分析發電機集電環發熱現象及處理措施
江蘇中動電力設備有限公司 / 2012-08-22
在集電環上運行時，在其接觸面上形成一層均勻、適度、穩定的氧化膜，這是電機運行良好的主要標志之一。因為這層氧化膜的存在，改變了電刷與集電環的接觸特性、減少了摩擦、降低磨損、延長使用壽命。氧化膜是一種復合薄膜，其組成成分與電刷型號及集電環的材料成分有關。氧化膜的正常厚度在8－100nm的范圍內，一般為25nm.用電子顯微鏡觀察發現，電刷與集電環接觸面是由無數個點相接觸，一般接觸面只有電刷總面積的千分之幾左右。接觸面積的大小，由電機的轉速、集電環材質的硬度、加工精度、偏擺度、電刷的材質、電刷上的壓力大小等因素來決定。
有研究發現，外加電壓小時，氧化膜絕緣，當電壓升高到一定值時，氧化膜被擊穿。當擊穿后，不管電流如何增加，由于導電點的增加、導電面積的擴大，則接觸電壓保持恒定。氧化膜具有非常好的潤滑性能，電刷與集電環接觸表面起潤滑作用的潤滑層主要是石墨膜，這層石墨膜，將電刷與集電環分開，使摩擦在石墨潤滑層間進行，降低了摩擦系數，減少了摩擦熱的產生，減少了電刷的磨損。電刷的過熱故障，很多情況是由于氧化膜被破壞且無法重新建立導致的。
一、電刷及集電環常見故障的原因及解決辦法
電刷在運行中最常見的故障為發熱、產生火花、嚴重的燒損電刷刷握及集電環。從產生過熱故障的原因看，主要有以下幾個方面：
1、由于通風不良導致的發熱：通風不良主要是因為冷卻風道堵塞，集電環表面通風溝、通風孔堵塞、循環風扇風量下降等原因，尤其是當運行中集電環表面溫度過高時，導致電刷磨損加劇，碳粉積聚增加，有可能會堵塞上述集電環表面的散熱通道。因此在大小修時，應對集電環表面通風溝、孔以及冷卻風道濾網進行清理，保持通暢。對于經過多次車削的集電環，如果集電環表面的通風溝高度不到5mm，已經車削到徑向限制孔時，就應當按照說明書根據最小使用外徑進行更換，以保證集電環的機械及散熱可靠性。
2、由于接觸電阻過大或分布不均勻而產生的發熱：集電環和電刷是通過相互滑動接觸導通勵磁電流的，根據容量及型號的不同，每個集電環上大約分布著數十只電刷，由于接觸電阻的不同，電流分配的差異，會導致發熱不均勻，有以下幾個原因：（1）電刷與滑環表面接觸電阻、電刷與刷辮接觸電阻、刷辮與刷架引線接觸電阻過大。可通過測量單個電刷總壓降、電刷接觸壓降、刷體壓降、聯結壓降、刷辮壓降進行相互間對比來檢查。同時檢查回路中各螺絲是否緊固。檢查電刷接觸面的清潔程度，是否存在油污污染。（2）電刷壓力不均勻或不符合要求，可能有電刷過短、彈簧由于過熱變軟老化失去彈性等原因。應使用彈簧秤檢查電刷壓力。恒壓彈簧應完整無機械損傷，壓力應符合其產品的規定，同一極上的彈簧壓力偏差不宜超過5％；非恒壓的電刷彈簧，有規定時壓力應符合其產品的規定，當無規定時，應調整到不使電刷冒火的最低壓力，一般為140－250g/cm2，同一刷架上每個電刷的壓力應均勻。（3）集電環與轉子引線接觸電阻過大，這種情況應對集電環與轉子引線間的緊固螺絲進行加固。（4）電刷材質不良、導電性能差、使用的型號不符合要求或者使用了不同型號的電刷。同一電機上應使用同一型號、同一制造廠的電刷，對于外觀檢查有明顯差異的電刷應更換。
3、由于機械及摩擦等原因造成的過熱：集電環與電刷過熱故障中，很大一部分是由于機械及摩擦等原因導致的過熱，如果在開機時還未加勵磁，就已經發現集電環與電刷溫度高，或者在運行中溫度過高，拔出幾只電刷后，溫度反而降低，那就基本可以肯定是由于機械及摩擦原因導致的。機械及摩擦導致發熱的情況很復雜，主要有以下幾個方面：（1）電刷接觸面研磨不良或運行中一次更換過多的電刷。運行中更換電刷，在同一時間內，每個刷架上只允許更換1－2個電刷。換上的新電刷應事先在與集電環直徑相同的模型上研磨好，且新舊牌號須一致。