發電電動機滑環發出響聲的原因分析

趙貴前

（北京十三陵蓄能電廠，北京 102200）

1 某廠發電電動機及勵磁系統的主要參數

1.1 發電電動機的主要參數

額定容量：發電222 MVA/電動218 MW。

額定功率因數：發電工況為0.9(滯后)，電動工況為1.0。

額定轉速：500 r/min。

額定電壓：13.8 kV。

額定頻率：50 Hz。

調相容量：發電工況最大為154 Mvar，電動工況為100 Mvar。

最大進相容量：發電工況及電動工況為171 Mvar。

1.2 勵磁系統主要參數

空載勵磁電壓：68 V。

空載勵磁電流：1 136 A。

額定勵磁電壓：154 V。

額定勵磁電流：2 134 A。

頂值勵磁電壓：385 V。

頂值勵磁電流：4 270 A。

1.3 滑環與電刷裝置

發電電動機采用螺桿裝配式滑環，其由上層的整圓絕緣板、下層的托板及中間的2層集電滑環組成。如圖1所示，滑環外徑為1 200 mm、內徑為900 mm、高為408 mm，各滑環均由把合絕緣螺桿及絕緣支撐套管連接。為使電流密度分布均勻、降溫、碳刷粉塵散落，兩集電環外圓面均有螺旋槽，槽寬為3 mm、深為12 mm、螺距為28 mm。各環間均設風扇葉，用螺釘固定在集電環上。

與滑環配套的碳刷架為半圓式，正負導電環沿軸向上下分層平行布置，每個導電環上安裝8對杠桿式彈簧刷握，32個碳刷。碳刷最大運行尺寸：長×寬×高(深)=32×25×40 mm，最小運行尺寸：長×寬×高(深)=32×25×20 mm。

圖1 螺桿裝配式滑環結構示意

2 發電電動機滑環發出響聲的原因

2.1 滑環發出響聲的情況

該廠發電電動機C修后，對勵磁電纜進行了正負極性倒換，運行一段時間后，運行人員巡視時發現發電電動機滑環有響聲。檢查后發現，上層滑環的其中一個刷握盒邊緣有過熱熔化痕跡，對應滑環面有劃痕。測量該刷握盒邊緣與滑環間隙不到1 mm，而其他刷握盒邊緣與滑環間隙都在1.5 mm左右。用彈簧秤對所有碳刷刷握的壓緊力進行檢查，全部都在1.25～1.5 kg之間。對故障刷握盒作磨平處理，并對滑環劃痕作打磨光滑處理，同時對故障刷握盒邊緣與滑環間隙，以及其他全部刷握盒邊緣與滑環間隙作檢查調整，但投入運行不長時間后滑環又出現了響聲，而且響聲仍然來自上層滑環(在空轉不加勵磁時無響聲，當加勵磁電流時出現響聲)。

2.2 發電電動機滑環響聲的起因分析

2.2.1 最初的響聲起因

正負極性倒換后，上層滑環原來的正極性碳刷變成了負極性碳刷，相對應的滑環則變成了正極性，從而使得大量的金屬粒子和機械磨損的碳粉向碳刷方向聚集。在風扇的吹拂下，一部分粉塵被吹到了過濾網上，另一部分粉塵則落在相鄰的部件上。由于故障刷握盒的邊緣與滑環距離太近(間隙不到1 mm)，粉塵很容易就會堆積起來，并斷續地對滑環一定部位放電；使滑環這一部位由于電灼傷而變得不平，出現高點，繼續與粉塵不斷堆積的故障刷握盒邊緣放電而使刷握邊緣熔化，同時伴隨有響聲。由于發現及時，沒有造成較大的事故。而下層滑環由于是負極性，碳粒、石墨離子遷移到滑環表面，對滑環表面的氧化膜有強化作用；大部分多余的粉末則通過表面的螺旋槽被風扇吹走。經檢查，下層滑環運行情況良好，無過熱、無響聲。

