發電機集電環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有限責任公司，廣西 桂平 537226）

1 概述

集電環是發電機勵磁電流由靜止部件輸入轉動部件的接口裝置，其結構較為復雜，歷年來都是大型水輪發電機組電氣維護的重點和難點，其發生缺陷的次數和頻率遠高于其他設備[1]。

集電環機械磨損、電化腐蝕、碳刷冒火花、溫度升高是運行中常見的現象，由此引發的碳刷及刷握燒毀，集電環損傷、機組定轉子絕緣下降乃至發電機被迫停運的事件屢見不鮮[2]。

本文基于某電廠發電機集電環過熱打火的實際案例，對負極集電環損蝕現象進行原因分析，指出其主要由機械磨損、電氣腐蝕所致。并對此采取有效處理措施，為機組運行維護提供參考依據。

2 設備結構介紹

某電廠機組勵磁方式為可控硅全控整流橋自并勵靜止勵磁，機組空載勵磁電壓為157 V，空載勵磁電流為1 098 A。額定勵磁電壓為428 V，額定勵磁電流為2 107 A。集電環安裝在發電機頂軸上端，由集電環支架和正負極集電環組成。為防止碳刷的粉塵從正負極集電環之間飛入，污染發電機或造成正負極短路，正負極集電環之間設置防塵罩用于遮擋灰塵。刷架布置在集電環外側，通過刷架支撐固定在上機架中心體上部。

正負極集電環各設置31 個碳刷，共 62 個，碳刷使用可帶電拆卸的刷握，方便機組運行時對碳刷進行檢修和維護。碳刷以一定的壓力頂緊在集電環外圓上，保證接觸緊密，不發生打火現象。碳刷型號為E468，尺寸為34 mm×38 mm×60 mm。

勵磁電流流向：勵磁引線正極→碳刷刷架正極→碳刷→集電環正極→轉子正負極繞組→集電環負極→碳刷→碳刷刷架負極→勵磁引線負極。

圖1 刷架裝配圖

3 缺陷描述

某日，運行人員巡檢時發現7 號機組負極集電環有打火現象，檢查碳粉除塵裝置運行正常；檢查發電機保護裝置未發生動作，未發現轉子一點接地報警；檢查上機架振擺曲線無明顯增大趨勢。用紅外熱成像儀測量7 號機組碳刷、集電環溫度為100±4℃左右，測量6 號、8 號機組碳刷、集電環溫度為80℃左右。停機檢查發現7 號機組負極集電環上存在一定程度的粉塵及油霧，對碳刷進行拔插測試，未發現有卡澀的現象。檢查發現個別負極碳刷粉化明顯，負極集電環局部嚴重損蝕，正極碳刷及集電環基本完好。

圖2 負極集電環局部損蝕圖

4 原因分析

集電環與碳刷為動靜接觸，二者又相互影響。碳刷打火、集電環損蝕原因推測由機械磨損、電氣腐蝕等造成。

4.1 機械磨損

集電環與碳刷接觸，二者相對運動摩擦形成磨損消耗。若碳刷中含有硬質顆粒，就會對集電環表面進行擦刮，造成集電環表面不光滑，反過來對碳刷表面加大磨損；若碳刷質量較好，碳粉易附著在集電環表面形成良好的潤滑效果，使集電環、碳刷表面亮滑，二者機械磨損較小。

4.2 電氣腐蝕

（1）電火花腐蝕

當碳刷和集電環環面不能充分接觸，或者存在跳動時，二者之間會產生火花，高溫火花會在接觸點造成集電環環面的灼傷。機組在運行過程中，碳刷和集電環環面之間的壓力會隨機組擺度的變化增大或減小。當壓力減小時，二者之間的接觸電阻會有所增大，當遇到集電環環面有粗糙不平的情況時，會引起尖端放電，從而產生火花，火花灼傷集電環環面，灼傷點周圍會出現凸點，這種凸點會再次導致集電環和碳刷接觸面之間的尖端放電，從而再次引起火花，再次灼傷環面，如此往復導致環面損蝕的惡性循環[1]。

（2）電化學腐蝕

在電弧作用下，正極(陽極)表面局部灼熱而蒸發出“金屬蒸汽”使陽極表面損蝕，被稱之為“陽極蒸發”；負極(陰極) 受正離子撞擊和高溫作用發射電子，使陰極表面也遭受破壞，被稱之為“陰極粉化”。當電流由碳刷流向集電環時，碳刷作為正極其表面在高溫作用下發生微小程度的“陽極蒸發”，碳粒石墨離子遷移到集電環表面，使其形成亮滑的鏡面，機械磨損較??；當電流由集電環流向碳刷時，集電環作為正極，其表面因“陽極蒸發”而電蝕嚴重，金屬粒子粘附在碳刷接觸面上，集電環極面嚴重磨損而出現條痕，機械磨損進一步增大，故正負極集電環表面的磨損情況表現出因電流方向不同出現極性差別[2]。