如果在大修時一次更換的電刷很多，應當在投運前沖轉時，為電刷表面形成氧化膜留夠充足的時間。（2）電刷與集電環接觸面過小，接觸面積一般不應小于單個電刷截面的75％。（3）電刷在刷盒中搖擺或動作卡澀。電刷在刷握內應能上下自由移動，其間隙應符合產品的規定，當無規定時，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.（4）刷握與集電環表面間隙過大。由于電刷材質較脆，當刷握與集電環表面間隙過大時，運行中電刷不能整體接觸集電環，與集電環呈斜面接觸，容易造成電刷崩裂的情況。刷握與集電環表面的間隙應符合產品技術要求，當產品無規定時，其間隙可調整為2－3mm.調整間隙時，可使用一層2－3mm厚的橡膠墊附在集電環表面，將刷握抵到橡膠墊上，然后上緊定位螺絲，取出橡膠墊。
二、幾起集電環、電刷故障的分析及建議
1、加強對電刷表面氧化膜的認識，創建其形成和正常工作的條件：近期發生的幾起故障，主要原因是因為電刷表面的氧化膜潤滑層無法形成，氧化膜的形成需要一些條件，當條件不滿足時，氧化膜無法形成或形成不良，主要有以下幾個原因：（1）溫度過高：電刷的氧化膜一般在70℃左右較易形成，當集電環、電刷出現過熱故障時，通常溫度都在150℃以上，此時即便換上新的電刷，氧化膜也不易形成，無法起到潤滑作用，電刷磨損將加劇，導致溫度繼續升高，成為惡性循環。此時可采取外部強迫降溫的方法，譬如涂抹凡士林、大功率風扇通風等手段，使集電環溫度降到正常范圍內，持續一段時間，讓電刷表面氧化膜逐漸形成，使之進入良性循環狀態。（2）冷卻空氣中有污染性雜質：空氣中的雜質對電刷表面氧化膜的形成將帶來不利影響，這些雜質包括：硫化物或鹵族元素的腐蝕性氣體、空氣中油氣混合物、粉塵、鐵屑、鐵銹粉塵、碳粉等其他雜質。電刷磨損時，本身會產生碳粉的粉塵雜質，可采用在刷架罩冷卻通風循環通道上安裝過濾裝置來改善刷架罩內的空氣質量。（3）空氣濕度太低或含氧量太低：電刷表面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生氧化作用而產生，當含氧量過低時也不利于氧化膜的形成。氧化膜無法形成或形成不良除與上述因素有關外，還有電刷過度研磨、使用溶劑進行擦拭、集電環表面光潔度不良以及碳刷材質不合格等原因。
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、生產運行中加強對集電環及電刷的維護管理：加強電刷、集電環系統的專職維護制度，提高專責人的技術水平，嚴格按照《汽輪
發電機運行規程》的要求對集電環、電刷進行檢查和運行維護，一次更換電刷的數量要嚴格控制。另外要積極運用紅外熱成像技術進行集電環、電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。
另外，本次會議還就定子絕緣引水管結垢提出分析建議：
1、當發現絕緣引水管結垢很嚴重時，或者已經影響到常規預試結果時，建議全部更換新的絕緣引水管。
2、
發電機每次大修結束后，開機前定子水系統應使用除鹽水進行帶壓力反復沖洗，直至排水清澈無顆粒，電導率合格。
3、發電機正常運行期間累積運行時間達到兩個月遇有停機機會時，對定、轉子內冷水系統進行反沖洗。
4、完善發電機整個冷卻水系統，應盡可能使其密閉循環，運行中水質含銅量高，絕緣引水管內壁臟污結垢主要成分為銅，是因為水路不密閉，長期氧化腐蝕銅管導致。
5、加強運行中水質監控，內冷水質應嚴格按照運行規程執行。
6、對于水系統問題的解決應主要從平時運行維護抓起，各專業間應進行必要的溝通交流，對相互專業交叉知識部分應當有一定的了解。發電機是一個綜合設備，關系到很多的專業層面，在某一個專業看來很重要的問題，也許并不能得到其他專業的重視，這就對設備的安全運行造成了很多隱患。
