汽轮发电机集电环运行状态的评估方法

史德利，李俊武，赵 博

（上海电气电站设备有限公司发电机厂，上海200240）

0 前言

汽轮发电机组大多数采用静态励磁，集电环是实现静态励磁的重要装置，它将几千安培的直流电流通过多个电刷与集电环接触传送至高速旋转的发电机转子中。

集电环运行好坏直接影响发电机组运行安全可靠性。实际上每年都有电厂发生集电环电刷温度高、打火，甚至集电环烧毁事故［1－4］。

IEC 60034-1-2004《旋转电机的定额与性能》对集电环和电刷温升 （温度）要求：不超过所用绝缘等级要求及不超过所用电刷及集电环承载电流的水平［5］；GB／T 7064-2017《透平型同步电机技术要求》要求：进风温度40℃时，集电环温升 （温度）限值为80K（120℃）［6］；《汽轮发电机运行规程》有详细集电环打火的原因及消除方法［7］，但这些还不能完全满足集电环现场运行维护要求。

集电环是大电流传输装置，须密切监测集电环温度、电刷运行状态等。集电环作为易多发故障的部件，当集电环运行状态变差时若不能及时发现风险，会导致运行恶化并面临发生环火烧毁故障的风险。因此，对集电环运行状态进行准确评估，识别出风险，并提出有针对性的检修措施，做到早发现早处理，及时将隐患消除于萌芽状态，对保证集电环安全运行避免故障具有重要意义。

目前有多种方法可对集电环运行状态进行评估，如监测集电环温度和电刷接触面温度等，但这些方法存在测量对象、方法不统一、不规范的现象，具有较大随机性和分散性，很难客观评估集电环真实运行状态。

本文提出一种集电环平均温升法来评估集电环运行状态，可准确判断集电环运行状态，有效识别集电环运行可能存在的风险。该方法简单有效，便于操作，能够减少对集电环运行状态不必要的误判，提高集电环运行维护水平。

本文从集电环相关结构、集电环发热、集电环温度测量、集电环运行状态评估方法、实际应用案例等方面进行介绍。

1 集电环相关结构

一般集电环装置由集电环和刷架组成。隔音外罩将其罩住，起到隔音降噪和形成风路的作用。每极集电环分布一定数量的电刷，将静止的直流电通过碳刷与集电环送至发电机转子绕组中，如图1所示。

图1 集电环和刷架结构

整个装置采用强迫式空气冷却，离心式风扇将碳刷和集电环产生的热量带走，从而使电刷和集电环发热达到热平衡状态。通常集电环运行温度在60～90℃，接触面最高温度在100～150℃。集电环进风为自然环境温度，夏天集电环温度高，冬季温度低。

2 集电环发热的损耗分析及影响因素

天然石墨电刷和光滑的集电环良好接触，是集电环良好运行的关键。集电环运行状态良好时，集电环表面光亮，电刷接触面有稳定的氧化膜镜面，此状态下摩擦损耗小，电气损耗小，温升低，电刷使用寿命长；反之，集电环运行状态差时，集电环表面粗糙，电刷接触面有不稳定的氧化膜镜面，如亮面重叠、沟痕等，此状态下电刷和集电环不是良好接触，摩擦损耗大，电气损耗大，温升高，电刷磨损快［8］。

2.1 损耗来源

集电环损耗由摩擦损耗、电气损耗、风摩损耗和电刷损耗等组成。每种损耗的来源及影响见表1。

表1 损耗的来源及影响

2.2 集电环损耗［9，10］

（1）摩擦损耗＝N×μ×v×n

其中，N为电刷正压力；μ为摩擦系数，取0.2；v为集电环表面线速度；n为每个集电环电刷数量。

（2）电气损耗＝ΔU×If

其中，ΔU为集电环与电刷之间接触压降，取1.5V；If为励磁电流。

（3）风摩损耗

集电环、风扇等旋转部件产生的损耗，可通过集电环空转试验测得。

（4）电刷损耗 ＝i2×ρ× （l／s）

其中，i为每个电刷通过的平均电流；ρ为电刷材料的电阻率，此处取18μΩ·m；l为电刷长度；s为电刷横截面积。该损耗所占比例较小，可忽略不计。

以某型号660MW发电机 （参数见表2）为例，计算得到：摩擦损耗为16063W，电气损耗为12942W，电刷损耗为1469W，风摩损耗为32021W（通过试验所得）。

表2 某型号660MW发电机参数

2.3 集电环发热的影响因素［11］

集电环装置采用离心式风扇通风冷却，风扇风摩损耗占总风摩损耗的绝大部分，风扇的风摩损耗通过离心式风扇出风排出，不会影响集电环发热。电刷损耗与其他损耗相比约占1／10，它影响电刷刷体温度。因此，集电环发热不考虑风摩损耗和电刷损耗，集电环主要考虑摩擦损耗和电气损耗引起的发热，且这两种发热是可变的。

