２０１１钲 有色金属 ７７ 可可托海电站发电机机组集电环磨损成因分析及处理 章明 （有色金属工业集团稀有金属有限责任公司 可可托海８３６３００） 摘 要 可可托海电站安装有２台５ Ｍｗ和２台４．５ ＭＷ混流式水轮发电机组，发电机及其附属部件由重庆水轮机厂设计生产。在多年 运行发电过程中，发现机组碳刷时有打火现象，极端时由于碳刷滑环火花过大，造成环火现象，致使发电机停机。４台机组集电环都出现了一些不 同程度磨损，表面有蜂窝状麻点和碳刷磨损较快等缺陷。碳刷在集电环上正常运行时，和集电环接触面上形成一层均匀的氧化膜，这是发电机集电 环运行良好的主要标志。氧化膜如果被破坏，将使集电环表面磨损，还可能将表面烧成蜂窝麻点，严重时集电环将报废。 关键词 碳刷集电环磨损原因氧化膜 Ｕ 日ＩＪ 舌 （２）碳刷压力不均匀或不符合要求，可能是碳刷 过短、弹簧由于过热变软老化失去弹性等原因。用弹簧 发电机组碳刷在集电环上正常运行时，和集电环 接触面上形成一层均匀的氧化膜，这是发电机集电环 秤检查碳刷压力。恒压弹簧应完整无机械损伤，压力应 运行良好的主要标志。因为这层氧化膜的形成改变了 符合其产品的规定，同一集电极上的弹簧压力偏差不 碳刷与集电环的接触特性、减少了摩擦、降低磨损、延 宜超过５％；同一个碳刷架上的每个碳刷的压力应均 长了碳刷和集电环的使用寿命。氧化膜的正常厚度在 匀。 ８～１００ ｎｍ的范围内，一般为２５ ｎｍ。氧化膜具有较好的 （３）集电环与转子引线接触电阻过大，对集电环 润滑性能，碳刷与集电环接触表面起润滑作用的润滑 与转子引线间的紧固螺丝进行加固。 层主要是石墨膜，这层石墨膜，使碳刷与集电环之间降 （４）碳刷材质不良、导电性能差、使用的型号不符 低了摩擦系数，减少了摩擦热的产生和碳刷的磨损。集 合要求或者使用了不同型号的碳刷。同一发电机上应 电环磨损的原因多数是由于碳刷的过热而使氧化膜被 使用同一型号、同一制造厂的碳刷，对于外观检查有明 破坏而产生的。 显差异的碳刷应更换。 １．２机组摆幅和机械振动偏大及摩擦等造成的过热 １发电机组碳刷及集电环常见故障的 （１）机组大轴摆幅和机械振动偏大会导致碳刷架 原因及解决方法 固定螺丝的松动以及碳刷在刷盒内做不规则的跳动， 极易与集电环间产生火花，从而使过热加剧以至烧损 可可托海电站发电机组碳刷及集电环在运行中常 集电环和碳刷、碳刷架。加上固定螺丝松动，进一步会 见的故障为发热、产生火花、集电环磨损、烧损碳刷、碳 导致由于碳刷架严重烧损而使集电环发生短路故障的 刷架及集电环。从产生过热故障的原因分析，主要有以 严重后果。 下几个方面： （２）由于机械及摩擦等导致的过热，如果在开机 １．１接触电阻过大或分布不均匀而产生的发热 时还未加励磁，就发现集电环与碳刷温度高，或者在运 集电环和碳刷是通过相互滑动接触导通励磁电流 行中温度过高，拔出几只碳刷后，温度降低，就可以判 的，根据容量及型号的不同，每个集电环上大约分布着 定是由于机械及摩擦原因导致的。机械及摩擦导致发 十几只碳刷，由于接触电阻的不同，电流分配的差异， 热的情况主要有以下几个方面： 导致的发热不均匀的原因有以下几方面： ①碳刷接触面研磨不良或运行中一次更换过多 （１）碳刷与滑环表面接触电阻、碳刷与刷辫接触 的碳刷。运行中更换碳刷的数量不超过每极集电环上 电阻、刷辫与刷架引线接触电阻过大。检查碳刷架及刷 碳刷总数的１／３。换上的新碳刷应事先在与集电环弧 辫的螺丝是否紧固。检查碳刷和集电环接触面的清洁 度相同的模型上研磨好，并注意清除干净该碳刷表面 程度，是否存在油污等。 上的石英砂等其它杂质，以免其附着在碳刷表面在运 ７８ 章 明：可可托海电站发电机机组集电环磨损成因分析及处理 第５期 行时机械磨损集电环和碳刷，更换的新旧碳刷的型号 １．４．４电刷的电流密度 必须一致。