摘要：随着发电机自并励静止励磁方式的增多，目前普遍存在的一个问题：集电环温度过高以及电刷电流分布不平衡。问题主要集中在我厂出厂的600MW、1000MW等级发电机组。针对此问题，我技术服务处收到过很多客户关于此问题的信息，产生问题的原因也不尽相同。本文对该问题产生的原因进行了分析汇总，同时提出了相对应的解决办法，供客户参考。
关键词：集电环、电刷、过热、电流不平衡。
一、集电环装置结构
集电环装置，其主要功能是将静止励磁电流提供给旋转的发电机转子绕组励
磁电流的一种装置，见下图1-1。它的主要结构有：集电环转轴、刷握及刷架、集电环风扇及通风系统、电刷。本文主要对集电环转轴、刷握及刷架的结构作重点介绍。
1 集电环
集电环装置在同轴上由两个集电环单件构成的。集电环是合金钢（40Cr2MoV）锻件，经加工和热处理（表面硬度HB≥300）热套于集电环套筒上的环形构件。因受电刷许用线速度的限制，集电环的外径不能太大（F380）。集电环的宽度则取决于励磁电流的大少和电刷的许用的电流密度。
集电环表面有等距离的矩形螺纹槽，其作用为：
◆使电刷与滑环接触面的每一个部分轮流传导电流，刷面负荷较均匀；
◆同时又迫使每一部分轮流断开电流得到冷却的机会，减少刷面局部过热；
◆也使高速旋转的集电环与静止的电刷接触面间的“气垫”作用减弱，降低它们之间的接触电阻及由此产生的热量。
螺纹槽的螺距必须与单个电刷排列的轴向尺寸匹配，使碳刷和集电环接触面积在任何时均保持不变，以达到衡压弹簧在接触面上产生的压强为恒定值，以实现摩损和电流的均匀性。
2、刷握及刷架
每只集电环的周向上装有8个刷盒座，每个刷盒座上可插入2只刷握，每只刷握能装6块25×32×100 mm的电刷。刷盒及刷盒座主件是经加工后表面镀银的硅黄铜精密铸件。刷盒、附件及弹簧件组成了刷握。刷盒座被紧固在一对同心的镀银汇流环上。刷握顶部是绝缘手柄，可供运行人员在不停车、不停电的条件下，不带电更换碳刷。每只电刷均有1只恒压弹簧，提供一个作用于电刷中心线上的恒定压力。它是由同心的薄不锈钢带卷制成的，能产生一个恒定的单向压力。
刷架是以环氧玻璃布板为主的组合框架。用螺栓将它与导风圈、汇流环连成一个整体，紧固在底架上面的绝缘材料板上。集支撑、导风、汇流与绝缘等功能于一体。
二、原因分析及解决办法
发电机在运行过程中，最常见的故障为集电环发热、产生火花、电刷电流不平衡、严重的烧损电刷刷握及集电环等问题。从产生故障的原因看，主要有以下几个方面：
1、由于通风不良导致的发热
通风不良主要是因为冷却风道堵塞，集电环表面通风沟、通风孔堵塞、循环风扇风量下降等原因，尤其是当运行中集电环表面温度过高时，导致电刷磨损加剧，碳粉积聚增加，有可能会堵塞上述集电环表面的散热通道。因此在大小修时，应对集电环表面通风沟、孔以及冷却风道滤网进行清理，保持通畅。对于经过多次车削的集电环，如果集电环表面的通风沟高度不到5mm，已经车削到径向限制孔时，就应当按照说明书根据最小使用外径进行更换，以保证集电环的机械及散热可靠性。
2、接触电阻过大或分布不均匀
集电环和电刷是通过相互滑动接触导通励磁电流的，根据容量及型号的不同，每个集电环上大约分布着数十只电刷，由于接触电阻的不同，电流分配的差异，会导致发热不均匀，电流不均衡，有以下几个原因：
2.1电刷与滑环表面接触电阻、电刷与刷辫接触电阻、刷辫与刷架引线接触电阻过大。可通过测量单个电刷总压降、电刷接触压降、刷体压降、联结压降、刷辫压降进行相互间对比来检查。同时检查回路中各螺丝是否紧固。检查电刷接触面的清洁程度，是否存在油污污染。
2.2 恒压弹簧压力不均匀。前文“刷握及刷架”中已经提到，每只电刷均有1只恒压弹簧，提供一个作用于电刷中心线上的恒定压力。它是由同心的薄不锈钢带卷制成的，能产生一个恒定的单向压力。恒压弹簧结构图见图2-1.
