水輪發電機刷架裝置過熱缺陷分析及優化改造

李香華，耿乾坤，單文建（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

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水輪發電機刷架裝置過熱缺陷分析及優化改造

李香華，耿乾坤，單文建
（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

摘要：針對某水電站水輪發電機刷架裝置過熱缺陷，從設備結構和故障現象分析其原因，研究提出了通流鋼導體接觸面鍍銀技術，并在電站全部機組刷架裝置進行了刷架鍍銀等全面優化改造，通過改造前后刷架主要性能對比分析，對改造實施效果進行了驗證，對高溫導電接觸面性能改善有較高的借鑒意義。

關鍵詞：刷架；過熱；鍍銀

0前言

水輪發電機滑環裝置由集電環、電刷、刷握、刷架等構成，其作用是通過靜止的電刷和旋轉的集電環環面的接觸，將勵磁電流送入轉子繞組。滑環裝置性能的好壞直接影響到發電機勵磁電流是否能順利送入轉子繞組，從而影響發電機的穩定運行。國內某水電站裝有我國20世紀80年代初期自行設計、自行生產的軸流轉槳式水輪發電機組，為典型立軸半傘式結構，其滑環裝置布置在導軸承上面，上方裝有受油器。近年來，多臺機組刷架接觸面出現過熱缺陷，嚴重影響發電機安全穩定運行。

1集電環刷架過熱缺陷原因分析

1.1發電機刷架結構及過熱理論分析

電站機組刷架采用分瓣結構，上下環各分為3瓣，每瓣之間用帶絕緣的螺栓進行緊固，刷架連接結構示意圖如圖1所示。

圖1發電機刷架連接結構示意圖

根據電流流過導體時發熱量計算 可以看出，在單位時間內導體發熱量與其通過的電流及導體的電阻有關，而對于發電機勵磁系統而言，發電機運行狀態保持穩定的情況下，勵磁電流變化不大，因此，刷架過熱的主要原因在于刷架電阻偏大，缺陷發生在刷架連接處，其主要原因在于刷架連接處接觸電阻過大。當刷架接觸面接觸電阻由于某種因素如接觸表面狀況不良、氧化程度嚴重、接觸壓力較小、有效接觸面積減小而增大時，其發熱量（溫度）將相應增大，電阻由于熱效應也會相應增大，電阻增大又使溫度增加，如此惡性循環，將使接觸面的溫升過高，出現過熱缺陷。

1.2刷架連接處接觸電阻過大原因分析

電氣設備接頭的接觸電阻除與環境溫度和通過的電流有關外，還與接觸面的接觸材料、接觸表面狀況（粗糙程度）、接觸面積的大小、接觸表面氧化程度以及接觸壓力等因素有關。由刷架連接結構可以初步分析，刷架接頭處的接觸電阻大與刷架搭接面光潔度不夠、刷架搭接處螺栓松動、絕緣件強度不夠等原因有關。

1.2.1刷架搭接面光潔度不夠

刷架通常用Q235鋼板制作，在長期通電情況下，在刷架搭接處可能會存在局部氧化現象，從而導致搭接面的接觸電阻增大。同時環境中的碳粉油膩、塵埃、潮氣等也可能會使刷架接觸面產生較大的膜

1.2.2刷架搭接處固定方式的設計缺陷

由圖1可以看出，兩片分瓣刷架連接處緊固件的主要受力點為下端的緊固螺帽和螺栓上端的絕緣柱止口，而整段螺栓絕緣柱作用在刷架及絕緣平墊上的面積較小，且止口內外徑材料均為環氧絕緣材料，環氧絕緣材料的強度及耐磨程度遠小于刷架的金屬材料，因此，在機組長期運行的情況下，由于機組的振動擺動等原因，導致螺栓絕緣柱止口逐漸磨損，可引起分瓣刷架之間緊固力減弱，搭接面不能完全接觸，從而導致接觸電阻增大，進而引起搭接面過熱現象。機組投入運行多年后，絕緣止口磨損在所難免，這也是多臺機組刷架出現過熱缺陷的一個重要原因。