如在机组Ａ级检修时一次更换的碳刷量较 膜留够充足的时间。 接触面积过低时，电刷的电流密度将超过额定的 １．４．５碳刷压力减少 多，应当在投运前冲转时，为碳刷表面形成良好的氧化 电流密度。 ②碳刷与集电环接触面过小，接触面积一般不应 小于单个碳刷截面的７５％。 由于机组长期运行中，恒压弹簧会老化变形，当弹 簧压力小到一定程度时，碳刷与滑环接触不稳定，接触 ③碳刷在刷盒中跳动动作卡涩。碳刷在刷盒内应 压降增大，接触压降发热明显增加。 能上下自由移动，其间隙应符合产品的规定，无规定 １．４．６滑环氧化膜的形成 时，其间隙可为０．１０～０．２０ ｍｍ。电刷外形要方正，上下 端尺寸误差不得＞０．０５ ｍｍ。 励磁电流是经过滑环与电刷的接触面进入转子绕 组的，在这个面上很容易形成一种氧化膜，这层氧化膜 ④刷握与集电环表面间隙过大。由于碳刷材质较 如果不均匀，滑环氧化膜加厚的，则接触电阻增大，接 脆，当刷握与集电环表面间隙过大时，运行中碳刷不能 触压降亦增大，如果超过电刷接触压降的极限值，滑动 整体接触集电环，与集电环呈斜面接触，容易造成碳刷 接触点的电损耗将过大，并引起发热。 ４．７电流平衡的破坏 崩裂。刷握与集电环表面的间隙应符合产品技术要求， １．无规定时，其间隙可调整为２～３ ｍｍ。调整间隙时，可使 到纸垫上，然后上紧定位螺丝，再取出纸垫。 １－３引起碳刷发热的因素 在正常情况，８块碳刷工况相近，每块碳刷的电流 平衡，运行一段时间后，会出现氧化膜，气膜，卡涩等现 象，碳刷接触面的接触紧力减小，碳刷间电流二次再分 弱平衡），这个阶段时间长，逐渐变化，不容易引起警 觉，当环境温度升高或励磁电流增大时，随时可造成弱 平衡的破坏。 １．５防范措施 用一层２～３ ｍｍ厚的纸垫粘在集电环表面，将刷握抵 接近相等，刷体的平均温度较低，碳刷间电流相对稳定 碳刷的发热由３部分组成：碳刷自身电阻发热， 配。每块碳刷的电流差别增大，处于不稳定平衡（或作 碳刷接触压降发热，摩擦发热。 碳刷自身发热功率：Ｗ＝Ｉ２Ｒ 碳刷接触压降发热功率：Ｗ，＝Ｉ Ａ Ｅ 摩擦发热功率Ｗ。＝ＦＶ 其中：Ｉ一流过碳刷的电流；Ｒ一碳刷电阻；ＡＥ一接 速度。 １．４碳刷发热的原因 １．４．１碳刷接触面形成气膜 （１）定期测量每个碳刷电流和温度，碳刷电流尽可 电流控制在９０ Ａ以内，并及时消除电流不平衡、气膜、 氧化膜、卡阻、过短等因素，保证碳刷在强平衡状态工 作。 触压降；Ｆ一碳刷压紧力；Ｖ一碳刷与滑环的相对运动 能地调至平衡，温度控制在８０℃以下，不能＞１２０℃， 由于各块电刷在滑环上滑动的条件各不相同，这 （２）出现碳刷火花急剧增大时，可以减小励磁电 样电刷抬起的程度不一致，很容易在碳刷接触而产生 流，必要时降低有功，调整碳刷电流平衡后再更换烧断 气膜和跳动，从而造成各块电刷接触电阻的差异，引起 的碳刷。并联电刷之间的电流分布不均匀，破坏了滑动接触的 稳定性。 １．４．２接触电阻增大 （３）规定碳刷磨损至定位销之前时必须更换，出现 个别碳刷调整不了时，也必须更换，更换时注意接触面 应＞７０％。 。 在长期高温运行及低速旋转电机的振动可能造成 增大，温度升高。 １．４．３碳刷在刷握中卡涩 ｆ４）定期进行滑环和电刷的清洁工作，包括消除刷 个别碳刷的引线松脱或紧固螺丝松动，使得接触电阻 架、刷握、滑动等处的积灰和油垢。 ｆ５）机组大小修时，测量恒压弹簧的压力，不合格 的更换。 与刷握的接触面很难达到平整光滑的要求，在运行中 ２氧化膜无法形成及形成不良的原因 就会出现卡涩现象，致使其他碳刷分配的电流增大，电 分析及建议 阻发热增大。 可可托海电站发电机碳刷及集电环近年来发生的 在更换碳刷时，要对碳刷进行人工打磨，因而碳刷 ２０１１正 有色金属 ７９ 一些磨损故障，主要原因是由于碳刷和集电环表面的 粉尘、铁屑、铁锈粉尘、碳粉等其他杂质。 