摘要：近年，随着电力建设的快速发展，1000MW容量发电机组装机数量大增，已成为电力系统的主力发电机组。转子故障是发电机组的主要故障之一，本文就某型1000MW发电机组转子集电环出现故障现象进行原因分析及处理。
关键词：励磁；集电环；故障；分析；处理
引言
1000MW发电机组是当前电力系统的主力机型，其故障跳闸会对电力系统造成较大冲击。转子集电环故障是发电机的常见故障之一，本文介绍某型1000MW发电机集电环故障的发展与处理过程。希望为有需要进行相关处理的单位提供帮助，同时也为预防相似的故障提供一些参考建议。
1、发电机的励磁方式
发电机的励磁方式按励磁电源来源不同可分为自（并）励与他励；自（并）励就是励磁电源由发电机自身提供，他励的励磁电源一般由永磁副励磁机至主励磁机再供给转子。实际应用中，结构构造分类可分为有刷励磁与无刷励磁两大类，600MW以上发电机励磁方式有二种常见方式：
（一）有刷励磁系统，其发电机励磁电源取自发电机机端，经大容量励磁变压器，可控硅整流，再经过静止的电刷将励磁电源传输至转子集电环，供给发电机转子励磁。称为自并励静态有刷励磁方式。本文所述发电机采用此类励磁方式。
（二）无刷励磁系统。根据其主励磁机的励磁电源的来源，无刷励磁系统可分为两类：一类是他励无刷励磁系统，一类为自励无刷励磁系统。他励无刷励磁系统的主励磁机励磁电源来自永磁式副磁机，也称为无刷他励旋转可控硅励磁系统。自励无刷励磁系统的主励磁机励磁电源取自发电机机端，由发电机机端经小容量的励磁变、可控硅整流，供给主励机励磁，再供给转子，也称为无刷自励旋转可控硅励磁系统。
2、集电环介绍
集电环是有刷励磁中，传递能量的元件之一。通过集电环及电刷装置将励磁电流导入转动的转子绕组，为发电机提供额定出力或强励所需要的励磁电流，形成旋转磁场。转子绕组通过转子引线经导电杆与集电环相连接。集电环用耐磨合金材料制成，用热套工艺套入转轴进行装配。在集电环与转轴之间用环氧树脂材料套管绝缘。为了帮助散热，集电环上加工有轴向和径向通风孔，表面螺旋沟用以改善电刷与集电环的接触同时方便碳粉脱离接触面。集电环是有刷励磁方式发电机转子的重要部件，可影响励磁电流是否正常。其故障能够影响发电机组是否安全运行。
3、集电环损坏故障的现象及应急处理
某发电厂位于沿海地区，环境较为潮湿并且空气中盐份较重，是较重污染区域。该厂S发电机为D公司制造的QFSN-1000-2-27型，水、氢、氢冷却方式1000MW汽轮发电机，额定励磁电压501V，额定励磁电流5041A。励磁系统结构为机端自并励方式。机组投产前，较长时期处于备用状态。投运几个月后发现该发电机刷架上的刷握弹簧片断裂脱落，部分电刷与弹簧片有跳动现象。跳动的电刷分布很有规律，基本上在同一圆周位置。由现象可以看出刷握弹簧片断裂是由于电刷高频率长期跳动导致弹簧片产生机械疲劳最终断裂。初步分析原因为集电环表面有异物或集电环表面损坏，集电环表面存在凹凸不平所致。
集电环表面凹凸不平引起电刷跳动，对机组安全运行影响较大，并且威胁设备安全，可能会引起设备损坏故障。因电刷跳动会引起接触面接触不良，进而影响励磁电流的传输，严重时引起接触面发热，烧坏滑环。有可能引起电流波动而引起定子、转子绝缘及机械故障，进一步引起转轴振动。严重时引起设备故障停运。
应急处理：集电环表面凹凸不平，若没办法马上停机处理，侧需要每天进行巡查，并且进行红外成像监测接触面及电刷温度，若温度达到200摄氏以上则应该马上申请停机，有效撑握接触面温度防止火灾事故，防止集电环烧坏事故引起事扩大。日常监测中若发现弹簧片疲劳断开则要马上更换刷握，以保证提供正常的励磁电流。同时，严密监测发电机是否有漏氢现象，一旦发现漏氢点马上采取行动将漏点消除，若是在集电环周围发现漏氢也必须马上申请停机处理，防止引起严重事故。
4、集电环故障原因分析
停机后检查发现集电环表面没有异物，表面光滑但有多处磨损，形成深浅不一的凹槽，集电环表面凹凸不平，磨损最深处大约2mm。集电环侧面有生锈。
集电环产生凹凸不平的主要原因是，集电环采用硬度很高的耐磨损合金材料，但其防腐蚀性能差，机组在停运备用期间，由于发电厂地处沿海，环境中空气潮湿且空气中盐份较重，停运状态的发电机集电环表面在此环境中极期容易生锈腐蚀。长期停运的发电机集电环表面腐蚀日益严重。机组启动后，集电环表面铁锈高速旋转与电刷的相互摩擦，氧化铁（即铁锈）脱落，集电环表面开始不太平整。在氧化铁、电刷及电腐蚀还有接触表面发热等多种条件的综合作用之下，使集电环表面磨损进一步恶化，凹凸不平的集电环又使电刷在运行中不断晃动，电刷在高速晃动中以及在电腐蚀的作用下加速集电环的磨损，使集电环表面磨损逐步扩大加深。危害设备安全。
腐蚀生锈是集电环损坏出现凹凸不平的根本原因。
5、车削处理及预防
由于集电环的磨损情况较为严重，无法用打磨的方法进行解决处理。经专业研究及经验借鉴制定了在现场用车削处理的方案，在转子盘车状态下进行车削处理。在刷架底座上将小型车床安装牢固，调试正常。
图1：小车床就位并调试正常
现场测量，集电环表面磨损处最深约为2mm。根据磨损情况先进行两次约为1mm的粗车削。并根据刀口的磨损程度，在刀的行进过程中调整刀位以消除刀口磨损产生的误差。两轮粗车过后进行0.02mm的精车。最后进行抛光处理。按以上加工方法进行车削后测量数据：同轴度：≤0.02mm，粗糙度：≤0.02mm，符合集电环设计制造要求。注意事项：车削用的车床是小型车床，必须能够在刷架底座上安装牢固。
图2：精车处理中
为了预防发电机集电环腐蚀损坏，在机组停运或检修期间，需要先对集电环表面进行清洁处理。将集电环表面的粉尘及锈迹清理干净，做到表面光滑无异物。再进行集电环表面的防腐蚀处理：原理是防氧化，即将集电环与空气隔绝，最好是在集电环表面涂上一层薄凡士林保护集电环，防止氧化。
6、结语
集电环生锈腐蚀损坏会危害发电机组的运行安全。
在机组停运后采取必要的防腐措施，比如在集电环上涂抹一层薄凡士林，能够有效防止集电环氧化腐蚀。
若集电环有磨损导致接触面凹凸不平引起电刷跳动时，需要尽快停机并进行车削处理。
作者简介：
邓勇志，男，1980年2月出生，广东博罗人。本科学历，2005年7月毕业于华北电力大学（保定），电气工程及其自动化专业。工程师，2005年7月至今就职于广东粤电靖海发电有限公司，主要从事发电机方面工作。具有丰富的电气一次设备检修维护经验。
论文作者:邓勇志
论文发表刊物:《电力设备》2016年第24期
论文发表时间:2017/1/18
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