2.3.1 损耗增加引起的发热

集电环表面温度、电刷接触面温度主要由摩擦损耗、电气损耗引起。当摩擦损耗和电气损耗增大时，集电环表面和电刷接触面温度也会升高。摩擦损耗和电气损耗引起的发热与集电环运行状态正相关。

（1）摩擦损耗

摩擦损耗与摩擦系数、正压力、线速度和电刷数量有关。对于一个设计好的产品，线速度和电刷数量不会变化，影响摩擦损耗的因素主要为集电环表面粗糙度、电刷材质和恒压弹簧压力。在电厂实际生产中最容易发生的是集电环表面粗糙，如检修期间集电环长时间暴露于潮湿空气中引起表面生锈，电刷质量不佳等，而由恒压弹簧压力不足引起的发热很少。

（2）电气损耗

电气损耗与电刷与集电环的接触电阻和通过电流有关。

接触电阻与集电环表面粗糙度密切相关，当集电环表面粗糙或有毛刺时，摩擦系数显著增大的同时，接触电阻也会显著增大，使摩擦损耗和电气损耗都显著增大，产生的危害极大，会导致电刷接触不良，引起集电环温度升高、打火。

运行良好的电刷表面有一层光亮的氧化面，摩擦系数很小，接触电阻也很小；运行差的电刷氧化面不完整、有重叠和划痕。

集电环表面质量与发电机转子轴径一样重要，集电环表面要求光亮 （光洁度好），不允许有毛刺和生锈。在实际应用中集电环表面保护没有引起足够的重视，特别是长时间停机检修时防护不到位，使集电环表面生锈，是集电环发热的主要因素［11，12］。

（3）其他因素

电刷材质、电刷自由度、刷盒安装位置及间隙等出现问题时，会使电刷发生卡涩、抖动，导致电刷接触不良、打火，进而破坏集电环表面，使集电环发热［8］。

综上所述，集电环表面区域是热量最集中的区域，如果集电环表面粗糙，在运行中热量极剧增加将导致集电环温度不断上升。

除了集电环表面粗糙引起电刷接触不良，电刷材质、恒压弹簧、电刷自由度、安装等因素也会引起电刷接触不良。因此，集电环发热的本质是电刷与集电环接触不良引起损耗增大，导致集电环发热、打火，而多数情况是由集电环表面粗糙引起的［13］。

2.3.2 风路不畅引起的发热

集电环采用开启式通风散热系统，当通风风路不畅，如进口滤网堵塞时，会引起集电环产生的热量不能被及时带走，导致集电环温度升高［14］。

当罩内负压增大，要立刻排查风路是否存在通风不畅。

2.3.3 其他异物引起的发热

其他异物，如油污进入或落入异物等，也会引起集电环温度升高、放电打火，甚至烧毁。

3 集电环温度测量

集电环表面区域是摩擦损耗和电气损耗产生热量最集中的区域，需确定集电环温度还是电刷接触面温度更能准确反应集电环运行状态。

3.1 集电环温度

全速或半速汽轮发电机以稳定转速3000r／min或1500r／min运行，集电环以 50r／s或 25r／s高速旋转，与其所有电刷均接触并传导电流，集电环合金钢材质具有良好导热性能，因此集电环表面温度基本均匀，集电环平均温度具有稳定可靠的特征。

集电环平均温度测量操作方便、准确可靠，只要负荷条件不变，任何时间测量集电环平均温升基本不变；而集电环最高温度具有一定的分散性和随机性，不具备稳定可靠的特征，因此用集电环平均温度表示集电环温度。

测量方法：用红外线热像仪显示屏中的测量框（大小可调节）对准集电环表面，注意测量时不要框到其他部件，如电刷、导电板等。读出测量框内平均温度，每一个集电环可测1～2处。

3.2 电刷接触面温度

从电刷电流分布可知每个电刷与集电环的接触电阻都不完全一样，电刷接触面温度具有一定分散性和随机性。电刷接触面温度在一定工况下按某一均值动态分布，因此抽取某个电刷接触面温度不适合用来反映集电环运行状态。

实际上很多电厂用电刷最高温度来反应集电环运行状态，如用热像仪测到140℃、150℃或160℃，反馈集电环温度高，但它不代表集电环存在很大的风险，特别是夏天环境温度较高时。集电环真实的运行状态、有无风险、风险等级如何，仅用集电环温度或电刷接触面温度还不能准确作出评估。

通过研究发现电刷接触面温度与集电环平均温度存在一定的关系。首先，要实现电刷接触面温度的准确测量，只能用最高温度来表示，不能用平均温度。因为热像仪测量框很难只测量接触面，很容易将温度较低的电刷、刷盒和集电环等部件包含进来，这样一来测得的电刷接触面平均温度是不准确的，而测量框只要框到接触面，读出的最高温度就是接触面最高温度。

