晴朗水電站集電環負極磨損分析及處理

高代兵

摘要：晴朗水電站為單一的發電工程，晴朗水電站在非汛期進行日調節，在電力系統中主要承擔峰荷和部分腰荷。文章敘述了晴朗水電站水輪發電機組碳刷負極磨損原因及處理過程。

關鍵詞：負極碳刷；磨損處理；晴朗水電站

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）06-0141-02

1 工程概述

毛爾蓋河是黑水河左岸的一級支流，黑水河流域位于阿壩藏羌族自治州中部。毛爾蓋河干流的開發方案為“一庫三級”，自上而下依次為劍科水電站、晴朗水電站和西里水電站。晴朗水電站為低閘引水式電站，最大閘高20m，水庫總庫容20.45萬m3，具有日調節能力，電站裝機容量180MW，多年平均年發電量8.024億kW·h，水輪發電機型號SF-J60-12/4380額定轉速500r.p.m采用靜止可控硅自并勵，額定勵磁電壓197V，勵磁電流834A，發電機轉子正負極各有14只電刷和一個集電環，集電環安裝在發電機大軸上，直徑為Φ800mm。晴朗水電站為單一的發電工程。劍科水庫電站建成前（目前劍科水電站正在建設中），晴朗水電站在非汛期進行日調節，在電力系統中主要承擔峰荷和部分腰荷。

2 晴朗水電站運行以來集電環出現的問題

晴朗水電站1、2、3臺機組分別于2011年2月1日2011年3月3日2011年4月28日投產運行以來三臺機組集電環負極都存在不同程度的磨損。2011年6月#3發電機機組在停機檢查過程中發現機組滑環上環（負極極）有凹槽現象集電環的表面因炭刷摩擦會形成小溝，深度達0.5mm時，下環（正極）比較光滑，個別碳刷沒有正對大軸中心線，與滑環沒有完全接觸。2012年12月和2013年4月#1與#3水輪發電機組在停機檢查過程中集電環也出現類似3號機組情況負極磨損較嚴重。

晴朗水電站水輪發電機組投產運行以來因碳刷磨損較嚴重雖然未影響正常發電給電站造成損失，但是卻加重了運行人員對水輪發電機組運行維護工作，頻繁的檢查碳刷磨損情況用低壓氣吹掃停機備用時用酒精清洗。加之晴朗電站水輪發電機組設計原因不便于清掃在不吊出滑環罩時清洗集電環，截止晴朗電站投產以來共對#1機組集電環清洗11次，#2機組集電環清洗7次，#3機組集電環清洗15次，三臺機組存在以下共性：（1）負極集電環磨損嚴重出現條痕最大深度達0.3mm；（2）正極集電環磨損輕微；（3）運行狀態上、下集電環溫度

相近。

磨損前 處理后

3 晴朗水電站負極磨損較塊分析

造成集電環磨損過快可能以下幾種原因：

碳刷安裝質量不良，晴朗電站碳刷安裝確實存在一定的誤差，從晴朗電站三臺機組碳刷磨損情況來看，負極磨損嚴重，正極磨損輕微，負極直接磨損與安裝質量和同心度不存在明顯的正比關系，所以這里排出碳刷安裝質量不良的因素。

碳刷選型不合適碳刷和滑環間工作面的磨損有兩種：一是純機械磨損；二是在電流作用下的電氣磨損和機械磨損。（1）純機械磨損碳刷和滑環表面相接觸，由于彈簧壓力作用和材料彈性變形的緣故，使直接接觸部分互相嵌入。當相對滑動時，當然有摩擦作用而形成磨損。如果碳刷顆粒細軟，則碳粉易被沾在滑環表面，使滑環成為具有亮滑的石磨鏡面，碳刷的磨面也很光滑，兩者的機械磨損都較小。但如果碳刷質量不佳，顆粒粗硬，或甚至含有少數如金剛砂之類的硬質顆粒，則必然會對滑環表面進行刮割，使后者出現金屬光澤或紋路，碳刷本身磨面也會出現硬粒脫落后而劃出的紋道，這就使機械磨損大大增加。晴朗電站自投產運行以來經過多方咨詢已將三臺機組碳刷更換全部更換為摩根新材料有限公司生產的型號為D172規格為25*30*60，這里也可以排除碳刷選型和機械磨損。（2）在電流作用下的電氣磨損和機械磨損在電弧作用下，由于集電環電流過大在電流的作用下負極集電環表面大量的金屬蒸發使集電環表面磨損嚴重，同時，這些金屬離子也易附于碳刷磨損面上反過來會使集電環表面嚴重磨損，出現條痕，在這種情況下，集電環表面粗糙，呈金屬光亮，接觸面機械磨損大。因此這里晴朗電站集電環表面磨損嚴重的一個重要因素。

