生的熱量帶走，從而使電刷和集電環(huán)發(fā)熱達(dá)到熱平衡狀態(tài)。通常集電環(huán)運(yùn)行溫度在60～90℃，接觸面最高溫度在100～150℃。集電環(huán)進(jìn)風(fēng)為自然環(huán)境溫度，夏天集電環(huán)溫度高，冬季溫度低。

2 集電環(huán)發(fā)熱的損耗分析及影響因素

天然石墨電刷和光滑的集電環(huán)良好接觸，是集電環(huán)良好運(yùn)行的關(guān)鍵。集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)良好時(shí)，集電環(huán)表面光亮，電刷接觸面有穩(wěn)定的氧化膜鏡面，此狀態(tài)下摩擦損耗小，電氣損耗小，溫升低，電刷使用壽命長；反之，集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)差時(shí)，集電環(huán)表面粗糙，電刷接觸面有不穩(wěn)定的氧化膜鏡面，如亮面重疊、溝痕等，此狀態(tài)下電刷和集電環(huán)不是良好接觸，摩擦損耗大，電氣損耗大，溫升高，電刷磨損快［8］。

2.1 損耗來源

集電環(huán)損耗由摩擦損耗、電氣損耗、風(fēng)摩損耗和電刷損耗等組成。每種損耗的來源及影響見表1。

表1 損耗的來源及影響

2.2 集電環(huán)損耗［9，10］

（1）摩擦損耗＝N×μ×v×n

其中，N為電刷正壓力；μ為摩擦系數(shù)，取0.2；v為集電環(huán)表面線速度；n為每個(gè)集電環(huán)電刷數(shù)量。

（2）電氣損耗＝ΔU×If

其中，ΔU為集電環(huán)與電刷之間接觸壓降，取1.5V；If為勵(lì)磁電流。

（3）風(fēng)摩損耗

集電環(huán)、風(fēng)扇等旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的損耗，可通過集電環(huán)空轉(zhuǎn)試驗(yàn)測得。

（4）電刷損耗 ＝i2×ρ× （l／s）

其中，i為每個(gè)電刷通過的平均電流；ρ為電刷材料的電阻率，此處取18μΩ·m；l為電刷長度；s為電刷橫截面積。該損耗所占比例較小，可忽略不計(jì)。

以某型號660MW發(fā)電機(jī) （參數(shù)見表2）為例，計(jì)算得到：摩擦損耗為16063W，電氣損耗為12942W，電刷損耗為1469W，風(fēng)摩損耗為32021W（通過試驗(yàn)所得）。

表2 某型號660MW發(fā)電機(jī)參數(shù)

2.3 集電環(huán)發(fā)熱的影響因素［11］

集電環(huán)裝置采用離心式風(fēng)扇通風(fēng)冷卻，風(fēng)扇風(fēng)摩損耗占總風(fēng)摩損耗的絕大部分，風(fēng)扇的風(fēng)摩損耗通過離心式風(fēng)扇出風(fēng)排出，不會影響集電環(huán)發(fā)熱。電刷損耗與其他損耗相比約占1／10，它影響電刷刷體溫度。因此，集電環(huán)發(fā)熱不考慮風(fēng)摩損耗和電刷損耗，集電環(huán)主要考慮摩擦損耗和電氣損耗引起的發(fā)熱，且這兩種發(fā)熱是可變的。

2.3.1 損耗增加引起的發(fā)熱

集電環(huán)表面溫度、電刷接觸面溫度主要由摩擦損耗、電氣損耗引起。當(dāng)摩擦損耗和電氣損耗增大時(shí)，集電環(huán)表面和電刷接觸面溫度也會升高。摩擦損耗和電氣損耗引起的發(fā)熱與集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)正相關(guān)。

（1）摩擦損耗

摩擦損耗與摩擦系數(shù)、正壓力、線速度和電刷數(shù)量有關(guān)。對于一個(gè)設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品，線速度和電刷數(shù)量不會變化，影響摩擦損耗的因素主要為集電環(huán)表面粗糙度、電刷材質(zhì)和恒壓彈簧壓力。在電廠實(shí)際生產(chǎn)中最容易發(fā)生的是集電環(huán)表面粗糙，如檢修期間集電環(huán)長時(shí)間暴露于潮濕空氣中引起表面生銹，電刷質(zhì)量不佳等，而由恒壓彈簧壓力不足引起的發(fā)熱很少。

