大橋電廠水輪發電機集電環磨損分析

車久華，劉建剛

（大橋水電開發總公司大橋電廠，四川 冕寧615600）

大橋電廠水輪發電機集電環磨損分析

車久華，劉建剛

（大橋水電開發總公司大橋電廠，四川 冕寧615600）

水輪發電機的集電環在運行十年后，其外圓直徑減少兩厘米多，而且負極滑環的磨損較正極滑環嚴重，正極碳刷的損耗較負極碳刷的損耗稍快。在直流電流的強迫作用下，接正極的材料因失去電子被氧化而從單質變為離子，接負極的材料則因得到電子而被還原，仍以單質形式存在，這就是腐蝕電池原理。利用該特性，可以對陰極材料進行保護。

水輪發電機；集電環；碳刷；磨損

大橋水庫水力發電廠位于四川省涼山彝族自治州冕寧縣境內，是安寧河流域的源頭水電站，裝機4x22.5 MW，采用東風電機廠生產的SF22.5-10/ 3250立軸混流式三相水輪發電機組，于2000年6月份投產發電，平均年發電利用小時數為3500小時。

該機組發電機轉子相關參數如下：額定勵磁電壓155 V，額定勵磁電流580 A，額定轉速600 r/min，額定頻率50 Hz，滑環外徑800 mm。

1 滑環情況介紹

大橋電廠采用計劃檢修結合狀態檢修模式。由于水輪機組氣蝕情況較嚴重，基本上每兩到三年就需要對機組進行大修以修復轉輪。在每次大修并運行一段時間后，總發現機組的集電環外圓與碳刷的接觸面出現較深的劃槽，為減小碳刷跳火和恢復碳刷與滑環接觸面的大小，電廠基本上是在每次大修時將滑環外圓接觸面重新上車床車圓并打磨光滑以滿足粗糙度的要求，導致數次大修后滑環的外圓半徑大幅縮小，增加了碳刷刷握與滑環之間的距離，碳刷可使用長度縮短，行程的增大引起彈簧壓力不夠，碳刷與滑環間的接觸壓力達不到設計要求，使得接觸電阻增加，在同等負荷情況下，發熱加劇。

2 原因分析

針對以上出現的狀況，包括筆者在內的電廠技術人員首先懷疑是碳刷質量存在問題。

碳刷相對于滑環的速度可以用以下方法求得：

V=2πRn=πdn=3.14 x 0.8 x 600/60=25.12 m/秒

由于懷疑碳刷質量滿足不了要求，炭塊中存在較粗的顆粒結構，分布又不均勻，在刷握內彈簧的壓力下，與滑環進行高速摩擦的過程中，較粗的炭粒結構在接觸面上因沖擊而出現劃痕，久而久之，形成了劃槽。于是重新更換碳刷，并對碳刷的質量進行了質檢，在確保碳刷質量符合要求的情況下重新投入運行，但幾個月之后，發現問題依然存在。經仔細觀察，發現負極滑環的磨損程度遠比正極滑環的更為嚴重，于是將正負極碳刷進行對調，再次投入運行進行觀察，最后，仍然是負極的磨損比正極嚴重，且四臺機組的集電環磨損情況基本一致。于是，排除因碳刷質量和滑環材質原因引起磨損的猜測。

在向生產廠家咨詢的過程中，根據正負極滑環磨損差別較大的現象，廠家技術人員建議在進入轉子前的直流刀閘處將正負極滑環進行定期的換極處理，以平衡兩個滑環的磨損程度,其本意是交替磨損兩極滑環，使得滑環的使用壽命延長一倍，以提高其利用率，但由此筆者想到滑環的磨損與滑環的極性很可能存在某種聯系。于是，在查閱相關資料后，想到了電化學反應引起的腐蝕。于是對滑環所處的電化學反應環境進行分析。

電廠滑環采用Q235碳鋼材質，其中c的含量為0.14%～0.22%，Mn的含量為0.3%～0.65%，以及少量的Si,S和P，而主要的成分是鐵Fe。碳刷的成分則為石墨。

水電廠的廠房往往比較潮濕，特別是電廠在三漏問題的處理上還有待加強，廠房內更為潮濕，于是具備了腐蝕電池形成的條件(圖1)。

圖1 轉子回路接線圖

由于電路中直流電流的方向為正極指向負極，而電子的運動方向正好相反，為負極指向正極，所以，轉子正極的碳刷（見圖2）接直流電的正極，作為惰性電極只起轉移電子的作用。而正極的滑環在碳刷、水膜、集電環這個環節中接的是直流電的負極，有充裕的電子供給，不會被氧化，其實質，就是陰極保護原理。只是，機械磨損形成的碳粉，在接觸面接觸電阻產生的高溫下被氧化，形成火花，并在電流作用下碳刷變得疏松，加速了其磨損的程度；而滑環在高溫下也與空氣中的氧發生氧化反應，形成氧化鐵而產生腐蝕，但腐蝕的程度較慢。