4 集電環負極磨損的處理辦法

（1）當銅環表面磨損和燒傷程度比較嚴重，深度超過1mm，面積占總面積的20%～30%，并且靠手工打磨已無法恢復原狀，不能保證電機正常運行時；（2）電機轉速在1000r/min及以上的集電環，其徑向偏擺超過0.05mm；（3）轉速在100r/min以下的集電環，徑向偏擺在0.08mm時。

晴朗電站對于電機集電環面輕微燒痕、麻點、刷痕等缺陷，可用油石、細銼打磨，最后用零零號砂布打光。在一般情況下，不應輕易車削集電環，因車削一次便會降低很多壽命。

5 結語

碳刷是水電站水輪發電機組運行過程中的薄弱環節，因為碳刷與集電環以滑動接觸傳遞勵磁電流，而且無法像對水輪發電機軸承一樣通過自動化元件進行監測。電刷是否能安全運行，直接關系到水輪發電機組安全運行。晴朗電站這種高水頭的水輪發電機組，應加強碳刷日常檢查和維護；為此建議機組在今后的運行中注意以下幾點：

（1）為使滑環電蝕均勻，運行一段時間后須調換滑環的正、負極性，每運行半年倒換1次。

（2）電刷及刷架產品在選購過程中應嚴格控制質量：目前同一品牌的電刷，都是在各個不同的地方、不同的工廠加工的。這就要求我們在進貨過程中對產品質量嚴格把關，對生產廠家的工藝和質量檢測手段及程序進行了解。

（3）及時檢查彈簧壓力和集電環與刷盒之間的

距離。

（4）合理安排無功負荷。

（5）生產運行中加強對集電環及電刷的維護管理：運行中及時檢查碳刷溫度，加強碳刷、集電環系統的專職維護制度，嚴格按照《水輪發電機運行規程》的要求對集電環、碳刷進行檢查和運行維護。另外要積極運用紅外熱成像技術進行集電環、碳刷日常的巡檢檢查以及對故障部位有懷疑時作為輔助分析的工具。endprint

摘要：晴朗水電站為單一的發電工程，晴朗水電站在非汛期進行日調節，在電力系統中主要承擔峰荷和部分腰荷。文章敘述了晴朗水電站水輪發電機組碳刷負極磨損原因及處理過程。

關鍵詞：負極碳刷；磨損處理；晴朗水電站

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）06-0141-02

1 工程概述

毛爾蓋河是黑水河左岸的一級支流，黑水河流域位于阿壩藏羌族自治州中部。毛爾蓋河干流的開發方案為“一庫三級”，自上而下依次為劍科水電站、晴朗水電站和西里水電站。晴朗水電站為低閘引水式電站，最大閘高20m，水庫總庫容20.45萬m3，具有日調節能力，電站裝機容量180MW，多年平均年發電量8.024億kW·h，水輪發電機型號SF-J60-12/4380額定轉速500r.p.m采用靜止可控硅自并勵，額定勵磁電壓197V，勵磁電流834A，發電機轉子正負極各有14只電刷和一個集電環，集電環安裝在發電機大軸上，直徑為Φ800mm。晴朗水電站為單一的發電工程。劍科水庫電站建成前（目前劍科水電站正在建設中），晴朗水電站在非汛期進行日調節，在電力系統中主要承擔峰荷和部分腰荷。

