调相机集电环刷架的结构设计

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

集电环-刷架系统是供给转子励磁电流的动静结合装置，其性能对调相机的正常运行起着关键作用。

集电环-刷架系统的设计主要从以下两个方面考虑：(1)结构设计。刷架系统在运行过程中会受到来自基础传来的振动，同时电刷在运行过程中会受到来自集电环旋转而带来的外力作用，进而作用在刷架系统上，而电刷在运行过程中的稳定性要求很高，否则极易产生电刷破损、电流不均，进而过热而导致烧毁等事故，影响了调相机的安全可靠运行。(2)通风系统设计。电刷与集电环在运行过程中会产生摩擦损耗和电气损耗而导致发热，需要将电刷和集电环的运行温度控制在一定范围内，这就需要采取有效的通风冷却来降低运行温升，确保集电环-刷架系统的正常运行。

2 结构设计

2.1 结构概况

调相机刷架主要包括底架、隔音罩、风扇、风扇罩等部件，各部件主要功能如下：(1)底架。底架由钢板焊接而成，用于支撑整个刷握装配以及励磁引线的固定、气封管的布置等。(2)刷握装配。刷握装配由导电板、支撑板、绝缘座、刷握及电刷组成，是刷架系统的核心部件；由导电板、支撑板、绝缘座组成刷握的支撑系统，其稳定性对于电刷的运行安全有很大影响，而刷握和电刷的选择则是刷架的设计核心。(3)隔音罩及端板。隔音罩由钢板焊接制成，为箱式结构，其除用于阻隔空气中灰尘、降低集电环和集电环风扇处的噪音等级及防护集电环刷架外，还参与构成集电环和集电环风扇处的通风回路。在隔音罩的设计中,为了安装、检修维护、以及布置外部风路的方便,一般应将隔音罩设计得较为宽敞,内壁设计有吸隔音材料罩,能将集电环部分的噪声降低到85dB(A),满足国技术协议的要求。

2.2 设计参数

额定转速：3000/min；集电环外径(mm)：355；集电环宽度(mm)：190；集电环表面线速度：55m/s；额定励磁电流：2381A；电刷的尺寸(mm)：25.4×38.1×100；电刷的数量：80只；额定工况电刷电流密度：6.24A/cm2。

2.3 集电环结构

集电环通过热套装配在转轴上，同时两集电环之间还热套有离心式风扇，其主要设计原则如下：(1)集电环材质采用50Mn，通过良好的热处理工艺，使其具有良好的导电性能、合适的硬度、机械性能和耐磨性能；(2)集电环的外径应尽量的降低，以电刷在集电环表面运行时的线速度，同时要求集电环表面具有较高的光洁度，以降低摩擦损耗；(3)为加强集电环冷却、减小电刷电流分配不均匀性，可在集电环表面车螺旋槽，并沿集电环轴向打斜孔。螺旋槽迫使集电环表面每一部分轮流导电，负荷均匀，又迫使每一部分轮流断开，使其得到冷却机会，减少局部过热，螺旋槽可使刷下气压正常，减少电刷接触的差异，螺旋槽可使碳粉逸出，改善了运行条件；(4)集电环发热是由摩擦产生的损耗和通过集电环电流产生的损耗引起的，而风摩损耗很小，可忽略不计。在摩擦损耗计算中电刷面积和集电环线速度是常数，起主要作用的是摩擦系数和电刷压力，因此在选用电刷时应使其摩擦系数尽可能小，在不冒火的情况下应尽量减少弹簧压力，这对减少集电环和碳刷的损耗，发热都是有宜的；电气损耗可理解为接触表面的电压降损耗，当励磁电流为常数时，电气损耗与电刷压降成正比，为减少电气损耗应尽可能选用压降低的电刷。

图1 调相机集电环-刷架结构

经计算各项损耗数据如下：Q摩擦损耗=12.4kW；Q电气损耗=5.95kW；Q总损耗=18.44kW。各项损耗数据相对常规水氢冷300MW机组偏小些，约为其90%。

2.4 刷握和电刷的选择

调相机刷握采用双卷恒压弹簧结构，以避免电刷受力点偏心、电刷在刷盒内受阻等问题，使之在运行中，电刷和滑环之间能够产生较小的滚动摩擦力，避免电刷和刷握受热，而且两个弹簧卷压力均匀，无论电刷磨损角度大小，受力均相同。

电刷与恒压弹簧接触位置设置有绝缘垫，避免恒压弹簧受热而软化，同时电刷材料选择天然石墨，使其具有允许线速度高、压降低、换向能力强、摩擦系数小、耐磨损、容易建立氧化膜等特点,其主要性能如下：(1)允许电流线速度90m/s；(2)允许电流密度：<13A/cm2；(3)允许弹簧压力：14N。

2.5 刷握支撑系统

调相机的刷握支撑系统主要由以下三方面组成：(1)上部。刷握与导电板(铜制)、支撑板(钢制)通过紧固件，在轴向上固定在一起；(2)中部。导电板、支撑板通过紧固件，在垂直方向上与绝缘座固定在一起；(3)底部。绝缘座通过紧固件，在垂直方向上与底架固定在一起。

相对传统机组上采用绝缘板作为支撑板结构，该支撑系统使用金属支撑板、超厚绝缘座的配合型式，既能提高装配稳固性，也能提高装配精度，同时降低现场安装时的装配工作量。因其具备较高的稳固性及精度，能够避免刷盒安装不正、电刷与集电环接触不稳定，引起电刷电流分配不均匀等问题。

3 通风系统设计

集电环-刷架通风系统基本采用轴向通风，通过在集电环部分的轴上安装离心式或轴流式风扇来驱动空气的流动；离心式风扇能够产生较高的压头，因此主要用在集电环损耗较大的大容量机组上，而轴流式风扇则用于集电环损耗较小的小容量机组上。

3.1 通风系统的分类

根据冷却气体的流动方向，可以分为抽风式和压风式两种结构，对于抽风式，冷却气体先经过集电环，再通过风扇排出，相反则为压风式，无论是抽风式、还是压风式均是根据进出风的位置，可以分为“上进上出”、“上进下出”、“下进下出”三种形式，以往老机组基本都采用“下进下出”的形式，经过多年的运行经验总结来看，该种形式还是存在一定弊端的。

3.2 调相机的通风系统

调相机的集电环外径(φ355mm)相对常规水氢冷300MW机组(φ380mm)偏小些，励磁电流同样偏小，经计算总损耗为18.44kW，并不算大，为保证足够的冷却裕度，其通风系统仍采用离心式风扇，并且采取“上进上出”的抽风式是通风结构，整个冷却风路是从隔音罩侧面开设的进风口进风，进入隔音罩密封的腔体内，在两集电环间离心风扇的作用下，对集电环和电刷进行冷却，经风扇罩进入隔音罩出风道内，最终从隔音罩上方排出。其主要设计特点如下：(1)转子励磁引线布置与进风口分离相互不干涉，保证足够的进风面积；(2)底架不参与风路设计，结构设计简单，只需保证足够的刚强度；(3)进、出风口设计在隔音罩上，安装维护比较方便；(4)离心式风扇，风量大、风路段、负压小，通风冷却能力强，集电环和碳刷温升低。

4 结语

介绍300Mvar调相机集电环刷架系统的结构设计，从中可以看出该集电环-刷架系统在结构设计、通风设计上采用了先进的设计理念，各项运行参数均在合理区间内，通风系统的设计裕度较大，能够保证该系统的可靠运行。