中车永济电机有限公司 轨道交通电机产品开发部 山西 永济 044502
摘要：对同步发电机集电环电蚀故障进行了细致的理论分析，提出了集电环在设计制造以及运行维护过程中针对集电环电蚀故障的预防措施及注意事项。
关键词：集电环；电蚀；电场强度；玻璃化温度；氧化膜
一、引言
目前，他励同步发电机在运行过程中，均需使用集电环与电刷进行动静结合为发电机转子励磁绕组提供直流励磁电流，因此集电环与电刷之间冒火花并发生集电环电蚀故障，这是同步发电机集电环的主要故障之一，本文从集电环的结构特点、使用维护等方面分析讨论集电环电蚀故障机理，并在集电环设计制造及运行维护方面提出相关的预防措施。
二、集电环结构及电蚀故障
同步发电机集电环与转子励磁绕组串联，励磁系统通过集电环将直流励磁电源引入同步发电机转子绕组，这样在发电机内部才会产生极性N-S-N相间的机械旋转磁场，电机才能正常工作。
集电环作为同步发电机励磁电路上旋转与静止结合处的关键部件，它主要由滑环座、绝缘结构、铜环、紧固螺栓等零部件组成。滑环座多为铸钢加工件，用于将滑环热套安装于发电机转轴上，是集电环的基座；绝缘结构主要指在滑环座与铜环之间，以及铜环与铜环之间的电气绝缘，它对集电环上不同电势的零件起到隔离与支撑的作用，因此绝缘结构在持续受到热应力、振动等条件下的结构稳定性，对电机集电环的运行质量至关重要。
当集电环长期在本身尺寸变形、绝缘蠕变、铜环表面粗糙等情况下运行，集电环极易在铜环表面因放电火花现象发生电蚀故障，故障表象如下图：
图示集电环电蚀故障
三、集电环电蚀故障机理
同步发电机集电环产生电蚀的根本原因是由于电刷与集电环间接触不良或高频振动，促使电刷在集电环圆弧表面有高频跳动现象。由于同步发电机集电环连接的转子励磁绕组的匝数较多，电感及绕组储能较大，励磁电流因存在储能绕组而不能够突变，此时转子励磁绕组相当于一个恒流源。当电刷在滑环表面局部跳起时，这个恒流源会突然处于断路状态，瞬间在滑环与电刷间感应出超过3000V/mm的电场强度，空气被瞬间电离并产生放电火花现象，长期运行后，将集电环表面局部烧熔，形成麻点，麻点的出现使电刷与集电环接触更加不良，如此恶性循环，最终集电环表面凹凸不平，产生电蚀故障。
电刷与集电环接触不良或高频振动造成集电环电蚀故障，以下主要从电机制造及电机维护两个方面进一步进行分析探讨。
四、电机制造质量问题分析
电机刷架装配在制造时，刷盒内表面不光滑，刷盒内腔尺寸过小或过大，弹簧压力过小，刷盒距离铜环表面尺寸超差（一般要求间距3mm）等因素，均会造成电刷在刷盒内不能上下灵活滑动或出现卡滞现象，使得电刷与集电环接触不良，进而造成集电环电蚀。
电机集电环在制造时，铜环圆柱面同心度达不到加工要求（一般要求相对轴心的全跳动量小于0.03mm），造成集电环在旋转运行中，电刷在铜环表面高频跳动并伴随放电火花现象，最终造成电蚀故障。
集电环绝缘结构选型不当，如果所选择的绝缘玻璃化温度较低，绝缘结构热塑性强，这样集电环在长时运行中绝缘受到热应力的作用，绝缘结构发生蠕变变形，造成集电环同心度严重超差，导致电刷与铜环接触不良并发生电蚀故障。
五、电机使用维护问题分析
同步发电机使用维护不当也是造成集电环电蚀故障的突出原因。有刷同步发电机需每隔一段时间（一般要求为半年）将励磁电源的正、负极交换一次。如果没有进行此项维护操作，同步发电机的集电环就容易发生电蚀故障。以下就有刷同步发电机集电环的这种固有特性展开分析。