4.3 其它因素

（1）油霧因素

運行過程中，因機組旋轉導致上導油槽油霧甩出，油霧與碳粉形成混和物，聚集在刷握內及集電環表面，將影響碳刷的自由竄動和集電環表面光滑，加大了碳刷的消耗，同時也影響其散熱，形成惡性循環。

（2）碳刷、集電環材質因素

碳刷質地較硬、含有雜質，集電環與碳刷材質不匹配等因素，均有可能導致接觸面無法有效地形成致密氧化膜；集電環加工精度不高，表面粗糙度達不到技術要求，致使碳刷與集電環的摩擦增大，逐漸導致集電環表面損蝕。

（3）散熱因素

機組運行過程中，由于碳粉的堆積造成風道堵塞，碳粉收集裝置無法正常工作，導致碳刷和集電環產生的熱量無法正常散出，高溫進一步加劇集電環損蝕。

（4）位置因素

軸流轉槳式機組集電環水平安裝，上環為集電環正極，下環為集電環負極，運行中正極碳刷磨損的粉塵和顆粒沉積到負極集電環；且受油器位于集電環上部，油霧容易聚集在負極集電環，進一步加大了負極集電環的機械磨損和電化學腐蝕程度。

（5）刷握因素

刷握的恒壓彈簧長時間運行，彈性疲勞老化，可能會造成每個碳刷的壓力不均勻。壓力過小，碳刷與集電環接觸面不穩定，易起弧，加大了電氣腐蝕；壓力過大，刷面的硬粒加重會使集電環表面的摩擦、機械磨損增加。

5 處理措施

通過現場檢查，確認負極集電環表面損蝕比較嚴重，無法滿足繼續運行條件。在做好機組相關安全措施后，將所有碳刷連同刷握做好標記后取下，并且將集電環與勵磁系統的勵磁引線拆卸，將刷架及防塵罩拆解下放，露出正負極集電環。

（1）將機組開至空轉態，在集電環的±X 對稱方向上，用角向拋光機（60 號拋光片，各用15 片）對負極集電環進行拋光處理，打磨掉集電環上的附著物及損傷面。

（2）將機組轉為停機態，檢查確認負極集電環表面凹點是否打磨平整，有無多磨、磨偏、磨斜情況。

（3）重新將機組轉為空轉態，逐步用320 號（各用2 片）、400 號（各用10 片）、600 號（各用10 片）、800 號（各用10 片）、1 000 號（各用10 片）、1 200 號（各用10 片）、1 500 號（各用10 片）、2 000 號（各用10 片）的拋光片進行打磨。磨完大號數目拋光片后不允許往回磨小數目的拋光片；兩人必須同時磨同一種數目片號的拋光片，所用力度必須接近，嚴禁一大一小造成橢圓。

（4）重新將機組轉為停機態，分成8 個間隔用2 000 號（各用1 片）、3 000 號（各用1 片）的砂紙手動進行拋光處理。檢查確認負極集電環表面是否已無高點及凹點，用刀口尺查看負極集電環表面是否無明顯透光現象，與正極集電環對比是否表面能清晰照出人影，反射鏡像清晰。

（5）負極集電環表面清理打磨完成后，用吸塵器將集電環室內碳粉及渣滓清理干凈。

（6）通過對國內外各型號碳刷的綜合比較，趨向于選擇額定電流密度比較大，能夠抑制火花，且質地較軟的碳刷[3]。同時向國內的知名發電機廠家進行咨詢，最終將碳刷型號選定為上海摩根NCC634。

（7）安裝碳刷前使用碳刷打磨工具或其他設備提前對碳刷的滑動面打磨，這樣可以使碳刷與集電環外圓實現良好的配合。新碳刷更換前打磨好弧度，確保與集電環接觸面積不小于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位置。碳刷在刷握內滑動應靈活，無卡阻現象；碳刷垂直于集電環表面安裝，刷握距集電環表面應為2～3 mm 間隙。

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

（10）用絕緣電阻測試儀1 000 V 檔位對轉子進行整體絕緣測試。

圖3 負極集電環打磨處理前圖

圖4 負極集電環打磨處理后圖

6 結論

7 號機組發電機集電環損蝕缺陷處理完成后，碳刷未再出現類似打火現象，集電環表面無損蝕情況。經過實踐摸索證明，此次處理措施得當，效果明顯，保證了機組的安全穩定運行，可為同類型機組的運行維護提供參考依據。