浅谈集电环单极损伤的原因

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(福建水口发电集团有限公司，福建 福州 350000)

1 引言

水电站发电机组碳刷集电环系统在运行中常见的故障有发热、产生电火花[1-3]、集电环摩擦面灼伤、碳刷烧损、卡簧疲劳等。由于碳刷集电环系统是机组励磁回路的导流部件，是电流从静止部件流向旋转部件的过渡装置，极易产生各种故障现象。对某流域多台机组碳刷集电环系统的调查维护发现，均存在集电环负环表面积碳、摩擦面粗糙，将积碳用砂纸打磨后表面出现损伤的现象。本文针对这一现象，初浅分析造成集电环单极表面受损的原因，并给出处理措施，为在日常碳刷集电环系统的维护提供参考。

2 机组碳刷集电环系统的工作原理

碳刷集电环系统是指同步发电机旋转部分(转子绕组)与静止部分(励磁电源)的导电装置，由集电环、刷盒、刷架、碳刷、弹簧组成。其中集电环是是同步发电机旋转部分(转子绕组)的导电部件，与转子一同旋转，分为集电环正环与集电环负环，集电环外表面通过与碳刷的摩擦接触实现电流的输送；碳刷是与集电环摩擦接触传导电流的部件；刷盒是是用于固定碳刷并将弹簧的压力加在碳刷上的部件；卡簧是固定在刷盒上，并将压力加在碳刷上，使其与集电环有良好接触的部件；刷架是用来固定刷盒并汇集励磁电流的部件。

集电环是发电机转子励磁电流的承载体，在发电机正常运行时，高速滑动的接触导流部件，与碳刷接触摩擦形成导流回路。一般来说，在集电环上的摩擦、自然氧化的作用下，在集电环的接触面上形成一层均匀、光滑的氧化膜[2]，这是机组碳刷集电环系统运行良好的重要特征。该氧化膜是一种复合薄膜，其组成成分与碳刷型号及集电环的材料成分有关，正常厚度一般在1～6μm的范围内。由于氧化膜的具备碳元素的导电性，可以有效改善了碳刷与集电环的导流特性；同时又具有较好的润滑性能，可以显著降低了碳刷与集电环之间摩擦系数，减少了摩擦热的产生和碳刷的磨损，延长了碳刷和集电环的使用寿命。

图1展示为某机组集电环负环经零号砂纸打磨后的图片，从图中可以很明显的看到集电环负环表面很多的深色区域，这些就是集电环表面的受损区域。

图1 集电环负环受损表面

3 集电环单极表面受损的原因分析

发电机组在运行工况下，碳刷集电环导流系统有持续的励磁电流流过，此时，集电环表面不仅存在机械磨损，同时还有电气磨损。电气磨损指的是由于电场作用、电弧高温和放电等因素的作用下，使接触面材料受到损伤。而由于电气磨损损伤接触面后，会加剧机械磨损的程度。

由于励磁电流通过碳刷和集电环的接触面，且其直接传导的部位不断变动，电流密度又很大，加之碳刷与集电环接触电阻的存在，使一些接触点的温度很高。又由于局部电弧的高温作用，会使两侧接触面局部熔化、脱落，金属会变成金属蒸汽，碳刷则结构松化，受氧化腐蚀而脱落，引发机组非计划停役。

集电环极性不同时，磨损情况是不一样的。在电弧作用下，阳极(正极)表面局部灼热而蒸发出“金属蒸汽”，使阳极表面损蚀，这叫“阳极蒸发”；阴极(负极)因受正离子撞击和高温作用发射电子，使阴极表面也遭受破坏，这叫“阴极粉化”。由于阳极蒸发和阴极粉化的作用，碳刷和集电环由于电流方向不同会出现极性差别。

当电流由碳刷流向滑环时，碳刷为正极，集电环为负极，则结果是，碳刷面上发生微小程度的阳极蒸发，碳粒、石墨离子迁移到集电环表面，碳刷有电气磨损。集电环采用合金材质，硬度高，表面几乎不发生阴极粉化现象，但会附着少量碳粒、石墨分子，经摩擦氧化作用，逐步形成润滑、光泽的氧化膜。由于集电环表面氧化膜的形成，隔离碳刷与集电环，因其良好的润滑导流特性，极大的降低了电气损耗与机械损耗，如图2所示上集电环。

反之，当电流由集电环流向碳刷时，此时集电环为正极，碳刷为负极，集电环发生微小程度的阳极蒸发，金属离子撞击碳刷表面，碳刷较软且遭受正离子撞击极易产生阴极粉化现象，而粉化后的大量碳刷颗粒在高温下便附着在集电环表面形成粗糙的表面，摩察系数大温升高，集电环表面无法形成氧化膜，如图2所示下集电环，同时加剧了集电环和碳刷的机械磨损，恶化了碳刷与集电环的导流能力，产生高温电弧，经过长时间的逐步积累，最终将集电环表面灼伤图1所示，使碳刷的寿命缩短，如任其继续发展将造成集电环环火[4]现象的出现。

总的来说，当碳刷为正极时，因为碳刷与集电环中间氧化膜的形成，使集电环和碳刷的电气磨损和机械磨损都很小；当碳刷为负极时，无法在集电环表面形成氧化膜，加剧了碳刷与集电环的电气磨损、机械磨损。

图2 同一机组集电环正、负环对比

4 采取的处理措施

4.1 倒换集电环的极性

为了使集电环正、负环均能形成氧化膜，降低集电环和碳刷的电气磨损与机械磨损，由于集电环负环电流流向的原因导致其无法形成氧化膜，故可以通过有计划的调换两环电流极性，使得集电环两极逐步形成氧化膜。具体可以通过调换正、负环的励磁连接电缆来实现。

4.2 对集电环表面氧化膜的保护

氧化膜具有非常好的润滑性能，碳刷与集电环接触表面起润滑作用的润滑层主要是石墨膜，这层石墨膜，将碳刷与集电环分开，使摩擦在石墨润滑层间进行，提高导流效率，降低了摩擦系数，减少了摩擦热的产生，降低了碳刷的磨损，对机组长期稳定运转具有不可替代的作用。因此，在机组碳刷集电环系统的日常维护中，提高集电环氧化膜保护的意识，防止人为因素使集电环氧化膜遭到破坏。

4.3 配件的选择

碳刷集电环系统上各个部件，对系统安全稳定都有重要作用。就碳刷而言，在同一台机组上使用电阻率不同的产品，会导致各个碳刷电流分配不均，当某一碳刷电流密度过大时，会加速碳刷损耗，引起温升，破坏氧化膜，损伤集电环表面，最终引起集电环环火。对于卡簧、刷握等配件亦是如此。因此，选用质量可靠，特性相同的配件也是维护过程需要注意的一个细节。

5 结语

本文对水电机组碳刷集电环系统中集电环单极损伤的故障原因进行了粗浅的分析，找到了造成集电环单极损伤的基本成因，为水电站机组中类似问题提出了解决方案，供广大水电机组维护检修工作人员参考。