張發(fā)榮

摘? 要：文章分析了高轉速水輪發(fā)電機集電環(huán)磨損、碳刷過熱打火主要原因及改進措施。希望通過文章的分析，能夠對相關工作提供參考。

關鍵詞：水輪發(fā)電機;高轉速;碳刷;集電環(huán);卡簧

Abstract： This paper analyzes the main reasons for the wear of collector ring and overheated carbon brush of high-speed hydrogenerator， and puts forward improvement measures， in the hope that the analysis in this paper can provide reference for related work.

引言

水輪發(fā)電機勵磁電流通過固定在勵磁刷架上的碳刷與集電環(huán)接觸供至發(fā)電機轉子繞組，為發(fā)電機轉子繞組提供勵磁所用磁場，碳刷作為勵磁電流傳輸?shù)幕瑒咏佑|體，機械強度足夠的前提下，它的導電、散熱及潤滑性能應良好。高轉速水輪發(fā)電機的轉速一般在500-1000轉/分鐘，在非常高的轉速下，集電環(huán)與碳刷的摩擦接觸面會相應產生高溫，從而帶來集電環(huán)表面灼傷，集電環(huán)與碳刷接觸面打火等問題，縮短集電環(huán)和碳刷的使用壽命，機組大負荷運行時打火現(xiàn)象尤為嚴重，影響機組安全穩(wěn)定運行。碳刷的材質和數(shù)量選取不當、接觸面無法形成氧化膜、各碳刷壓力不均或卡簧壓力不符合要求、集電環(huán)表面粗糙等，均會造成碳刷與集電環(huán)接觸面過熱、打火。打火現(xiàn)象若不及時消除，可能會造成故障擴大，嚴重時甚至導致集電環(huán)正負極短路環(huán)火，損壞發(fā)電機轉子及勵磁系統(tǒng)各部件。所以高轉速水輪發(fā)電機安全穩(wěn)定運行的前提下，碳刷的選型就顯得尤為重要。碳刷使用性能良好標志應該為：碳刷的使用壽命長，并不磨損集電環(huán)，碳刷運行時：不過熱，噪音小，裝配可靠，不破損。

1 電站簡介

雜木寺水電站位于甘肅省武威市涼州區(qū)境內的雜木河干流上，該水電站安裝2臺單機容量為9MW（以下稱大機）和1臺5MW（以下稱小機）的立軸混流式水輪發(fā)電機組，電站水頭范圍193-224.5m，額定水頭196m。以該電站3#水輪發(fā)電機組為例，額定轉速1000r/min，轉速1000r/min在國內水電行業(yè)同類型水輪發(fā)電機組中也屬罕見。該機組定子額定電壓10.5kV，額定電流343.7A，額定勵磁電壓81V，勵磁電流561A，空載勵磁電壓26V，空載勵磁電流263A。小機其碳刷共24塊（尺寸為：25×32×60mm）， 正負極集電環(huán)各12塊;大機其碳刷共20塊（尺寸為：25×32×60mm）， 正負極集電環(huán)各10塊。

2 存在的問題

該水輪發(fā)電機組（小機5MW）于2012年5月投產發(fā)電，在后期機組投入商業(yè)化運行過程中，碳刷均出現(xiàn)不同程度打火現(xiàn)象，在年度檢修過程中發(fā)現(xiàn)集電環(huán)正負極均出現(xiàn)條痕、槽紋，凹凸程度比較嚴重，給機組安全穩(wěn)定運行帶來嚴重威脅。

3 集電環(huán)磨損及碳刷打火原因分析

3.1 碳刷材料

機組原有配套的碳刷型號為J201，該碳刷為V型單卡簧碳刷，屬于金屬（銅）石墨材質制成，硬度強、電阻率大、材料比重高、開口氣孔率低。在該電站三臺水輪發(fā)電機組中運行，由于摩擦力較大，碳刷和集電環(huán)接觸面溫度較高，由于電化的作用，金屬石墨碳刷雜質不能充分揮發(fā)，容易產生金剛砂劃傷集電環(huán)，所以該型號碳刷在高轉速水輪發(fā)電機組上應用不是特別理想。

3.2 集電環(huán)材質

主機廠家原配的集電環(huán)材質為20#鋼，屬于碳素結構鋼，強度低，未熱處理態(tài)，韌性、塑性和焊接性好，缺點不耐磨，在長期運行過程中容易出現(xiàn)條痕、槽紋等現(xiàn)象。

3.3 卡簧形式

原碳刷卡簧形式為V型卡簧，存在碳刷與集電環(huán)表面接觸壓力不均勻、受力方向不平衡。

所以綜上三方面，該機組集電環(huán)材質20#鋼材，載流的J201型碳刷在1000r/min的高轉速下，與集電環(huán)長期摩擦會導致集電環(huán)磨損嚴重并且使用V型卡簧碳刷與集電環(huán)的接觸面較少增加了集電環(huán)表面運行時的溫度，在碳刷表面無法形成適度均勻穩(wěn)定的氧化膜，碳刷壽命減短，容易造成卡簧疲勞斷裂、集電環(huán)及碳刷溫升過高、集電環(huán)表面電腐蝕等一系列不良后果，長期以往必然對發(fā)電機安全運行形成嚴重安全威脅。