氧化膜润滑层无法形成，氧化膜的形成条件不满足。而 ２．４空气湿度太低或含氧量太低 导致氧化膜的形成条件不满足的因素主要有以下几个 氧化膜的形成需要空气中有一定的水分含量，即 原因： 空气湿度不能太低，但也不能太高。另外，氧化膜的形 ２．１材质不合适 成主要与空气中的氧气发生氧化作用而产生，当含氧 目前可可托海水电厂采用的Ｄ１０２型碳刷是金属 量过低时也不利于氧化膜的形成。 碳刷，它与集电环摩擦产生的是金属石墨膜。而金属石 ２．５负极相对磨损较快 墨膜的润滑效果和导电性比较差，有时也形成不了氧 由原电池原理分析，集电环的负极在电流作用下 化膜。建议更换成天然石墨的碳刷。天然石墨产品具有 析出＋离子，因此负极相对磨损较快，需定期进行极 良好的使用寿命和换向性能，能够保证在一个修程内 性转换，使正负极均匀磨损。 不更换电刷，大大减少电机的维修工作量和维修成本， 氧化膜无法形成或形成不良除了上述因素有关 降低电机故障率。 外，还跟碳刷过度研磨、使用溶剂进行擦拭、集电环表 ２．２温度过高 面光洁度不良以及碳刷材质不合格等多种因素有关。 碳刷和集电环的氧化膜一般在７０℃左右容易形 成，当集电环、碳刷出现过热故障时温度一般在１５０℃ ３结束语 以上，此时换上新的碳刷，氧化膜也不易形成，无法起 针对可可托海电站发电机组的碳刷及集电环的一 到润滑的作用，碳刷和集电环磨损将加剧，导致温度继 些缺陷，建议对国产碳刷的进口化改造和励磁系统改 续升高，成为恶性循环。此时可采取外部强迫降温的方 造，对集电环进行车削工艺加工和在水轮机组检修中 法，如涂抹凡士林、风扇通风等手段，使集电环温度降 对机械、电气设备的改造和完善，运行和检修过程中严 到正常范围内，持续一段时间，让碳刷和集电环表面的 格执行《水轮发电机运行规程》对集电环、碳刷进行检 氧化膜慢慢逐渐形成。 查和维护，估计采取上述措施以后，将使其故障的发生 ２－３冷却空气中有污染性杂质 率有着显著降低。 －空气中的杂质对碳刷及集电环表面氧化膜的形成 收稿：２０１１－０３－２９ 有不利的影响，这些杂质包括：空气中的油气混合物、 Ｉ◆…｝◆川｝◆川｛◆…Ｉ◆ｌＩＩｌ◆…Ｉ４）－…◆ＩＩＩｌ◆ｌＩＩｌ◆…ｌ◆【ＩＩｊ◆ｌＩＩｌ◆…Ｉ◆…｝◆ＩＩＩｌ◆ｌＩＩｌ◆…Ｉ◆ｌＩＩｌ◆…ｌ◆…◆ＩＩＩｌ◆…ｌ◆…ｌ◆ＩＩＩＩ◆…Ｉ◆『ＩＩｊ◆…Ｉ◆…Ｉ◆…◆…ｌ◆…ｌ◆…ｌ◆…ｌ４）－川Ｉ◆…ｌ◆川ｌ◆…ｌ◆…Ｉ◆ｌｌ¨◆…◆…ｌ◆…Ｉ◆…ｌ◆…ｌ◆川ｌ◆ 有色金属行业“十二五＂发展规划——发展条件 资源丰富，已发现矿产１３８种，探明并列入矿产资源储量表的有７９个矿种，被列为国内有色金属资源 的接替区，探明资源总储量６７９．８万ｔ，远景储量１６５１５万．ｔ，预计老矿周围及深部、待探的空白区还有较大的资 源增量。周边国家哈萨克斯坦、塔吉克斯坦、乌兹别克斯坦、蒙古等矿产资源丰富、品种齐全，仅哈萨克斯坦探明 的铅、锌储量就达２ ４００万ｔ，开发利用境外资源有地域优势。 有色金属工业属高能耗产业，能源是必不可少的条件。煤炭、石油储量大，煤炭保有储量１７２６．６亿ｔ， 预测量２．１万亿ｔ；石油资源量２７．６９亿ｔ，预测量２０９亿ｔ。能源丰富，电力充足，有利降低产品能源成本，更适合 煤一电一有色金属冶金企业的发展。 正在形成一批规范、完善、配套的有色金属工业园区，为“分散采矿、分片选矿、集中冶炼”搭建了平台， 有利于环境治理、综合回收以及发展循环经济。 ６０多年来，随着有色工业的发展，锻炼和培养了一批探、采、选、冶、建设施工、科研、设计技术队伍，是 实现有色金属产业结构调整、技术创新的人才和技术保证。 现在，对采取差别化对待的产业，国内１９个省市对口支援，为有色金属工业跨越式 发展带来了难得的历史机遇。 摘自：有色集团网