有刷同步发电机的集电环表面在运行过程中会形成一层氧化膜。这层氧化膜对维持电机的正常运行，起着非常重要的作用。没有这层氧化膜，集电环就容易发生电蚀故障。而励磁电源正、负极定期交换对氧化膜的形成是非常重要的。
氧化膜是在电刷与集电环滑动接触中形成的一层保护膜，其颜色为褐色、深紫色或咖啡色。这层薄膜主要由两部分组成。其一是与铜的氧化物，其二是碳素薄膜。氧化膜的存在使电刷与集电环之间的摩擦系数减小，大大降低了电刷与集电环的磨损。
氧化膜的形成和很多因素有关，例如负荷大小，电刷材质，环境温度、湿度等等。其中最重要的因素是正、负电刷下发生的氧化、还原反应。当电机运行在正常湿度的空气中时，电刷与集电环接触部位的水汽在电流的作用下电解，这时形成的氢正离子和氢氧负离子在强电场的作用下分别移向正负极。正刷下，氢氧负离子在电刷的表面上析出，氢正离子在集电环的表面上析出。负刷下，情况正好相反，氢的正离子移向电刷表面，而氢氧的负离子移向集电环表面。故负刷下的集电环表面受到强烈的氧化反应形成氧化膜（发暗），正刷下的集电环表面发生还原反应不能形成氧化膜（发亮）。化学反应的示意方程式如下：
水在电流下电解：H2O＝H+ + HO-
正刷下还原反应：CuO+ 2H+＝Cu＋H2O+（2个正电子）
负刷下氧化反应：Cu+2HO-＝CuO+ H2O+（2个负电子）
氧化反应与还原反应中产生的正负电子相等中和。
对于直流电机，由于换向片是不断地回转于不同极性的电刷之中，当换向片是阳极时，铜被氧化，氧化膜厚度增加；当换向片是阴极时，氧化亚铜或氧化铜又被部分还原，氧化膜的厚度减小。氧化膜在直流电机旋转的过程中不断的形成，但因正刷下的还原反应和机械磨损，氧化膜又不断遭受破坏。因此直流电机的氧化膜总是处于一种动态平衡之中。
对于有刷同步发电机，集电环的极性并不能随着电机的转动而改变。负刷下的集电环始终接着电源的负极，造成负刷下的集电环表面总是发生氧化反应，形成良好的氧化膜（发暗）；而正刷下的集电环始终接着电源的正极，造成正刷下的集电环表面总是发生还原反应，集电环的表面变得越来越光滑，氧化膜很难形成或形成不充分（发亮）。来自电刷的碳粉在集电环运行时起到润滑的作用，在正刷下铜环光滑不能产生碳粉堆积后的润滑作用，电刷与集电环间的摩擦力变大，电刷将小幅度但高频率的振动，产生放电火花，将集电环表面局部烧容，形成麻点，最终发生电蚀故障。由以上分析可知：对于有刷同步发电机，如果不定期将励磁电源的正、负极交换一次，那么励磁电源正极电刷下的集电环就容易发生电蚀故障。
六、结论
预防同步发电机集电环发生表面电蚀故障，不仅在集电环设计制造方面，应合理选择配合尺寸，合理选择绝缘结构，提高集电环加工精度；更重要的是在电机使用维护中，必须定期交换励磁电源正、负极，确保集电环在铜环表面形成质均优良的氧化膜。
参考文献
[1]李伟清. 汽轮发电机故障检查分析及预防. 中国电力出版社，2002.
[2]王川波，高压电气绝缘及测试[M]. 中国水利水电出版社，1998.
论文作者:景万鹏
论文发表刊物:《防护工程》2019年第2期
论文发表时间:2019/5/10
标签：集电环论文; 电刷论文; 发电机论文; 铜环论文; 故障论文; 表面论文; 电机论文; 《防护工程》2019年第2期论文;