2 晴朗水電站運行以來集電環出現的問題

晴朗水電站1、2、3臺機組分別于2011年2月1日2011年3月3日2011年4月28日投產運行以來三臺機組集電環負極都存在不同程度的磨損。2011年6月#3發電機機組在停機檢查過程中發現機組滑環上環（負極極）有凹槽現象集電環的表面因炭刷摩擦會形成小溝，深度達0.5mm時，下環（正極）比較光滑，個別碳刷沒有正對大軸中心線，與滑環沒有完全接觸。2012年12月和2013年4月#1與#3水輪發電機組在停機檢查過程中集電環也出現類似3號機組情況負極磨損較嚴重。

晴朗水電站水輪發電機組投產運行以來因碳刷磨損較嚴重雖然未影響正常發電給電站造成損失，但是卻加重了運行人員對水輪發電機組運行維護工作，頻繁的檢查碳刷磨損情況用低壓氣吹掃停機備用時用酒精清洗。加之晴朗電站水輪發電機組設計原因不便于清掃在不吊出滑環罩時清洗集電環，截止晴朗電站投產以來共對#1機組集電環清洗11次，#2機組集電環清洗7次，#3機組集電環清洗15次，三臺機組存在以下共性：（1）負極集電環磨損嚴重出現條痕最大深度達0.3mm；（2）正極集電環磨損輕微；（3）運行狀態上、下集電環溫度

相近。

磨損前 處理后

3 晴朗水電站負極磨損較塊分析

造成集電環磨損過快可能以下幾種原因：

碳刷安裝質量不良，晴朗電站碳刷安裝確實存在一定的誤差，從晴朗電站三臺機組碳刷磨損情況來看，負極磨損嚴重，正極磨損輕微，負極直接磨損與安裝質量和同心度不存在明顯的正比關系，所以這里排出碳刷安裝質量不良的因素。

碳刷選型不合適碳刷和滑環間工作面的磨損有兩種：一是純機械磨損；二是在電流作用下的電氣磨損和機械磨損。（1）純機械磨損碳刷和滑環表面相接觸，由于彈簧壓力作用和材料彈性變形的緣故，使直接接觸部分互相嵌入。當相對滑動時，當然有摩擦作用而形成磨損。如果碳刷顆粒細軟，則碳粉易被沾在滑環表面，使滑環成為具有亮滑的石磨鏡面，碳刷的磨面也很光滑，兩者的機械磨損都較小。但如果碳刷質量不佳，顆粒粗硬，或甚至含有少數如金剛砂之類的硬質顆粒，則必然會對滑環表面進行刮割，使后者出現金屬光澤或紋路，碳刷本身磨面也會出現硬粒脫落后而劃出的紋道，這就使機械磨損大大增加。晴朗電站自投產運行以來經過多方咨詢已將三臺機組碳刷更換全部更換為摩根新材料有限公司生產的型號為D172規格為25*30*60，這里也可以排除碳刷選型和機械磨損。（2）在電流作用下的電氣磨損和機械磨損在電弧作用下，由于集電環電流過大在電流的作用下負極集電環表面大量的金屬蒸發使集電環表面磨損嚴重，同時，這些金屬離子也易附于碳刷磨損面上反過來會使集電環表面嚴重磨損，出現條痕，在這種情況下，集電環表面粗糙，呈金屬光亮，接觸面機械磨損大。因此這里晴朗電站集電環表面磨損嚴重的一個重要因素。

4 集電環負極磨損的處理辦法

（1）當銅環表面磨損和燒傷程度比較嚴重，深度超過1mm，面積占總面積的20%～30%，并且靠手工打磨已無法恢復原狀，不能保證電機正常運行時；（2）電機轉速在1000r/min及以上的集電環，其徑向偏擺超過0.05mm；（3）轉速在100r/min以下的集電環，徑向偏擺在0.08mm時。

