發(fā)電機(jī)集電環(huán)損蝕原因分析及處理措施

周精明，吳義斌，黃 燦，牛文濤

（廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 桂平 537226）

1 概述

集電環(huán)是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流由靜止部件輸入轉(zhuǎn)動(dòng)部件的接口裝置，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，歷年來(lái)都是大型水輪發(fā)電機(jī)組電氣維護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其發(fā)生缺陷的次數(shù)和頻率遠(yuǎn)高于其他設(shè)備[1]。

集電環(huán)機(jī)械磨損、電化腐蝕、碳刷冒火花、溫度升高是運(yùn)行中常見(jiàn)的現(xiàn)象，由此引發(fā)的碳刷及刷握燒毀，集電環(huán)損傷、機(jī)組定轉(zhuǎn)子絕緣下降乃至發(fā)電機(jī)被迫停運(yùn)的事件屢見(jiàn)不鮮[2]。

本文基于某電廠發(fā)電機(jī)集電環(huán)過(guò)熱打火的實(shí)際案例，對(duì)負(fù)極集電環(huán)損蝕現(xiàn)象進(jìn)行原因分析，指出其主要由機(jī)械磨損、電氣腐蝕所致。并對(duì)此采取有效處理措施，為機(jī)組運(yùn)行維護(hù)提供參考依據(jù)。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)介紹

某電廠機(jī)組勵(lì)磁方式為可控硅全控整流橋自并勵(lì)靜止勵(lì)磁，機(jī)組空載勵(lì)磁電壓為157 V，空載勵(lì)磁電流為1 098 A。額定勵(lì)磁電壓為428 V，額定勵(lì)磁電流為2 107 A。集電環(huán)安裝在發(fā)電機(jī)頂軸上端，由集電環(huán)支架和正負(fù)極集電環(huán)組成。為防止碳刷的粉塵從正負(fù)極集電環(huán)之間飛入，污染發(fā)電機(jī)或造成正負(fù)極短路，正負(fù)極集電環(huán)之間設(shè)置防塵罩用于遮擋灰塵。刷架布置在集電環(huán)外側(cè)，通過(guò)刷架支撐固定在上機(jī)架中心體上部。

正負(fù)極集電環(huán)各設(shè)置31 個(gè)碳刷，共 62 個(gè)，碳刷使用可帶電拆卸的刷握，方便機(jī)組運(yùn)行時(shí)對(duì)碳刷進(jìn)行檢修和維護(hù)。碳刷以一定的壓力頂緊在集電環(huán)外圓上，保證接觸緊密，不發(fā)生打火現(xiàn)象。碳刷型號(hào)為E468，尺寸為34 mm×38 mm×60 mm。

勵(lì)磁電流流向：勵(lì)磁引線正極→碳刷刷架正極→碳刷→集電環(huán)正極→轉(zhuǎn)子正負(fù)極繞組→集電環(huán)負(fù)極→碳刷→碳刷刷架負(fù)極→勵(lì)磁引線負(fù)極。

圖1 刷架裝配圖

3 缺陷描述

某日，運(yùn)行人員巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)7 號(hào)機(jī)組負(fù)極集電環(huán)有打火現(xiàn)象，檢查碳粉除塵裝置運(yùn)行正常；檢查發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置未發(fā)生動(dòng)作，未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警；檢查上機(jī)架振擺曲線無(wú)明顯增大趨勢(shì)。用紅外熱成像儀測(cè)量7 號(hào)機(jī)組碳刷、集電環(huán)溫度為100±4℃左右，測(cè)量6 號(hào)、8 號(hào)機(jī)組碳刷、集電環(huán)溫度為80℃左右。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)7 號(hào)機(jī)組負(fù)極集電環(huán)上存在一定程度的粉塵及油霧，對(duì)碳刷進(jìn)行拔插測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)有卡澀的現(xiàn)象。檢查發(fā)現(xiàn)個(gè)別負(fù)極碳刷粉化明顯，負(fù)極集電環(huán)局部嚴(yán)重?fù)p蝕，正極碳刷及集電環(huán)基本完好。

圖2 負(fù)極集電環(huán)局部損蝕圖

4 原因分析

集電環(huán)與碳刷為動(dòng)靜接觸，二者又相互影響。碳刷打火、集電環(huán)損蝕原因推測(cè)由機(jī)械磨損、電氣腐蝕等造成。

4.1 機(jī)械磨損

集電環(huán)與碳刷接觸，二者相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦形成磨損消耗。若碳刷中含有硬質(zhì)顆粒，就會(huì)對(duì)集電環(huán)表面進(jìn)行擦刮，造成集電環(huán)表面不光滑，反過(guò)來(lái)對(duì)碳刷表面加大磨損；若碳刷質(zhì)量較好，碳粉易附著在集電環(huán)表面形成良好的潤(rùn)滑效果，使集電環(huán)、碳刷表面亮滑，二者機(jī)械磨損較小。