（2）電氣損耗

電氣損耗與電刷與集電環(huán)的接觸電阻和通過電流有關(guān)。

接觸電阻與集電環(huán)表面粗糙度密切相關(guān)，當(dāng)集電環(huán)表面粗糙或有毛刺時(shí)，摩擦系數(shù)顯著增大的同時(shí)，接觸電阻也會顯著增大，使摩擦損耗和電氣損耗都顯著增大，產(chǎn)生的危害極大，會導(dǎo)致電刷接觸不良，引起集電環(huán)溫度升高、打火。

運(yùn)行良好的電刷表面有一層光亮的氧化面，摩擦系數(shù)很小，接觸電阻也很小；運(yùn)行差的電刷氧化面不完整、有重疊和劃痕。

集電環(huán)表面質(zhì)量與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸徑一樣重要，集電環(huán)表面要求光亮 （光潔度好），不允許有毛刺和生銹。在實(shí)際應(yīng)用中集電環(huán)表面保護(hù)沒有引起足夠的重視，特別是長時(shí)間停機(jī)檢修時(shí)防護(hù)不到位，使集電環(huán)表面生銹，是集電環(huán)發(fā)熱的主要因素［11，12］。

（3）其他因素

電刷材質(zhì)、電刷自由度、刷盒安裝位置及間隙等出現(xiàn)問題時(shí)，會使電刷發(fā)生卡澀、抖動(dòng)，導(dǎo)致電刷接觸不良、打火，進(jìn)而破壞集電環(huán)表面，使集電環(huán)發(fā)熱［8］。

綜上所述，集電環(huán)表面區(qū)域是熱量最集中的區(qū)域，如果集電環(huán)表面粗糙，在運(yùn)行中熱量極劇增加將導(dǎo)致集電環(huán)溫度不斷上升。

除了集電環(huán)表面粗糙引起電刷接觸不良，電刷材質(zhì)、恒壓彈簧、電刷自由度、安裝等因素也會引起電刷接觸不良。因此，集電環(huán)發(fā)熱的本質(zhì)是電刷與集電環(huán)接觸不良引起損耗增大，導(dǎo)致集電環(huán)發(fā)熱、打火，而多數(shù)情況是由集電環(huán)表面粗糙引起的［13］。

2.3.2 風(fēng)路不暢引起的發(fā)熱

集電環(huán)采用開啟式通風(fēng)散熱系統(tǒng)，當(dāng)通風(fēng)風(fēng)路不暢，如進(jìn)口濾網(wǎng)堵塞時(shí)，會引起集電環(huán)產(chǎn)生的熱量不能被及時(shí)帶走，導(dǎo)致集電環(huán)溫度升高［14］。

當(dāng)罩內(nèi)負(fù)壓增大，要立刻排查風(fēng)路是否存在通風(fēng)不暢。

2.3.3 其他異物引起的發(fā)熱

其他異物，如油污進(jìn)入或落入異物等，也會引起集電環(huán)溫度升高、放電打火，甚至燒毀。

3 集電環(huán)溫度測量

集電環(huán)表面區(qū)域是摩擦損耗和電氣損耗產(chǎn)生熱量最集中的區(qū)域，需確定集電環(huán)溫度還是電刷接觸面溫度更能準(zhǔn)確反應(yīng)集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。

3.1 集電環(huán)溫度

全速或半速汽輪發(fā)電機(jī)以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速3000r／min或1500r／min運(yùn)行，集電環(huán)以 50r／s或 25r／s高速旋轉(zhuǎn)，與其所有電刷均接觸并傳導(dǎo)電流，集電環(huán)合金鋼材質(zhì)具有良好導(dǎo)熱性能，因此集電環(huán)表面溫度基本均勻，集電環(huán)平均溫度具有穩(wěn)定可靠的特征。

集電環(huán)平均溫度測量操作方便、準(zhǔn)確可靠，只要負(fù)荷條件不變，任何時(shí)間測量集電環(huán)平均溫升基本不變；而集電環(huán)最高溫度具有一定的分散性和隨機(jī)性，不具備穩(wěn)定可靠的特征，因此用集電環(huán)平均溫度表示集電環(huán)溫度。

測量方法：用紅外線熱像儀顯示屏中的測量框（大小可調(diào)節(jié)）對準(zhǔn)集電環(huán)表面，注意測量時(shí)不要框到其他部件，如電刷、導(dǎo)電板等。讀出測量框內(nèi)平均溫度，每一個(gè)集電環(huán)可測1～2處。

3.2 電刷接觸面溫度

從電刷電流分布可知每個(gè)電刷與集電環(huán)的接觸電阻都不完全一樣，電刷接觸面溫度具有一定分散性和隨機(jī)性。電刷接觸面溫度在一定工況下按某一均值動(dòng)態(tài)分布，因此抽取某個(gè)電刷接觸面溫度不適合用來反映集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。