晴朗電站對于電機集電環面輕微燒痕、麻點、刷痕等缺陷，可用油石、細銼打磨，最后用零零號砂布打光。在一般情況下，不應輕易車削集電環，因車削一次便會降低很多壽命。

5 結語

碳刷是水電站水輪發電機組運行過程中的薄弱環節，因為碳刷與集電環以滑動接觸傳遞勵磁電流，而且無法像對水輪發電機軸承一樣通過自動化元件進行監測。電刷是否能安全運行，直接關系到水輪發電機組安全運行。晴朗電站這種高水頭的水輪發電機組，應加強碳刷日常檢查和維護；為此建議機組在今后的運行中注意以下幾點：

（1）為使滑環電蝕均勻，運行一段時間后須調換滑環的正、負極性，每運行半年倒換1次。

（2）電刷及刷架產品在選購過程中應嚴格控制質量：目前同一品牌的電刷，都是在各個不同的地方、不同的工廠加工的。這就要求我們在進貨過程中對產品質量嚴格把關，對生產廠家的工藝和質量檢測手段及程序進行了解。

（3）及時檢查彈簧壓力和集電環與刷盒之間的

距離。

（4）合理安排無功負荷。

（5）生產運行中加強對集電環及電刷的維護管理：運行中及時檢查碳刷溫度，加強碳刷、集電環系統的專職維護制度，嚴格按照《水輪發電機運行規程》的要求對集電環、碳刷進行檢查和運行維護。另外要積極運用紅外熱成像技術進行集電環、碳刷日常的巡檢檢查以及對故障部位有懷疑時作為輔助分析的工具。endprint

摘要：晴朗水電站為單一的發電工程，晴朗水電站在非汛期進行日調節，在電力系統中主要承擔峰荷和部分腰荷。文章敘述了晴朗水電站水輪發電機組碳刷負極磨損原因及處理過程。

關鍵詞：負極碳刷；磨損處理；晴朗水電站

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）06-0141-02

1 工程概述

毛爾蓋河是黑水河左岸的一級支流，黑水河流域位于阿壩藏羌族自治州中部。毛爾蓋河干流的開發方案為“一庫三級”，自上而下依次為劍科水電站、晴朗水電站和西里水電站。晴朗水電站為低閘引水式電站，最大閘高20m，水庫總庫容20.45萬m3，具有日調節能力，電站裝機容量180MW，多年平均年發電量8.024億kW·h，水輪發電機型號SF-J60-12/4380額定轉速500r.p.m采用靜止可控硅自并勵，額定勵磁電壓197V，勵磁電流834A，發電機轉子正負極各有14只電刷和一個集電環，集電環安裝在發電機大軸上，直徑為Φ800mm。晴朗水電站為單一的發電工程。劍科水庫電站建成前（目前劍科水電站正在建設中），晴朗水電站在非汛期進行日調節，在電力系統中主要承擔峰荷和部分腰荷。

2 晴朗水電站運行以來集電環出現的問題

晴朗水電站1、2、3臺機組分別于2011年2月1日2011年3月3日2011年4月28日投產運行以來三臺機組集電環負極都存在不同程度的磨損。2011年6月#3發電機機組在停機檢查過程中發現機組滑環上環（負極極）有凹槽現象集電環的表面因炭刷摩擦會形成小溝，深度達0.5mm時，下環（正極）比較光滑，個別碳刷沒有正對大軸中心線，與滑環沒有完全接觸。2012年12月和2013年4月#1與#3水輪發電機組在停機檢查過程中集電環也出現類似3號機組情況負極磨損較嚴重。

晴朗水電站水輪發電機組投產運行以來因碳刷磨損較嚴重雖然未影響正常發電給電站造成損失，但是卻加重了運行人員對水輪發電機組運行維護工作，頻繁的檢查碳刷磨損情況用低壓氣吹掃停機備用時用酒精清洗。加之晴朗電站水輪發電機組設計原因不便于清掃在不吊出滑環罩時清洗集電環，截止晴朗電站投產以來共對#1機組集電環清洗11次，#2機組集電環清洗7次，#3機組集電環清洗15次，三臺機組存在以下共性：（1）負極集電環磨損嚴重出現條痕最大深度達0.3mm；（2）正極集電環磨損輕微；（3）運行狀態上、下集電環溫度