上图中序号3即为恒压弹簧，对于此恒压弹簧要求详见下图中技术说明：
电刷压力不均匀或不符合要求，可能有电刷过短、弹簧由于过热变软老化失去弹性等原因。应使用弹簧秤检查电刷压力。恒压弹簧应完整无机械损伤，压力应符合图2-2中技术说明的规定，每一批量中个体之间最大差值≤0.1㎏。
2.3 集电环与转子引线接触电阻过大。这种情况应对集电环与转子引线间的紧固螺丝进行加固。
2.4 电刷材质不良、导电性能差、使用的型号不符合要求或者使用了不同型号的电刷。同一电机上应使用同一型号、同一制造厂的电刷，对于外观检查有明显差异的电刷应更换。我公司选用性能优良的进口电刷（摩根NCC634、罗兰LFC554），具有较低的弹性模量和摩擦系数、较高的自润滑能力和载流能力，能适应70-80 m/s线速度下运行，滑环表面温度一般不超过100℃。！注意：电刷切不可混用，不可随意更换牌号。非正式厂家生产牌号或其他牌号电刷请用户不要用，避免产生不必要的麻烦或事故。
3、机械和摩擦
集电环与电刷故障中，很大一部分是由于机械及摩擦等原因导致的过热，如果在开机时还未加励磁，就已经发现集电环与电刷温度高，或者在运行中温度过高，拔出几只电刷后，温度反而降低，那就基本可以肯定是由于机械及摩擦原因导致的。机械及摩擦导致发热的情况很复杂，主要有以下几个方面：
3.1 电刷接触面研磨不良或运行中一次更换过多的电刷。运行中更换电刷，在同一时间内，每个刷架上只允许更换1－2个电刷。换上的新电刷应事先在与集电环直径相同的模型上研磨好，且新旧牌号须一致。如果在大修时一次更换的电刷很多，应当在投运前冲转时，为电刷表面形成氧化膜留够充足的时间。
3.2 电刷与集电环接触面过小，接触面积一般不应小于单个电刷截面的75％。
3.3 电刷在刷盒中摇摆或动作卡涩。电刷与刷盒装配后，应能在其孔中上下移动自如而不能有较大的前后摆动为准。电刷外形要方正，上下端尺寸误差不得大于0.05mm。
3.4 刷握与集电环表面间隙过大。由于电刷材质较脆，当刷握与集电环表面间隙过大时，运行中电刷不能整体接触集电环，与集电环呈斜面接触，容易造成电刷崩裂的情况。刷握与集电环表面的间隙应符合产品技术要求，我公司要求刷盒底部与集电环表面间距离不大于图所示3-5㎜，除碳刷外，刷握上其他零件不得触及集电环表面；刷握应自如进出刷盒座，不得触及前面刷盒座；一旦两者锁住后，配合面接触良好，紧密不得松动。
结论
综上，集电环过热及电刷电流不平衡产生的原因虽然比较复杂，但是只要在运行以及维护过程中严格按照规程及厂家相关要求执行，还是可以避免和解决的。生产运行中加强对集电环及电刷的维护管理：加强电刷、集电环系统的专职维护制度，提高专责人的技术水平，严格按照《汽轮发电机运行规程》的要求对集电环、电刷进行检查和运行维护，一次更换电刷的数量要严格控制。另外要积极运用红外热测温仪进行集电环、电刷日常的巡检检查以及对故障部位有怀疑时作为辅助分析的工具。
同时，在运行期间，总结了以下几点需要严格注意：
◆ 运行前要检查整个集电环装置所有紧固件和制动件（保险类的零件），特别是转动部分，均要完好无损，不能漏检。
◆ 电刷在径向中心线要与集电环的径向相一致。电刷在刷盒内能自由上下移动而不能前后、左右幌动为宜。
◆ 转动部分与静止部分不得有任何接触，如果发现必须及时消除。
◆ 刷盒底部与集电环表面之间距离最佳为3-5mm，但必须确保与旋转体间不得有任何摩擦。
◆ 新的电刷或集电环装置必须注意到摩擦面相互之间的磨合。磨合前，不能通电流；良好磨合后，电流应逐步通到额定值。
◆ 集电环装置运行一段时间后，借助于停机期间应对集电环及相关的绝缘、刷架、主引线与刷架连接处的裸露部份、导风管道、过滤器等进行清理，以保证冷却的效果、绝缘的良好。
参考文献
[1]汪耕，李希明等.大型汽轮发电机设计、制造与运行，2012.
[2]上海发电机厂.600-660MW汽轮发电机产品说明书，2008.
[3]上海发电机厂.百万千瓦机汽轮发电机运行和维护手册，2006.
论文作者:颜璁
论文发表刊物:《电力设备》2017年第6期
论文发表时间:2017/6/14
标签：集电环论文; 电刷论文; 电流论文; 表面论文; 弹簧论文; 原因论文; 接触面论文; 《电力设备》2017年第6期论文;