圖2 正極處不形成腐蝕電池

圖3 負極處的腐蝕電池

與正極滑環不一樣的是，在負極滑環處（如圖3），碳刷、水膜（其中含分解的少量H+和OH-）和集電環在集電環與碳刷的接觸面上形成了一個腐蝕電池。在這個電池中，滑環相對而言是接在轉子直流回路的正極，而碳刷則接在了轉子直流回路的負極，在中性環境中，正極的Fe在直流電的強迫作用下失去電子，被氧化成高價離子Fe2+,而負極的碳刷作為惰性電極，不參與反應，得以保存。其具體的化學反應如下：

陽極：Fe-2e→Fe2+

陰極：O2+2H2O+4e=4OH-

2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2俗稱吸氧反應

Fe(OH)2進一步被氧氣氧化成Fe(OH)3，部分脫水后變成Fe2O3,即鐵銹，在高速運轉中因摩擦而掉落，由于量少且分散，很難被肉眼所察覺。再加上本身高溫狀態下鐵與氧氣的氧化反應，累計的腐蝕將明顯加劇。

由于空氣中水分子分布的不均勻性，使得滑環與碳刷的接觸面上有水膜的地方形成原電池，而沒水膜的地方則不形成，所以滑環的磨損出現非全接觸面整體磨損的劃痕形狀。形成劃痕后，由于劃痕內鐵與碳的接觸面增大，更容易形成水膜而具備氧化的條件，所以劃痕將加深，比接觸平面磨損得更快。

3 結論與建議

通過以上分析，可以得出這樣的結論：

（1）負極滑環因為被氧化，所以電化學反應的結果使得滑環磨損更快，電化學反應損耗比機械磨損嚴重得多，以電化學反應為主，在同樣的機械摩擦情況下，負極的損耗比正極快得多。

（2）作為惰性電極的碳刷，主要是以機械磨損和在高溫下發生氧化反應而產生磨損的方式予以消耗，在滑環磨損較嚴重的情況下，刷握內的彈簧壓力將明顯減小，會增大接觸電阻，引起更大的發熱而導致氧化反應加劇，所以會出現碳刷越磨越快的現象。

（3）上述原因導致出現負極滑環腐蝕情況遠比正極滑環嚴重而正負極碳刷的磨損差別并不明顯的現象。

自2008年大修過后，根據廠家的提示，電廠定期對滑環極性進行調換，之后的測量數據如表1：

表1 集電環磨損情況統計表

在理論分析與實際情況對比過后筆者發現，滑環的腐蝕與碳刷的損耗情況正如分析的那樣，完全符合腐蝕電池的反應原理。因此，針對發電機集電環磨損問題，建議采用以下辦法進行處理。

其一，加強廠房三漏治理，減輕滑環所處環境的潮濕程度，降低腐蝕電池反應所需要的條件。

其二，確保滑環和碳刷的材質符合要求，滑環采用抗磨強度更高的Q345鋼材，減輕因機械磨損而造成的損害。

其三，定期調換滑環的正負極性，減慢負極滑環的磨損速度，提高滑環的使用壽命。

其四，根據法拉第電解第一定律，電解時在電極上析出和溶解掉的量與通過電極的電量成正比，所以可以通過加大碳刷與滑環的接觸面，降低電流密度以減少單位面積上被氧化的量。

注釋及參考文獻：

[1]于雙利．水輪發電機組集電環磨損及維護[J]．華章,2014(10)：7-8．

[2]蘭秀蔚．大型發電機集電環故障分析處理及對策[J]．華北電力技術,2012(10)：47-51．

[3]耿素龍,王曉陽．簡談金屬的電化學腐蝕與防腐[J]．金田,2012(5):305．

[4]史家燕,史源素,趙肖敏,等．三峽水力發電廠700MW水輪發電機故障診斷專家系統[J]．中國電力,2006(1)：63-67．

[5]邸盛永,吳慶國,龐世秋．發電機集電環故障的分析及檢修[J]．煤炭技術，2004(5)：31-32．

Analysis of the Collector Ring’s Wear of the Hydro-generator in Daqiao Power Plant

CHE Jiu-hua,LIU Jian-gang
(Daqiao Power Plant,Daqiao Hydroelectric Development Corporation,Mianning，Sichuan 615600)

Having run for ten years,the outer diameter of hydro-generator collector ring reduced more than two centimeters,the wear of negative slip ring was more serious than that of the positive slip ring,and,the wastage of the anode carbon brush was more quickly than that of the cathode carbon brush.Under the effect of direct current,the galvanic cell’s anode material was oxidized because of lost electrons and changes into ions from elementary substance,however,the cathode material is restored because of getting electronic and still exists as elemental,this is called the Corrosive Cell Principle.Using this feature,the cathode materials can be protected.

hydro-generator;collecting ring;carbon brushes;wear

TV734.2

A

1673-1891（2015）01-0032-03

2014-12-11

車久華（1976-），男，重慶榮昌人，工程師，研究方向：機電運行管理。