飛來峽水電站發(fā)電機(jī)機(jī)組集電環(huán)磨損探討
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論文導(dǎo)讀：飛來峽水電站安裝有4臺(tái)35MW貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)及其附屬部件由奧地利ELIN公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，從1998年8月至1999年9月4臺(tái)機(jī)組相繼投廠運(yùn)行至今，4臺(tái)機(jī)組集電環(huán)都出現(xiàn)了一些不同程度磨損和碳刷磨損較快等缺陷。碳刷在集電環(huán)上正常運(yùn)行時(shí)，在其和集電環(huán)接觸面上形成一層均勻的氧化膜，這是發(fā)電機(jī)集電環(huán)運(yùn)行良好的主要標(biāo)志。
關(guān)鍵詞：集電環(huán)，磨損原因，氧化膜
前言：
飛來峽水電站安裝有4臺(tái)35MW貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)及其附屬部件由奧地利ELIN公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)， 從1998年8月至1999年9月4臺(tái)機(jī)組相繼投廠運(yùn)行至今，4臺(tái)機(jī)組集電環(huán)都出現(xiàn)了一些不同程度磨損和碳刷磨損較快等缺陷。
碳刷在集電環(huán)上正常運(yùn)行時(shí)，在其和集電環(huán)接觸面上形成一層均勻的氧化膜，這是發(fā)電機(jī)集電環(huán)運(yùn)行良好的主要標(biāo)志。因?yàn)檫@層氧化膜的形成改變了碳刷與集電環(huán)的接觸特性、減少了摩擦、降低磨損、延長(zhǎng)了碳刷和集電環(huán)的使用壽命。氧化膜的正常厚度在8－100nm的范圍內(nèi)，一般為25nm。
氧化膜具有較好的潤滑性能，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，使碳刷與集電環(huán)之間降低了摩擦系數(shù)，減少了摩擦熱的產(chǎn)生和碳刷的磨損。集電環(huán)磨損的原因多數(shù)是由于碳刷的過熱而使氧化膜被破壞而產(chǎn)生的。
一、飛來峽水電站發(fā)電機(jī)組碳刷及集電環(huán)常見故障的原因及解決方法：
飛來峽水電站發(fā)電機(jī)組碳刷及集電環(huán)在運(yùn)行中常見的故障為發(fā)熱、產(chǎn)生火花、集電環(huán)磨損、燒損碳刷、碳刷架及集電環(huán)。從產(chǎn)生過熱故障的原因分析，主要有以下幾個(gè)方面：
1、由于通風(fēng)不良引起的發(fā)熱：通風(fēng)不良主要是由于冷卻風(fēng)道堵塞，集電環(huán)通風(fēng)孔堵塞、風(fēng)扇風(fēng)量下降等原因?qū)е�，尤其是�?dāng)運(yùn)行中集電環(huán)表面溫度過高時(shí)，導(dǎo)致電刷磨損加劇，碳粉積聚增加，堵塞冷卻風(fēng)道濾網(wǎng)從而影響集電環(huán)表面的散熱。因此在日常維護(hù)和常規(guī)檢修時(shí)，應(yīng)對(duì)集電環(huán)表面及冷卻風(fēng)道濾網(wǎng)進(jìn)行清理，保持其散熱通暢。
2、由于接觸電阻過大或分布不均勻而產(chǎn)生的發(fā)熱：集電環(huán)和碳刷是通過相互滑動(dòng)接觸導(dǎo)通勵(lì)磁電流的，根據(jù)容量及型號(hào)的不同，每個(gè)集電環(huán)上大約分布著十幾只碳刷，由于接觸電阻的不同，電流分配的差異，導(dǎo)致的發(fā)熱不均勻的原因有以下幾方面：
