轧钢同步电动机集电环电蚀原因分析及对策

高 峰,阮俊毅,施华杰

(宝山钢铁股份有限公司,上海 201900)

随着交流调速技术快速发展,交流同步电动机从20世纪90年代开始大量应用。宝钢1996年建成投产国内第一条热连轧全交流调速传动系统,之后所有产线全部采用全交流调速技术。其中,1 580 mm热轧、1 420 mm冷轧、高速线材、厚板、1 880 mm热轧、1 730 mm冷轧等产线主轧机电动机均采用交流变频同步电动机。交流同步电动机有类似直流电动机换向器一样给转子供电的集电环装置。由于这个集电环装置既是一个旋转机械结构,存在着滑动接触、摩擦,同时它又是一个电气部件,有着电气绝缘、电流传递作用。因此,这个旋转、导电装置就会经常发生因各种机电原因导致的碳刷打火、集电环电蚀、烧损等重大故障,导致电动机停运。

1 故障情况

某厂发生一起精轧F1/F2两台主传动同步电动机同时集电环打火电蚀故障。其中F1电动机运行中跳电,检查发现电动机碳刷与刷握卡滞、刷辫脱落,部分刷握电弧烧灼熔损,集电环表面电蚀拉弧烧毛。检查其他电动机,发现F2电动机碳刷也异常磨损,集电环表面电蚀、灼伤,损坏情况稍轻。电动机集电环损坏情况见图1。

2 集电环电蚀原因探讨

2.1 集电环装置结构

轧钢同步电动机转子励磁由三相交流电通过整流变为直流后,经电缆连接至集电环装置正、负汇流排上,再通过汇流排上固定的刷握及碳刷与集电环相接触,最终由旋转的集电环将励磁电流导入电动机转子绕组产生励磁磁势。

集电环装置主要包括集电环、汇流排、刷握、碳刷等。集电环一般热套在转子轴上,与转子一体;汇流排一般呈“C”型通过绝缘件隔离固定在集电环装置的罩壳上,“C”型一头接励磁电缆;“C”型汇流排一圈安装刷握,碳刷固定在刷握刷盒里,并采用恒压压簧将碳刷压在集电环表面。集电环、碳刷、刷握及压簧型式见图2。

2.2 电蚀原因分析

同步电动机集电环装置不存在换向,在正常情况下,相比直流电动机,其运行比较稳定,维护工作量相对较少。但集电环装置仍是动静接触和电能传递的部件,其运行状态经常受其碳刷性能、碳刷压力、碳刷与集电环表面的磨损、周围的环境温湿度、清洁度以及本身制造工艺等因素影响。在长期运行后,若点检、维护不当,碳刷和集电环之间容易发生打火电蚀现象,若没有及时发现隐患并进行处理,将形成恶性循环,造成碳刷与集电环表面接触不良、集电环打毛、压簧震断、碳刷震裂等,严重时将短路、接地,导致集电环烧毁、被迫停机的事故。常见的集电环故障影响因素主要如图3所示。故障原因主要有以下几个方面。

2.2.1 碳刷

碳刷使用或维护不当是同步电动机集电环装置发生故障的最常见原因,主要是碳刷型号选型不当。体现在碳刷运行过程中磨损过快、碳刷温度高、发热膨胀量大、脱辫子等;其次,就是碳刷使用过程中维护、更换不及时,碳刷磨损变短,导致碳刷压力不足或个别碳刷电流分配严重不均,碳刷发热卡滞,从而造成碳刷与集电环接触不良、跳动,出现电蚀打火现象,集电环表面出现麻点、凹坑,进而恶性循环,直至滑环拉弧短路烧损。

2.2.2 刷握

刷握主要作用是固定碳刷,并保证碳刷与集电环充分接触,同时将汇流排上的励磁电流稳定地通过碳刷传递到集电环上。刷握主要由刷盒和压簧组成。刷盒尺寸偏差或变形,刷盒内框与碳刷配合不当卡滞,会引起碳刷与集电环接触不良;长期运行后,碳刷原因或压簧压力调整不当导致碳刷压力过小,也将导致碳刷与集电环接触不良或接触电阻变大、电流分布不均,从而产生电蚀打火现象。同步电动机碳刷与刷握安装运行要求见表1。

表1 碳刷与刷握安装要求Table 1 Requirements for brush and brush holder

2.2.3 集电环

集电环是电动机转子绕组与外接励磁电源通过碳刷进行电气连接过渡的部件。碳刷和集电环表面接触并相对运动传递电流,两者有相对摩擦运动而形成磨损。因各种原因导致的集电环表面圆度、粗糙度不良,以及集电环表面出现严重条纹、沟壑等异常,将造成碳刷与集电环间跳动、接触不良,必将产生电蚀打火现象。