1.2.3絕緣件強度不夠引起的刷架搭接不緊固

由刷架連接結構可以看出，刷架上下端采用的絕緣墊圈均為環氧絕緣材料，且下端絕緣墊圈緊貼緊固螺帽，承受刷架連接處的主要緊固力，考慮到原環氧絕緣材料為B級絕緣，硬度不是很大，在長期運行振動過程中，承受緊固力的絕緣墊圈出現磨損凹陷變形現象，同樣可以導致兩片分瓣刷架搭接面不能完全接觸，從而致使接觸電阻增大，進而引起搭接面出現過熱現象。

1.2.4刷架接頭處搭接面碳粉堆積及油霧現象

機組滑環室上端裝有機組受油器，機組運行過程中，刷架上由于碳刷磨損會造成碳粉堆積，同時，受油器在運行過程中可能存在油霧情況，碳粉與油霧粘合形成碳粉油膩，影響刷架散熱，同時刷架接觸面有松動情況時，碳粉油膩將會進入松動的接觸面內，影響導電性能，促使刷架過熱氧化。

2優化改造方案的確定及實施

2.1通流鋼導體接觸面鍍銀技術研究及方案確定

刷架對導電性能要求高，且運行溫度較高，運行環境惡劣，要徹底解決刷架接觸面氧化過熱缺陷，提高導電性和耐溫程度，可以對接觸面進行鍍銀處理。

由于鐵與銀的電位相差懸殊（銀的標準電極電位為+0.799 1 V，鐵為-0.440 V），銀對鐵而言屬陰極性鍍層，在銀層不可避免有孔隙或損傷的情況下，往往達不到對鋼鐵件的防護作用，故鋼鐵件不適宜直接鍍銀，應根據產品要求選擇合適的預鍍層。由于刷架對導電性能要求較高，因此選擇了結晶細致的鍍銅作為預鍍層，但由于鐵與銅的標準電位相差也較大（銅的標準電極電位為0.337 V），鋼鐵件鍍銅時易生成疏松甚至是粉末狀銅層，造成鍍層與基體結合不良，而由于鐵與鎳的標準電位相近，只要鋼鐵基體與浸鎳液接觸，就發生置換反應，生成致密的鎳層，故鋼鐵件可先預鍍鎳再鍍銅，從而有效解決鋼件鍍銅結合力問題；同時由于刷架長期在高溫環境下運行，為防止銀層擴散形成脆性較大的銀-銅合金，增強結合力，電鍍過程采取了鍍鎳后鍍銅再預鍍銀最后鍍銀的方法，在通電環境下既保證了導電性能又保證良好防護性能。

在研究通流鋼導體接觸面鍍銀技術可行的基礎上，確定對電站機組刷架裝置搭接面全部進行鍍銀改造，并同時采取了接觸面加固改造等優化改造措施。具體處理措施為：刷架接觸面打磨、拋光并做鍍銀處理；刷架絕緣件更換升級為H級絕緣；針對機組刷架搭接具體結構不同，采取增加刷架穿心螺桿外包絕緣直徑并專門設計制作專用金屬墊片，或采取在上下搭接面配孔加裝螺桿固定等方式，加強刷架接觸面緊固程度，解決絕緣件及止口磨損嚴重的問題。

2.2項目改造實施及工藝控制

2.2.1刷架打磨拋光及鍍銀過程控制

為保證鋼件鍍銀工藝，首先應降低表面粗糙度，保證工件表面無砂眼、裂縫、毛刺、飛邊等質量問題的存在，鍍銀前對鍍銀面進行了打磨拋光處理，整個打磨拋光過程均在磨床上進行精磨，刷架打磨拋光合格后方可進行后續鍍銀處理；鍍銀前還對刷架接觸面進行除油等預處理，以確保鍍層均勻，結合牢固，無缺陷。

鋼鐵件電鍍銀的工藝與銅件電鍍工藝大致相同，僅是鍍層的厚度要求有所不同，主要是鍍銅的厚度和鍍銀的厚度都要增加，減少鍍層的孔隙率，以防止產生點蝕現象。按照理論分析，鍍鎳15 min，鍍層厚度約3～5 μm；鍍銅20 min，鍍層厚度約5～8μm；鍍銀90～100 min，鍍層厚度約15～20 μm，鍍銀結束后使用磁性測厚儀對整個鍍層厚度進行檢測，鍍層總厚度控制在20～25 μm。