相近。

磨損前 處理后

3 晴朗水電站負極磨損較塊分析

造成集電環磨損過快可能以下幾種原因：

碳刷安裝質量不良，晴朗電站碳刷安裝確實存在一定的誤差，從晴朗電站三臺機組碳刷磨損情況來看，負極磨損嚴重，正極磨損輕微，負極直接磨損與安裝質量和同心度不存在明顯的正比關系，所以這里排出碳刷安裝質量不良的因素。

碳刷選型不合適碳刷和滑環間工作面的磨損有兩種：一是純機械磨損；二是在電流作用下的電氣磨損和機械磨損。（1）純機械磨損碳刷和滑環表面相接觸，由于彈簧壓力作用和材料彈性變形的緣故，使直接接觸部分互相嵌入。當相對滑動時，當然有摩擦作用而形成磨損。如果碳刷顆粒細軟，則碳粉易被沾在滑環表面，使滑環成為具有亮滑的石磨鏡面，碳刷的磨面也很光滑，兩者的機械磨損都較小。但如果碳刷質量不佳，顆粒粗硬，或甚至含有少數如金剛砂之類的硬質顆粒，則必然會對滑環表面進行刮割，使后者出現金屬光澤或紋路，碳刷本身磨面也會出現硬粒脫落后而劃出的紋道，這就使機械磨損大大增加。晴朗電站自投產運行以來經過多方咨詢已將三臺機組碳刷更換全部更換為摩根新材料有限公司生產的型號為D172規格為25*30*60，這里也可以排除碳刷選型和機械磨損。（2）在電流作用下的電氣磨損和機械磨損在電弧作用下，由于集電環電流過大在電流的作用下負極集電環表面大量的金屬蒸發使集電環表面磨損嚴重，同時，這些金屬離子也易附于碳刷磨損面上反過來會使集電環表面嚴重磨損，出現條痕，在這種情況下，集電環表面粗糙，呈金屬光亮，接觸面機械磨損大。因此這里晴朗電站集電環表面磨損嚴重的一個重要因素。

4 集電環負極磨損的處理辦法

（1）當銅環表面磨損和燒傷程度比較嚴重，深度超過1mm，面積占總面積的20%～30%，并且靠手工打磨已無法恢復原狀，不能保證電機正常運行時；（2）電機轉速在1000r/min及以上的集電環，其徑向偏擺超過0.05mm；（3）轉速在100r/min以下的集電環，徑向偏擺在0.08mm時。

晴朗電站對于電機集電環面輕微燒痕、麻點、刷痕等缺陷，可用油石、細銼打磨，最后用零零號砂布打光。在一般情況下，不應輕易車削集電環，因車削一次便會降低很多壽命。

5 結語

碳刷是水電站水輪發電機組運行過程中的薄弱環節，因為碳刷與集電環以滑動接觸傳遞勵磁電流，而且無法像對水輪發電機軸承一樣通過自動化元件進行監測。電刷是否能安全運行，直接關系到水輪發電機組安全運行。晴朗電站這種高水頭的水輪發電機組，應加強碳刷日常檢查和維護；為此建議機組在今后的運行中注意以下幾點：

（1）為使滑環電蝕均勻，運行一段時間后須調換滑環的正、負極性，每運行半年倒換1次。

（2）電刷及刷架產品在選購過程中應嚴格控制質量：目前同一品牌的電刷，都是在各個不同的地方、不同的工廠加工的。這就要求我們在進貨過程中對產品質量嚴格把關，對生產廠家的工藝和質量檢測手段及程序進行了解。

（3）及時檢查彈簧壓力和集電環與刷盒之間的

距離。

（4）合理安排無功負荷。

（5）生產運行中加強對集電環及電刷的維護管理：運行中及時檢查碳刷溫度，加強碳刷、集電環系統的專職維護制度，嚴格按照《水輪發電機運行規程》的要求對集電環、碳刷進行檢查和運行維護。另外要積極運用紅外熱成像技術進行集電環、碳刷日常的巡檢檢查以及對故障部位有懷疑時作為輔助分析的工具。endprint