2.2.4 其他

除了碳刷、刷握、集电环几大部件因素外,电动机或集电环制造工艺问题以及外界环境等因素也会对集电环运行带来不利影响。例如,同步电动机转子励磁铜排引线与集电环的固定、连接不良,将会导致励磁回路连接点接触电阻变大、开路或接地;集电环装置维护不当积灰、外界漏水及渗油等,会导致碳刷与刷握黏结卡滞、碳刷接触电阻变大,严重情况下集电环绝缘不良,正负极短路等故障;此外,检修不当导致的异物掉入、碳刷接触面不足、碳刷和刷握安装松动等也会造成打火烧伤、局部短路接地等严重后果。

3 故障原因确认

故障F1/F2电动机此前运行一直较为稳定,集电环、碳刷状态也比较好,碳刷磨损量也不大。直至故障发生时,两台电动机未烧损一侧碳刷剩余长度都在35 mm以上。F3～F7其他电动机正、负极碳刷都在40 mm以上,长于碳刷寿命线(剩余长度)18 mm,说明此前这些碳刷磨损量处在正常范围内。检查其他电动机集电环也不存在表面粗糙、条痕、沟壑等异常磨损。事故前电动机也未做过碳刷更换、调整等检修维护工作,排除外界环境因素及检修失误导致的碳刷接触不良、短路等问题。仔细检查两台故障电动机集电环装置故障,发现多个碳刷存在刷体与刷盒卡滞无法分离情况。

3.1 碳刷卡滞原因

查看PDA电动机电流监测记录,故障前一段时间,F1、F2电动机负荷一直偏大,其中故障几小时前F1电动机还发生励磁过流跳电(243%)情况。故障跳机前F1、F2电动机电枢分别150%,140%过流,励磁也大约150%～135%过载。

对此情况,检查励磁过载下碳刷电流密度和发热等是否存在问题。该电动机碳刷牌号为MG12L,尺寸为25 mm×40 mm×65 mm,每极有8只碳刷。电动机额定励磁电流为810 A,额定电流密度为10.1 A/cm2。同步电动机集电环采用天然石墨碳刷一般允许电流密度8～12 A/cm2,电动机碳刷电流密度选用在许可范围,而电动机频繁150%过载情况下可达到或超过上限值。对比其他产线精轧机碳刷电流密度8.4 A/cm2,该电动机碳刷电流密度选择有些偏高。实测电动机在轧制高强钢等大负载情况下,碳刷电流密度接近15 A/cm2,碳刷运行温度可达80 ℃以上。

为验证碳刷在过载情况下是否存在发热膨胀量过大问题,在室温及励磁过载运行温度(80 ℃)下,对碳刷外形尺寸(厚度)、膨胀量以及刷盒内孔尺寸测量校核,结果如表2。

表2 不同温度下碳刷与刷握尺寸Table 2 Brush and brush holder size at different temperatures

试验表明,室温下碳刷原始平均厚度为24.91 mm,加热至80 ℃条件下,碳刷平均厚度为25.31 mm,碳刷膨胀量为0.40 mm,膨胀率为1.6%,明显偏高;室温下刷盒原始内孔尺寸为25.12 mm,而80 ℃时刷盒内孔尺寸为25.15 mm。碳刷与刷盒平均出现0.16 mm紧配合。而碳刷装配要求在碳刷厚度<30 mm时,碳刷和刷盒的配合间隙是0.1～0.2 mm。碳刷与刷盒间的紧配合造成碳刷的严重卡滞。

3.2 集电环电蚀原因

通过上述试验结论可以分析判断,在频繁过载(大电流、高温升)工况影响下,碳刷发热膨胀至与刷盒紧配合,碳刷在刷盒内卡滞,无法自由移动。在此情况下,随着碳刷磨损,碳刷无法自由跟随,碳刷与集电环的滑动接触压力将变小或波动,引起碳刷接触压降变化并导致碳刷电气磨损急剧增加,接触火花不可避免地产生。火花造成集电环表面电蚀、灼伤,并发展成为毛刺、凹坑。最终形成“火花大—集电环表面烧伤—滑动接触恶化—火花更大”的恶性循环,最终集电环严重电灼烧损。

针对碳刷卡滞情况,不能简单通过增加碳刷压力来克服,因为增加碳刷压力会导致机械磨损快速增加。运行中的碳刷和集电环表面存在着两种磨损:一种是机械磨损,一种是在电流作用下的电气磨损。所谓电气磨损,是指由于电弧高温和放电等因素的作用,使极面材料受到损伤、损坏的情况。而由于电气磨损影响相邻接触面,因此也会对机械磨损程度产生影响。碳刷和集电环表面的机械磨损与碳刷和集电环表面的接触压力成正比,压力大,磨损大;而碳刷和集电环表面的电气磨损与碳刷和集电环表面的接触压力成反比,压力大,磨损小。碳刷综合磨损与接触压力关系[1]见图4。