测量方法：在能够测量的位置用热像仪将测量框将一把刷握多个电刷接触面全部框进来，读出最高温度，每个集电环测量4个刷握。将测量数据平均记作集电环电刷接触面最高温度。

根据多台机试验数据统计，集电环平均温升与电刷接触面最热点温升一般有＋（40～60）K关系。也就是测得集电环平均温度，可以推算电刷接触面最高温度平均水平。

综上所述，应用具有可操作性和准确性的集电环平均温升描述集电环运行状态，而不用电刷接触面温度，电刷接触面温度仅供参考［15］。

4 集电环运行状态评估方法

采用集电环平均温升表示集电环运行状态，能真实有效反映集电环运行状态，如同电机用温升衡量电机真实运行状态一样，具有准确可靠的特点。

只要集电环运行工况不变，如负荷、通风条件等不变，不论间隔多长时间 （如一周、一个月）测量，集电环平均温升不会改变。

4.1 集电环运行状态评估方法

一直以来没有一套方法来评估判断集电环运行状态，不能有效发现集电环运行是否存在风险和所处的风险等级。

通过对集电环产品开发、科研试验、现场运行维护的长期研究，制造厂出厂的新集电环平均温升一般在30～40K，电厂运行良好的集电环平均温升也在30～40K。而发热的集电环平均温升有的在40～50K，有的在50～60K。当诊断出集电环温升高后，通过及时检修维护，集电环平均温升又会回到30～40K的良好水平。

根据集电环平均温升发展趋势，将集电环运行状态划分为良好、合格、一般风险、较大风险4个等级，可有效预测集电环的风险大小。根据风险等级开展针对性检修，可有效指导集电环运行维护，提高运行维护效率。

该方法可有效掌控集电环运行风险等级。对风险隐患做到早发现早处理，可有效避免集电环出现故障，因为集电环发生环火故障时间很短，是来不及采取措施的［16］。

用集电环平均温升评估集电环运行状态方法见表3。

表3 用集电环平均温升评估集电环运行状态方法

若检测集电环平均温升高，首先检查风路是否通畅，若集电环进口滤网有堵塞，要及时清理滤网。其次检查集电环刷架是否有异常，如电刷自由度、电刷是否有抖动、刷盒安装间隙和位置、电刷牌号、电刷接触面等。根据集电环运行状态等级按表3检修建议处理。一般在有条件停机的情况下，重点检查集电环表面。因为集电环发热多数是由于集电环表面粗糙引起的。

4.2 集电环运行维护

（1）机组运行时

集电环分正极环和负极环，实际操作中分别测量每个集电环平均温度、电刷接触面最高温度，同时记录发电机功率、励磁电流、进风温度等数据。

根据测量数据计算集电环平均温升和电刷接触面最高温度，电刷接触面温度仅供参考。

（2）停机时

当集电环运行状态提示检修，停机时安排检修及时处理掉隐患非常必要。

停机或检修时集电环各部件暴露在空气中，易受外部环境影响，特别是长时间停机时，对集电环表面的防护尤为重要［17］。

4.3 集电环运行温度／温升限值

按GB／T 7064-2017，当集电环进风温度为40℃时，集电环温度限值120℃，集电环温升限值为80K。按该集电环温度／温升限值还不能满足集电环运行维护的要求。

集电环平均温升能真实反映集电环运行状态，跟踪其发展趋势能及时发现集电环运行有无风险、风险等级。相比国标GB／T 7064-2017提高集电环平均温升限值，具有实际可操作性，能有效确保集电环安全运行，避免故障发生。

集电环运行温度／温升限值，见表4。

表4 集电环运行温度／温升限值

5 实际应用案例

本方法已在多个电厂有成功应用案例。

国内某电厂6号机集电环温度及温升较高，较7号机高10～20K。

运行中检查发现6号机存在以下问题：（1）刷握安装存在偏心问题； （2）刷盒与集电环间隙过大（大于5mm）；（3）个别刷盒恒压弹簧与刷盒间隙偏大 （0.5～1mm）；（4）轴承侧集电环电刷有打火现象；（5）进风滤网有堵塞现象。

修理前集电环平均温升达54K，处于一般风险阶段，给出建议计划安排检修。停机后返厂检查，发现集电环表面生锈较严重，集电环表面粗糙 （如图2所示），是集电环发热的主要原因。

图2 集电环表面生锈较严重

修理方案：集电环表面车光处理［12］，刷盒重新镀银，按新机标准重新安装，并调整好各间隙。

修理后集电环平均温升为35K，降低约20K，接触面温度降低约10K。

修理前后的集电环温度数据，见表5。

表5 修理前后的集电环温度数据

本案例验证了通过集电环平均温升及时诊断出集电环运行存在问题，处于一般风险。在机组计划停机检修后及时对集电环进行了处理，使集电环恢复到良好运行状态，消除了集电环运行带来的安全隐患。

6 结论

本文提出一种集电环运行状态的评估方法，采用集电环平均温升评估集电环运行状态，将集电环运行状态划分为不同风险等级，针对不同等级给出相应的检修建议。

本方法解决了现有不能准确评估集电环运行状态的局面，具有简单有效、操作方便的特点，能及时发现集电环运行安全隐患，对运行维护、避免故障具有较大实用价值。