實(shí)際上很多電廠用電刷最高溫度來反應(yīng)集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，如用熱像儀測到140℃、150℃或160℃，反饋集電環(huán)溫度高，但它不代表集電環(huán)存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，特別是夏天環(huán)境溫度較高時(shí)。集電環(huán)真實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)、有無風(fēng)險(xiǎn)、風(fēng)險(xiǎn)等級如何，僅用集電環(huán)溫度或電刷接觸面溫度還不能準(zhǔn)確作出評估。

通過研究發(fā)現(xiàn)電刷接觸面溫度與集電環(huán)平均溫度存在一定的關(guān)系。首先，要實(shí)現(xiàn)電刷接觸面溫度的準(zhǔn)確測量，只能用最高溫度來表示，不能用平均溫度。因?yàn)闊嵯駜x測量框很難只測量接觸面，很容易將溫度較低的電刷、刷盒和集電環(huán)等部件包含進(jìn)來，這樣一來測得的電刷接觸面平均溫度是不準(zhǔn)確的，而測量框只要框到接觸面，讀出的最高溫度就是接觸面最高溫度。

測量方法：在能夠測量的位置用熱像儀將測量框?qū)⒁话阉⑽斩鄠€(gè)電刷接觸面全部框進(jìn)來，讀出最高溫度，每個(gè)集電環(huán)測量4個(gè)刷握。將測量數(shù)據(jù)平均記作集電環(huán)電刷接觸面最高溫度。

根據(jù)多臺機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，集電環(huán)平均溫升與電刷接觸面最熱點(diǎn)溫升一般有＋（40～60）K關(guān)系。也就是測得集電環(huán)平均溫度，可以推算電刷接觸面最高溫度平均水平。

綜上所述，應(yīng)用具有可操作性和準(zhǔn)確性的集電環(huán)平均溫升描述集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，而不用電刷接觸面溫度，電刷接觸面溫度僅供參考［15］。

4 集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)評估方法

采用集電環(huán)平均溫升表示集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，能真實(shí)有效反映集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，如同電機(jī)用溫升衡量電機(jī)真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)一樣，具有準(zhǔn)確可靠的特點(diǎn)。

只要集電環(huán)運(yùn)行工況不變，如負(fù)荷、通風(fēng)條件等不變，不論間隔多長時(shí)間 （如一周、一個(gè)月）測量，集電環(huán)平均溫升不會改變。

4.1 集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)評估方法

一直以來沒有一套方法來評估判斷集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，不能有效發(fā)現(xiàn)集電環(huán)運(yùn)行是否存在風(fēng)險(xiǎn)和所處的風(fēng)險(xiǎn)等級。

通過對集電環(huán)產(chǎn)品開發(fā)、科研試驗(yàn)、現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)的長期研究，制造廠出廠的新集電環(huán)平均溫升一般在30～40K，電廠運(yùn)行良好的集電環(huán)平均溫升也在30～40K。而發(fā)熱的集電環(huán)平均溫升有的在40～50K，有的在50～60K。當(dāng)診斷出集電環(huán)溫升高后，通過及時(shí)檢修維護(hù)，集電環(huán)平均溫升又會回到30～40K的良好水平。

根據(jù)集電環(huán)平均溫升發(fā)展趨勢，將集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)劃分為良好、合格、一般風(fēng)險(xiǎn)、較大風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)等級，可有效預(yù)測集電環(huán)的風(fēng)險(xiǎn)大小。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級開展針對性檢修，可有效指導(dǎo)集電環(huán)運(yùn)行維護(hù)，提高運(yùn)行維護(hù)效率。

該方法可有效掌控集電環(huán)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等級。對風(fēng)險(xiǎn)隱患做到早發(fā)現(xiàn)早處理，可有效避免集電環(huán)出現(xiàn)故障，因?yàn)榧姯h(huán)發(fā)生環(huán)火故障時(shí)間很短，是來不及采取措施的［16］。

用集電環(huán)平均溫升評估集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)方法見表3。

表3 用集電環(huán)平均溫升評估集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)方法

若檢測集電環(huán)平均溫升高，首先檢查風(fēng)路是否通暢，若集電環(huán)進(jìn)口濾網(wǎng)有堵塞，要及時(shí)清理濾網(wǎng)。其次檢查集電環(huán)刷架是否有異常，如電刷自由度、電刷是否有抖動(dòng)、刷盒安裝間隙和位置、電刷牌號、電刷接觸面等。根據(jù)集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)等級按表3檢修建議處理。一般在有條件停機(jī)的情況下，重點(diǎn)檢查集電環(huán)表面。因?yàn)榧姯h(huán)發(fā)熱多數(shù)是由于集電環(huán)表面粗糙引起的。