�。�1）碳刷與滑環(huán)表面接觸電阻、碳刷與刷辮接觸電阻、刷辮與刷架引線接觸電阻過大。檢查碳刷架及刷辮的螺絲是否緊固。檢查碳刷和集電環(huán)接觸面的清潔程度，是否存在油污等。
�。�2）碳刷壓力不均勻或不符合要求，可能是碳刷過短、彈簧由于過熱變軟老化失去彈性等原因。用彈簧秤檢查碳刷壓力。恒壓彈簧應(yīng)完整無機(jī)械損傷，壓力應(yīng)符合其產(chǎn)品的規(guī)定，同一集電極上的彈簧壓力偏差不宜超過5％；同一個(gè)碳刷架上的每個(gè)碳刷的壓力應(yīng)均勻�？萍颊撐�。
�。�3）集電環(huán)與轉(zhuǎn)子引線接觸電阻過大，對(duì)集電環(huán)與轉(zhuǎn)子引線間的緊固螺絲進(jìn)行加固。
（4）碳刷材質(zhì)不良、導(dǎo)電性能差、使用的型號(hào)不符合要求或者使用了不同型號(hào)的碳刷。同一發(fā)電機(jī)上應(yīng)使用同一型號(hào)、同一制造廠的碳刷，對(duì)于外觀檢查有明顯差異的碳刷應(yīng)更換。
3、由于機(jī)組擺幅和機(jī)械振動(dòng)偏大及摩擦等原因造成的過熱：
�。�1）機(jī)組大軸擺幅和機(jī)械振動(dòng)偏大：會(huì)導(dǎo)致碳刷架固定螺絲的松動(dòng)以及碳刷在刷盒內(nèi)做不規(guī)則的跳動(dòng)，極易與集電環(huán)間產(chǎn)生火花，從而使過熱加劇以至燒損集電環(huán)和碳刷、碳刷架。加上固定螺絲松動(dòng)，進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致由于碳刷架嚴(yán)重?zé)龘p而使集電環(huán)發(fā)生短路故障的嚴(yán)重后果。科技論文。
�。�2）由于機(jī)械及摩擦等導(dǎo)致的過熱，如果在開機(jī)時(shí)還未加勵(lì)磁，就發(fā)現(xiàn)集電環(huán)與碳刷溫度高，或者在運(yùn)行中溫度過高，拔出幾只碳刷后，溫度降低，就可以判定是由于機(jī)械及摩擦原因?qū)е碌�。機(jī)械及摩擦導(dǎo)致發(fā)熱的情況主要有以下幾個(gè)方面：
a、碳刷接觸面研磨不良或運(yùn)行中一次更換過多的碳刷。運(yùn)行中更換碳刷的數(shù)量不超過每極集電環(huán)上碳刷總數(shù)的1/3。換上的新碳刷應(yīng)事先在與集電環(huán)弧度相同的模型上研磨好，并注意清除干凈該碳刷表面上的石英砂等其它雜質(zhì)，以免其附著在碳刷表面在運(yùn)行時(shí)機(jī)械磨損集電環(huán)和碳刷，更換的新舊碳刷的型號(hào)必須一致。如在機(jī)組A級(jí)檢修時(shí)一次更換的碳刷量較多，應(yīng)當(dāng)在投運(yùn)前沖轉(zhuǎn)時(shí)，為碳刷表面形成良好的氧化膜留夠充足的時(shí)間�？萍颊撐摹�
b、碳刷與集電環(huán)接觸面過小，接觸面積一般不應(yīng)小于單個(gè)碳刷截面的75％。
C、碳刷在刷盒中跳動(dòng)動(dòng)作卡澀。碳刷在刷盒內(nèi)應(yīng)能上下自由移動(dòng)，其間隙應(yīng)符合產(chǎn)品的規(guī)定，無規(guī)定時(shí)，其間隙可為0.10－0.20mm。電刷外形要方正，上下端尺寸誤差不得大于0.05mm。