4.2 電氣腐蝕

（1）電火花腐蝕

當(dāng)碳刷和集電環(huán)環(huán)面不能充分接觸，或者存在跳動(dòng)時(shí)，二者之間會(huì)產(chǎn)生火花，高溫火花會(huì)在接觸點(diǎn)造成集電環(huán)環(huán)面的灼傷。機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，碳刷和集電環(huán)環(huán)面之間的壓力會(huì)隨機(jī)組擺度的變化增大或減小。當(dāng)壓力減小時(shí)，二者之間的接觸電阻會(huì)有所增大，當(dāng)遇到集電環(huán)環(huán)面有粗糙不平的情況時(shí)，會(huì)引起尖端放電，從而產(chǎn)生火花，火花灼傷集電環(huán)環(huán)面，灼傷點(diǎn)周圍會(huì)出現(xiàn)凸點(diǎn)，這種凸點(diǎn)會(huì)再次導(dǎo)致集電環(huán)和碳刷接觸面之間的尖端放電，從而再次引起火花，再次灼傷環(huán)面，如此往復(fù)導(dǎo)致環(huán)面損蝕的惡性循環(huán)[1]。

（2）電化學(xué)腐蝕

在電弧作用下，正極(陽(yáng)極)表面局部灼熱而蒸發(fā)出“金屬蒸汽”使陽(yáng)極表面損蝕，被稱之為“陽(yáng)極蒸發(fā)”；負(fù)極(陰極) 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，被稱之為“陰極粉化”。當(dāng)電流由碳刷流向集電環(huán)時(shí)，碳刷作為正極其表面在高溫作用下發(fā)生微小程度的“陽(yáng)極蒸發(fā)”，碳粒石墨離子遷移到集電環(huán)表面，使其形成亮滑的鏡面，機(jī)械磨損較小；當(dāng)電流由集電環(huán)流向碳刷時(shí)，集電環(huán)作為正極，其表面因“陽(yáng)極蒸發(fā)”而電蝕嚴(yán)重，金屬粒子粘附在碳刷接觸面上，集電環(huán)極面嚴(yán)重磨損而出現(xiàn)條痕，機(jī)械磨損進(jìn)一步增大，故正負(fù)極集電環(huán)表面的磨損情況表現(xiàn)出因電流方向不同出現(xiàn)極性差別[2]。

4.3 其它因素

（1）油霧因素

運(yùn)行過(guò)程中，因機(jī)組旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致上導(dǎo)油槽油霧甩出，油霧與碳粉形成混和物，聚集在刷握內(nèi)及集電環(huán)表面，將影響碳刷的自由竄動(dòng)和集電環(huán)表面光滑，加大了碳刷的消耗，同時(shí)也影響其散熱，形成惡性循環(huán)。

（2）碳刷、集電環(huán)材質(zhì)因素

碳刷質(zhì)地較硬、含有雜質(zhì)，集電環(huán)與碳刷材質(zhì)不匹配等因素，均有可能導(dǎo)致接觸面無(wú)法有效地形成致密氧化膜；集電環(huán)加工精度不高，表面粗糙度達(dá)不到技術(shù)要求，致使碳刷與集電環(huán)的摩擦增大，逐漸導(dǎo)致集電環(huán)表面損蝕。

（3）散熱因素

機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，由于碳粉的堆積造成風(fēng)道堵塞，碳粉收集裝置無(wú)法正常工作，導(dǎo)致碳刷和集電環(huán)產(chǎn)生的熱量無(wú)法正常散出，高溫進(jìn)一步加劇集電環(huán)損蝕。

（4）位置因素

軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組集電環(huán)水平安裝，上環(huán)為集電環(huán)正極，下環(huán)為集電環(huán)負(fù)極，運(yùn)行中正極碳刷磨損的粉塵和顆粒沉積到負(fù)極集電環(huán)；且受油器位于集電環(huán)上部，油霧容易聚集在負(fù)極集電環(huán)，進(jìn)一步加大了負(fù)極集電環(huán)的機(jī)械磨損和電化學(xué)腐蝕程度。

（5）刷握因素

刷握的恒壓彈簧長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，彈性疲勞老化，可能會(huì)造成每個(gè)碳刷的壓力不均勻。壓力過(guò)小，碳刷與集電環(huán)接觸面不穩(wěn)定，易起弧，加大了電氣腐蝕；壓力過(guò)大，刷面的硬粒加重會(huì)使集電環(huán)表面的摩擦、機(jī)械磨損增加。