4.2 集電環(huán)運(yùn)行維護(hù)

（1）機(jī)組運(yùn)行時(shí)

集電環(huán)分正極環(huán)和負(fù)極環(huán)，實(shí)際操作中分別測量每個(gè)集電環(huán)平均溫度、電刷接觸面最高溫度，同時(shí)記錄發(fā)電機(jī)功率、勵(lì)磁電流、進(jìn)風(fēng)溫度等數(shù)據(jù)。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)計(jì)算集電環(huán)平均溫升和電刷接觸面最高溫度，電刷接觸面溫度僅供參考。

（2）停機(jī)時(shí)

當(dāng)集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)提示檢修，停機(jī)時(shí)安排檢修及時(shí)處理掉隱患非常必要。

停機(jī)或檢修時(shí)集電環(huán)各部件暴露在空氣中，易受外部環(huán)境影響，特別是長時(shí)間停機(jī)時(shí)，對集電環(huán)表面的防護(hù)尤為重要［17］。

4.3 集電環(huán)運(yùn)行溫度／溫升限值

按GB／T 7064-2017，當(dāng)集電環(huán)進(jìn)風(fēng)溫度為40℃時(shí)，集電環(huán)溫度限值120℃，集電環(huán)溫升限值為80K。按該集電環(huán)溫度／溫升限值還不能滿足集電環(huán)運(yùn)行維護(hù)的要求。

集電環(huán)平均溫升能真實(shí)反映集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，跟蹤其發(fā)展趨勢能及時(shí)發(fā)現(xiàn)集電環(huán)運(yùn)行有無風(fēng)險(xiǎn)、風(fēng)險(xiǎn)等級。相比國標(biāo)GB／T 7064-2017提高集電環(huán)平均溫升限值，具有實(shí)際可操作性，能有效確保集電環(huán)安全運(yùn)行，避免故障發(fā)生。

集電環(huán)運(yùn)行溫度／溫升限值，見表4。

表4 集電環(huán)運(yùn)行溫度／溫升限值

5 實(shí)際應(yīng)用案例

本方法已在多個(gè)電廠有成功應(yīng)用案例。

國內(nèi)某電廠6號機(jī)集電環(huán)溫度及溫升較高，較7號機(jī)高10～20K。

運(yùn)行中檢查發(fā)現(xiàn)6號機(jī)存在以下問題：（1）刷握安裝存在偏心問題； （2）刷盒與集電環(huán)間隙過大（大于5mm）；（3）個(gè)別刷盒恒壓彈簧與刷盒間隙偏大 （0.5～1mm）；（4）軸承側(cè)集電環(huán)電刷有打火現(xiàn)象；（5）進(jìn)風(fēng)濾網(wǎng)有堵塞現(xiàn)象。

修理前集電環(huán)平均溫升達(dá)54K，處于一般風(fēng)險(xiǎn)階段，給出建議計(jì)劃安排檢修。停機(jī)后返廠檢查，發(fā)現(xiàn)集電環(huán)表面生銹較嚴(yán)重，集電環(huán)表面粗糙 （如圖2所示），是集電環(huán)發(fā)熱的主要原因。

圖2 集電環(huán)表面生銹較嚴(yán)重

修理方案：集電環(huán)表面車光處理［12］，刷盒重新鍍銀，按新機(jī)標(biāo)準(zhǔn)重新安裝，并調(diào)整好各間隙。

修理后集電環(huán)平均溫升為35K，降低約20K，接觸面溫度降低約10K。

修理前后的集電環(huán)溫度數(shù)據(jù)，見表5。

表5 修理前后的集電環(huán)溫度數(shù)據(jù)

本案例驗(yàn)證了通過集電環(huán)平均溫升及時(shí)診斷出集電環(huán)運(yùn)行存在問題，處于一般風(fēng)險(xiǎn)。在機(jī)組計(jì)劃停機(jī)檢修后及時(shí)對集電環(huán)進(jìn)行了處理，使集電環(huán)恢復(fù)到良好運(yùn)行狀態(tài)，消除了集電環(huán)運(yùn)行帶來的安全隱患。

6 結(jié)論

本文提出一種集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)的評估方法，采用集電環(huán)平均溫升評估集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，將集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)劃分為不同風(fēng)險(xiǎn)等級，針對不同等級給出相應(yīng)的檢修建議。

本方法解決了現(xiàn)有不能準(zhǔn)確評估集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)的局面，具有簡單有效、操作方便的特點(diǎn)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)集電環(huán)運(yùn)行安全隱患，對運(yùn)行維護(hù)、避免故障具有較大實(shí)用價(jià)值。