d、刷握與集電環(huán)表面間隙過大。由于碳刷材質(zhì)較脆，當(dāng)刷握與集電環(huán)表面間隙過大時(shí)，運(yùn)行中碳刷不能整體接觸集電環(huán)，與集電環(huán)呈斜面接觸，容易造成碳刷崩裂。刷握與集電環(huán)表面的間隙應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)要求，無規(guī)定時(shí)，其間隙可調(diào)整為2－3mm。調(diào)整間隙時(shí)，可使用一層2－3mm厚的紙墊粘在集電環(huán)表面，將刷握抵到紙墊上，然后上緊固定位螺絲，再取出紙墊。
二、氧化膜無法形成及形成不良的原因分析及建議：
飛來峽水電站發(fā)電機(jī)碳刷及集電環(huán)近年來發(fā)生的一些磨損故障，主要原因是由于碳刷和集電環(huán)表面的氧化膜潤滑層無法形成，氧化膜的形成條件不滿足。而導(dǎo)致氧化膜的形成條件不滿足的因素主要有以下幾個(gè)原因：
（1）溫度過高：碳刷和集電環(huán)的氧化膜一般在70℃左右容易形成，當(dāng)集電環(huán)、碳刷出現(xiàn)過熱故障時(shí)溫度一般在150℃以上，此時(shí)換上新的碳刷，氧化膜也不易形成，無法起到潤滑的作用，碳刷和集電環(huán)磨損將加劇，導(dǎo)致溫度繼續(xù)升高，成為惡性循環(huán)。此時(shí)可采取外部強(qiáng)迫降溫的方法，如涂抹凡士林、風(fēng)扇通風(fēng)等手段，使集電環(huán)溫度降到正常范圍內(nèi)，持續(xù)一段時(shí)間，讓碳刷和集電環(huán)表面的氧化膜慢慢逐漸形成。
�。�2）冷卻空氣中有污染性雜質(zhì)：空氣中的雜質(zhì)對(duì)碳刷及集電環(huán)表面氧化膜的形成有不利的影響，這些雜質(zhì)包括：空氣中的油氣混合物、粉塵、鐵屑、鐵銹粉塵、碳粉等其他雜質(zhì)。
（3）空氣濕度太低或含氧量太低：氧化膜的形成需要空氣中有一定的水分含量，即空氣濕度不能太低，但也不能太高。另外，氧化膜的形成主要與空氣中的氧氣發(fā)生氧化作用而產(chǎn)生，當(dāng)含氧量過低時(shí)也不利于氧化膜的形成。
（4）由原電池原理分析，集電環(huán)的負(fù)極在電流作用下析出+離子，因此負(fù)極相對(duì)磨損較較快，需定期進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換。使正負(fù)極均勻磨損。
氧化膜無法形成或形成不良除了上述因素有關(guān)外，還跟碳刷過度研磨、使用溶劑進(jìn)行擦拭、集電環(huán)表面光潔度不良以及碳刷材質(zhì)不合格等多種因素有關(guān)。
三、結(jié)束語
飛來峽水電站發(fā)電機(jī)組的碳刷及集電環(huán)的一些缺陷，在經(jīng)過對(duì)進(jìn)口碳刷的國產(chǎn)化改造和勵(lì)磁系統(tǒng)改造，對(duì)集電環(huán)進(jìn)行車削工藝加工和近年來在水輪機(jī)組A級(jí)檢修中對(duì)機(jī)械、電氣設(shè)備的改造和完善，運(yùn)行和檢修過程中嚴(yán)格執(zhí)行《水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程》對(duì)集電環(huán)、碳刷進(jìn)行檢查和維護(hù)，使其故障的發(fā)生率有著顯著降低。
參考文獻(xiàn)：
[1]．李啟明，《水電站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行與檢修技術(shù)問答》，中國電力出版社，1996，
ISBN 7-80125-147-4Ⅲ:498-499
[2]．安順合，《常用電氣設(shè)備故障診斷與排除問答》，機(jī)械工業(yè)出版社，2002.7,