5 處理措施

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查，確認(rèn)負(fù)極集電環(huán)表面損蝕比較嚴(yán)重，無(wú)法滿足繼續(xù)運(yùn)行條件。在做好機(jī)組相關(guān)安全措施后，將所有碳刷連同刷握做好標(biāo)記后取下，并且將集電環(huán)與勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁引線拆卸，將刷架及防塵罩拆解下放，露出正負(fù)極集電環(huán)。

（1）將機(jī)組開至空轉(zhuǎn)態(tài)，在集電環(huán)的±X 對(duì)稱方向上，用角向拋光機(jī)（60 號(hào)拋光片，各用15 片）對(duì)負(fù)極集電環(huán)進(jìn)行拋光處理，打磨掉集電環(huán)上的附著物及損傷面。

（2）將機(jī)組轉(zhuǎn)為停機(jī)態(tài)，檢查確認(rèn)負(fù)極集電環(huán)表面凹點(diǎn)是否打磨平整，有無(wú)多磨、磨偏、磨斜情況。

（3）重新將機(jī)組轉(zhuǎn)為空轉(zhuǎn)態(tài)，逐步用320 號(hào)（各用2 片）、400 號(hào)（各用10 片）、600 號(hào)（各用10 片）、800 號(hào)（各用10 片）、1 000 號(hào)（各用10 片）、1 200 號(hào)（各用10 片）、1 500 號(hào)（各用10 片）、2 000 號(hào)（各用10 片）的拋光片進(jìn)行打磨。磨完大號(hào)數(shù)目拋光片后不允許往回磨小數(shù)目的拋光片；兩人必須同時(shí)磨同一種數(shù)目片號(hào)的拋光片，所用力度必須接近，嚴(yán)禁一大一小造成橢圓。

（4）重新將機(jī)組轉(zhuǎn)為停機(jī)態(tài)，分成8 個(gè)間隔用2 000 號(hào)（各用1 片）、3 000 號(hào)（各用1 片）的砂紙手動(dòng)進(jìn)行拋光處理。檢查確認(rèn)負(fù)極集電環(huán)表面是否已無(wú)高點(diǎn)及凹點(diǎn)，用刀口尺查看負(fù)極集電環(huán)表面是否無(wú)明顯透光現(xiàn)象，與正極集電環(huán)對(duì)比是否表面能清晰照出人影，反射鏡像清晰。

（5）負(fù)極集電環(huán)表面清理打磨完成后，用吸塵器將集電環(huán)室內(nèi)碳粉及渣滓清理干凈。

（6）通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外各型號(hào)碳刷的綜合比較，趨向于選擇額定電流密度比較大，能夠抑制火花，且質(zhì)地較軟的碳刷[3]。同時(shí)向國(guó)內(nèi)的知名發(fā)電機(jī)廠家進(jìn)行咨詢，最終將碳刷型號(hào)選定為上海摩根NCC634。

（7）安裝碳刷前使用碳刷打磨工具或其他設(shè)備提前對(duì)碳刷的滑動(dòng)面打磨，這樣可以使碳刷與集電環(huán)外圓實(shí)現(xiàn)良好的配合。新碳刷更換前打磨好弧度，確保與集電環(huán)接觸面積不小于75%。

（8）將刷架及防塵罩整體回裝，將處理好的碳刷連同刷握裝回原來(lái)位置。碳刷在刷握內(nèi)滑動(dòng)應(yīng)靈活，無(wú)卡阻現(xiàn)象；碳刷垂直于集電環(huán)表面安裝，刷握距集電環(huán)表面應(yīng)為2～3 mm 間隙。

（9）接引勵(lì)磁引線，檢查勵(lì)磁引線、轉(zhuǎn)子引線牢固，刷架間連接螺栓緊固可靠，采取防松動(dòng)措施。

（10）用絕緣電阻測(cè)試儀1 000 V 檔位對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行整體絕緣測(cè)試。

圖3 負(fù)極集電環(huán)打磨處理前圖

圖4 負(fù)極集電環(huán)打磨處理后圖

6 結(jié)論

7 號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)集電環(huán)損蝕缺陷處理完成后，碳刷未再出現(xiàn)類似打火現(xiàn)象，集電環(huán)表面無(wú)損蝕情況。經(jīng)過(guò)實(shí)踐摸索證明，此次處理措施得當(dāng)，效果明顯，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，可為同類型機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)提供參考依據(jù)。