此外,同步电动机集电环与直流电动机整流子类似。集电环与碳刷表面由于水分存在,碳刷、水膜、滑环形成电解质环境。碳刷与集电环是两个电极,水膜是电解质溶液。由于电化学反应,集电环表面会形成氧化膜,氧化膜减小摩擦因数,起到良好的润滑作用,在运行过程中对集电环和电刷磨损起着非常重要的作用。研究表明[2-3],采用天然石墨碳刷的同步电动机,连接正极(阳极)碳刷的集电环,在碳刷、水膜、集电环三者电解质环境中是阴极,阴极保护原理使得集电环表面生成氧化膜,因此磨损较小;反之,连接负极性碳刷的集电环,阳极的Fe在直流电下失去电子被氧化,“阳极蒸发”效应的电化学反应损耗比机械磨损严重,因此集电环表面一般较粗糙,且碳刷磨损显著地大于正环的磨损。然而,通过对各种工况下同步电动机检查,由于环境的温湿度、油雾、灰尘,以及电流密度、温度等综合影响,并非所有电动机的集电环都存在连接负极性的环比正极性的环磨损严重的情况,甚至可能还出现相反的情况。鉴于上述情况,为了使两个集电环的使用寿命基本一致,使用时,在集电环表面状态还未明显恶化时,最好每隔半年左右的时间改变一次集电环极性。

4 对策方案

为解决该电动机存在的问题,从电动机修理改进、碳刷性能指标提升、电动机运行管理等各个方面开展了工作。

4.1 集电环修复

对于同步电动机烧灼的钢制集电环,比较彻底的修复处理方法是车削受损的集电环表面。电动机集电环安装方式分为内置式和外置式。外置式集电环在转子非负荷侧轴承座外侧,可以较为方便拆下离线进行加工处理,也可在线车削处理;而故障电动机集电环为内置式,即安装在电动机轴承座与电动机定子机座间,拆除工艺复杂,时间长,只能在线处理。

采用在线车削装置进行加工处理,首先要拆除电动机轴头编码器,利用电动机转子轴头制造工艺孔配连接法兰,再装配盘车驱动减速电动机;其次,在电动机钢底板上定位安装简易手动进刀、走刀的车削装置。采用此种在线车削装置,集电环车削处理效果好,效率高。修理后的电动机集电环圆度偏差可按表3控制。

表3 集电环圆度偏差Table 3 Roundness tolerance of slip ring

4.2 改善碳刷性能

为解决碳刷热膨胀率过大问题,通过对碳刷重新选型,材质进行改进,提高了碳刷性能。新碳刷不仅考虑了碳刷的载流密度、润滑性能、硬度等指标,还特别考虑了碳刷极限温升(120 K)膨胀率小于1%,从而确定了碳刷的原始成型尺寸。经对原始碳刷检测分析,国产碳刷采用相似的材料进行加工,且刷体侧面开槽,增强散热。新碳刷性能指标见表4。

表4 D2525F3性能指标Table 4 Characteristic of brush D252F3

4.3 降低电流密度

对集电环装置汇流排位置空间进行检查发现,可以在原有汇流排上适当增加刷握及碳刷个数以降低电流密度。定修中对每台电动机每极“C”型汇流排增加2付碳刷。增加2付碳刷以后,电动机励磁碳刷额定电流密度降低到8.1 A/mm2。这种电流密度及新型碳刷可以保证即使在频繁过载下碳刷、集电环运行温度也不至于过高,避免碳刷热膨胀卡滞的情况发生。

4.4 优化生产及轧制工艺

对于高强钢等高轧制力、高负荷生产,应优化轧制模型,均衡机架间轧制力,避免个别机架负荷过大;同时生产计划安排上避免连续大批量安排高轧制力计划,减少连续过载导致碳刷电流密度过大,碳刷过热、膨胀,碳刷与集电环间接触不良等负面影响。

5 结语

同步电动机集电环装置电蚀主要因素是碳刷、刷握、集电环等主要部件运行中出现了影响电流传递的各种问题。高的碳刷电流密度以及较高的碳刷运行温度可能导致碳刷热膨胀率过大,碳刷与刷握变成紧配合、卡滞,从而造成碳刷与集电环接触不良而电蚀。连接负极性碳刷的集电环表面“阳极蒸发”效应会增加集电环表面粗糙度,加速碳刷的磨损。提高碳刷性能,同时增加碳刷数量、降低额定电流密度,定期对正负集电环极性进行调换,可以减少集电环电蚀和碳刷磨损,确保集电环稳定运行。