2.2.2 處理后的滑環仍出現響聲的原因

在碳刷架及刷握固定良好，接線無松動斷開，滑環固定及擺度正常的情況下，引起滑環產生響聲的可能因素有以下幾點：

(1) 碳刷質量不佳，顆粒粗硬，甚至含有少量如金剛砂之類的硬質顆粒，在碳刷與滑環表面相對運動時產生刮割和拉?。?/p>

(2) 刷握盒邊緣與滑環間距太小，出現刮蹭或因碳粉堆積而放電，造成滑環面受損；

(3) 碳刷壓力不夠，碳刷與滑環表面接觸不實；

(4) 碳刷表面與滑環吻合面不到75 %；

(5) 碳刷在刷握盒內卡澀，不能靈活運動；

(6) 刷握盒固定松動或彈簧斷裂等；

(7) 滑環面磨損大，表面氧化膜被破壞，出現了一定程度的糙化。

但在對故障刷握和滑環面進行處理后，滑環仍再次出現響聲。經檢查后發現，上述前6項產生響聲的原因完全可以排除。因此，出現響聲的原因可能就是“滑環面磨損大，表面氧化膜被破壞，出現了一定程度的糙化”。因為上層滑環表面出現過劃痕且作了處理(用油石打磨)，使得原來的氧化膜遭到破壞，并且C修倒換極性后，故障滑環(上層滑環)變成了正極性，加重了滑環的電氣磨損，使新的氧化膜的形成存在困難。

在電流的作用下，滑環與碳刷間不僅有機械磨損，還有電氣磨損。所謂電氣磨損，指的是由于電弧高溫和放電等因素的作用，使極面材料受到損壞的情況。并且由于電氣磨損影響極面，所以也會對機械磨損的程度產生影響，兩者相互“促進”。電流通過碳刷和滑環的接觸面時，因直接傳導的部位不斷變動，且電流密度很大，會造成一些點的溫度很高；同時又由于電弧的高溫作用，使兩側極面局部熔化、脫落，金屬變成金屬蒸汽，碳刷結構松化，受氧化腐蝕而脫落，此即電氣磨損的表現。但是，極性不同，磨損的情況也是不一樣的。在電弧作用下，陽極(正極)表面局部灼熱而蒸發出“金屬蒸汽”，使陽極表面損蝕，這叫“陽極蒸發”；陰極(負極)因受正離子撞擊和高溫作用而發射電子，使陰極表面遭受破壞，這叫“陰極粉化”。

由于陽極蒸發和陰極粉化的作用，碳刷和滑環由于電流方向不同會出現極性差別。當電流由碳刷流向滑環時，此時碳刷為正極，滑環為負極，則結果是：碳刷面上發生微小程度的陽極蒸發，碳粒、石墨離子遷移到滑環表面，碳刷有電氣磨損；滑環表面有輕微的陰極粉化，并附著碳粒、石墨，形成潤滑、光澤的鏡面。此時滑環表面平滑，機械磨損較小。當電流由滑環流向碳刷時，此時碳刷為負極，滑環為正極，則結果是：碳刷面上發生陰極粉化，電氣磨損小；滑環表面發生陽極蒸發，大量金屬蒸發使其表面損蝕嚴重；同時，這些金屬粒子也易附著于碳刷面上，使滑環表面嚴重磨損，出現劃痕。實際情況也完全如此，上層滑環為陽極(正極性)，在很大的勵磁電流作用下，電氣磨損、機械磨損都很大，并產生惡性循環，在滑環表面原有氧化膜被破壞的情況下變得更加粗糙，從而響聲不斷。

3 滑環響聲的處理措施

(1) 將勵磁電纜正負端在勵磁功率柜內進行極性倒換，使上層滑環變為負極性。這樣，碳粒、石墨離子就會遷移到滑環表面上，使滑環表面氧化膜得以修復，糙化下降，形成潤滑、光澤的鏡面。在上層滑環極性倒換后，開機試驗，響聲停止；紅外成像測溫顯示滑環溫度正常。

(2) 上下滑環極性倒換后，下層滑環受到的電氣磨損將加重，在一定的時間內會變得粗糙，也可能會發出響聲，因此需要定期倒換極性。

(3) 應對滑環響聲的維護措施及需定期檢查的項目如下：

① 檢查刷握盒的固定及邊緣與滑環的間隙符合要求(該廠要求在1.2～1.5 mm)；

② 檢查刷握彈簧，保證碳刷壓緊力在合理的范圍內（該廠使用彈簧秤檢查，緊力在1.25～1.5 kg之間)；

③ 定期倒換滑環極性，以減小滑環磨損，確?；h表面氧化膜不被破壞；

④ 使用質量符合要求的碳刷，更換碳刷時要對碳刷表面進行整形，使之與滑環面吻合；

⑤ 定期清理滑環與刷握盒邊緣間隙處堆積的碳粉，及時清理、更換濾網。