2.2.2刷架回裝過程控制

刷架加工確保鍍銀面均勻、平整、結合牢固、鍍層無缺陷，刷架回裝時對搭接面是否平整以及閉合是否嚴密進行仔細檢查，接觸合縫用0.05 mm的塞尺檢查，深度不應大于5 mm。

3改造前后刷架主要性能對比

3.1改造前后刷架接觸面粗糙度對比

改造前對存在過熱缺陷的機組刷架打開進行檢查，均發現搭接面存在粗糙、氧化現象，粗糙度嚴重超標。對刷架接觸面進行打磨、拋光處理合格后，對接觸面進行鍍銀處理，鍍銀后接觸面均勻平整。

為精確對比刷架改造前后接觸面粗糙度，機組刷架改造前后使用粗糙度儀對接觸面表面粗糙度進行測試，由測試數據對比可以看出，改造前粗糙度最大可達到10.5 μm，改造后粗糙度最大數據僅為0.989 μm，每一個接觸面改造前后粗糙度均有所改善。圖2為電站部分機組刷架改造前后粗糙度對比圖。

圖2部分機組刷架改造前后粗糙度對比（單位μm）

3.2改造前后刷架接觸面接觸電阻測試對比

項目實施前后，對部分機組刷架接觸面接觸電阻也進行了測試，其改造前后接觸面接觸電阻測試數據見表1。

表1 部分機組刷架改造前后接觸面接觸電阻對比 （單位μΩ）

由表1中接觸電阻測量數據對比可以看出，改造前接觸電阻最大可達到1 869μΩ，改造后接觸電阻最大數據僅為45.87μΩ，由數據對比可以看出，改造前后刷架接觸電阻所有改善。

3.3改造前后刷架接觸面溫度分析

3.3.1曾出現過熱缺陷機組改造前后刷架運行情況分析

以曾出現嚴重過熱的A機組為例，對改造前后測溫數據進行對比分析，兩次測溫數據對比見表2。

表2A機組改造前后刷架接觸面測溫數據對比

對表2數據對比可以看出，A機組改造前出現嚴重過熱，改造后過熱現象消失，盡管負荷及勵磁電流變大，接觸面溫度及溫升明顯下降，且運行狀況良好。

3.3.2未出現過熱缺陷機組改造前后刷架運行情況分析

以未出現刷架過熱現象的B機組為例，對改造前后測溫數據進行對比分析，兩次測溫數據對比見表3。

表3B機組改造前后刷架接觸面測溫數據對比

表3數據可以看出，未出現刷架過熱現象的B機組，改造后盡管負荷及勵磁電流變大，但仍可以明顯看出改造后刷架接觸面最高溫度及溫升均下降，刷架溫度趨于均勻。可見，通過改造，刷架運行狀況得到改善。

4結語

水輪發電機組滑環裝置刷架材質通常采用鋼材，且多為分瓣結構，在長時間運行后，總會出現氧化過熱現象，同時，長期振動也會致使接觸面松動而過熱，影響刷架裝置安全運行，也影響到電刷電流的均勻分布，從而影響機組安全穩定運行。通過打磨、鍍銀及加固等措施，可較好改善刷架接觸面粗糙度、緊固程度及導電性能，效果較好。特別在鋼材上采取先鍍鎳后鍍銅再鍍銀的方式，既能確保接觸面導電性能，又能保證鍍層的結合力，運行多年后檢查接觸面無鍍層脫落、起皮現象，在高溫導電接觸面性能改善方面有較高的借鑒意義。

中圖分類號：TM312

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）06-0052-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.018

收稿日期：2016-03-03

作者簡介：李香華（1981-），男，高級工程師，從事水輪發電機電氣一次部分檢修技術管理工作。電阻和化學腐蝕，增大接觸電阻，化學腐蝕還會進一步加重其氧化程度，造成該處的接觸電阻進一步增大。打開刷架過熱點，發現搭接面均存在粗糙、氧化現象，光潔度嚴重不夠，分析此為刷架過熱缺陷頻出的一個主要原因。