4 改進方法

（1）經過各方面查閱資料與主機廠家探討，對比篩選各種碳刷性能，最終確定選用進口碳刷摩根NCC634。NCC634碳刷采用低彈性模量材料，比重輕、硬度低、各種物理性能和參數(shù)波動較小、勵磁電流均勻分布，在發(fā)電機高速運轉下能更好保持與集電環(huán)的接觸面，從而降低了接觸面溫度， 更好的建立氧化膜， 提高接觸面的潤滑性能。改進了碳刷與集電環(huán)的接觸特性，降低接觸面摩擦系數(shù)，減少了碳刷和集電環(huán)的磨損。建立良好的氧化膜增加了碳刷與集電環(huán)間的接觸電壓降，保證了集電環(huán)和碳刷的低磨損。在更換過程中使碳刷與刷握四壁保持0.1～0.2mm間隙，保證碳刷在刷握中伸縮順暢，無卡澀現(xiàn)象。每個刷握與集電環(huán)外圓面保持5～7mm距離， 使每只電刷的作用力在同一軸線。其有關性能參數(shù)對照如下表：

（2）由于V型單卡簧缺點為碳刷與集電環(huán)接觸面壓力施加不一致，壓力不平衡，造成碳刷在刷握內彈跳現(xiàn)象，2012年度檢修期間將V型卡簧更換為U型恒壓雙卡簧形式。在后期運行過程中觀察發(fā)現(xiàn)碳刷打火現(xiàn)象基本消失，總結缺點為運行過程中由于該發(fā)電機轉速高，產生碳粉量較多，發(fā)電運行期間需定期進行碳粉清掃并且存在個別卡簧疲勞斷裂的現(xiàn)象。

（3）在2013年的運行過程中，原集電環(huán)還存在一定程度的磨損現(xiàn)象，公司技術人員和主機廠家共同商定后，將20#鋼集電環(huán)更換為不銹鋼材質的集電環(huán)，提高了集電環(huán)硬度，集電環(huán)表面耐磨性大大增強。在保證碳刷滿足勵磁電壓和電流的前提條件下，大大降低了集電環(huán)磨損程度，減少了集電環(huán)條痕、槽紋等不良現(xiàn)象。

（4）結合更換碳刷后運行中產生碳粉較多的情況，在碳刷允許壓力值范圍內適度降低恒壓卡簧壓力，2015年年度檢修過程中將雜木寺電站3#發(fā)電機組原配7kg壓力卡簧更換為4kg壓力值的卡簧，在保證卡簧滿足碳刷所需壓力的條件后，每兩年為一個周期調換勵磁電流正負極，使集電環(huán)正負極表面磨損均勻，更加延長集電環(huán)使用壽命。

5 改造后的意義及效果

（1）使用U型恒壓雙卡簧替代原有的V型單卡簧，可以有效提高碳刷與集電環(huán)的接觸面，減少碳刷在刷握內卡澀、受力不均勻的問題，可以有效提高發(fā)電機勵磁性能的可靠性。壓力值4kg卡簧較7kg壓力值較低，保證碳刷所需壓力的前提下降低了集電環(huán)表面磨損，延長碳刷和集電環(huán)使用壽命。

（2）將原型號為J201碳刷更換型號為NCC634碳刷，同時在滿足導電率的前提下提高集電環(huán)材質的機械強度，降低了高轉速發(fā)電機運行期間碳刷對集電環(huán)表面的磨損程度，從根本上解決了高轉速水輪發(fā)電機集電環(huán)磨損較快的問題，進而延長了集電環(huán)的使用壽命。

6 結束語

經過多年的探索實踐，高轉速水輪發(fā)電機碳刷過熱打火及集電環(huán)磨損的主要原因有電腐蝕、集電環(huán)材質易磨損、碳刷材質過硬、無法形成氧化膜等。要消除碳刷過熱打火、集電環(huán)磨損嚴重等現(xiàn)象，就要選擇相應材質的集電環(huán);定期對勵磁電流的極性進行調換;選擇合適的碳刷材質，根據額定勵磁電流的大小必要時改變碳刷的數(shù)量，給氧化膜形成和正常工作創(chuàng)造條件;運行中加強監(jiān)視，及時清理集電環(huán)和刷架附著的碳粉;用紅外測溫裝置定期測量集電環(huán)和各碳刷的溫度，分析同溫度同工況下的運行狀態(tài);檢修期間根據每個碳刷的磨損狀況適當調整刷握與集電環(huán)距離，及時更換碳刷和盡可能使用恒壓彈簧。選擇合適的碳刷型號是十分重要的，各類碳刷由于制造時所選用原材料和工藝不同而造成技術性能的差異。因此在選擇碳刷型式及材質時，應該綜合考慮碳刷的性能和發(fā)電機對碳刷的要求。對集電環(huán)磨損和碳刷過熱、打火應給予足夠的重視，及時處理，阻止故障的發(fā)展。

參考文獻：

[1]王亮.水輪發(fā)電機集電環(huán)、碳刷缺陷分析和處理措施[J].機電信息，2016，18：120-121.

[2]陳曉文，周國有，吳傳清.高轉速水輪發(fā)電機集電環(huán)的改造[J].浙江水利科技，2009，6：74-75.

[3]劉文海，袁文龍，何濱，等.甘肅電投大容雜木寺水電站運行規(guī)程[S].2010-09-01.