調相機集電環刷架的結構設計

安鵬慧　任木堯

【摘??要】集電環-刷架系統的設計主要從以下兩個方面考慮：（1）結構設計。刷架系統在運行過程中會受到來自基礎傳來的振動，同時電刷在運行過程中會受到來自集電環旋轉而帶來的外力作用，進而作用在刷架系統上，而電刷在運行過程中的穩定性要求很高，否則極易產生電刷破損、電流不均，進而過熱而導致燒毀等事故，影響了調相機的安全可靠運行。（2）通風系統設計。電刷與集電環在運行過程中會產生摩擦損耗和電氣損耗而導致發熱，需要將電刷和集電環的運行溫度控制在一定范圍內，這就需要采取有效的通風冷卻來降低運行溫升，確保集電環-刷架系統的正常運行。

【關鍵詞】相機;集電環刷;結構設計

1?結構設計

1.1?結構概況

調相機刷架主要包括底架、隔音罩、風扇、風扇罩等部件，各部件主要功能如下：（1）底架。底架由鋼板焊接而成，用于支撐整個刷握裝配以及勵磁引線的固定、氣封管的布置等。（2）刷握裝配。刷握裝配由導電板、支撐板、絕緣座、刷握及電刷組成，是刷架系統的核心部件;由導電板、支撐板、絕緣座組成刷握的支撐系統，其穩定性對于電刷的運行安全有很大影響，而刷握和電刷的選擇則是刷架的設計核心。（3）隔音罩及端板。隔音罩由鋼板焊接制成，為箱式結構，其除用于阻隔空氣中灰塵、降低集電環和集電環風扇處的噪音等級及防護集電環刷架外，還參與構成集電環和集電環風扇處的通風回路。在隔音罩的設計中，為了安裝、檢修維護、以及布置外部風路的方便，一般應將隔音罩設計得較為寬敞，內壁設計有吸隔音材料罩，能將集電環部分的噪聲降低到85dB（A），滿足國技術協議的要求。

1.2?設計參數

額定轉速：3000/min;集電環外徑（mm）：355;集電環寬度（mm）：190;集電環表面線速度：55m/s;額定勵磁電流：2381A;電刷的尺寸（mm）：25.4×38.1×100;電刷的數量：80只;額定工況電刷電流密度：6.24A/cm2。

1.3?集電環結構

集電環通過熱套裝配在轉軸上，同時兩集電環之間還熱套有離心式風扇，其主要設計原則如下：（1）集電環材質采用50Mn，通過良好的熱處理工藝，使其具有良好的導電性能、合適的硬度、機械性能和耐磨性能;（2）集電環的外徑應盡量的降低，以電刷在集電環表面運行時的線速度，同時要求集電環表面具有較高的光潔度，以降低摩擦損耗;（3）為加強集電環冷卻、減小電刷電流分配不均勻性，可在集電環表面車螺旋槽，并沿集電環軸向打斜孔。螺旋槽迫使集電環表面每一部分輪流導電，負荷均勻，又迫使每一部分輪流斷開，使其得到冷卻機會，減少局部過熱，螺旋槽可使刷下氣壓正常，減少電刷接觸的差異，螺旋槽可使碳粉逸出，改善了運行條件;（4）集電環發熱是由摩擦產生的損耗和通過集電環電流產生的損耗引起的，而風摩損耗很小，可忽略不計。在摩擦損耗計算中電刷面積和集電環線速度是常數，起主要作用的是摩擦系數和電刷壓力，因此在選用電刷時應使其摩擦系數盡可能小，在不冒火的情況下應盡量減少彈簧壓力，這對減少集電環和碳刷的損耗，發熱都是有宜的;電氣損耗可理解為接觸表面的電壓降損耗，當勵磁電流為常數時，電氣損耗與電刷壓降成正比，為減少電氣損耗應盡可能選用壓降低的電刷。

圖1?調相機集電環-刷架結構

經計算各項損耗數據如下：Q摩擦損耗=12.4kW;Q電氣損耗=5.95kW;Q總損耗=18.44kW。各項損耗數據相對常規水氫冷300MW機組偏小些，約為其90%。

1.4?刷握和電刷的選擇

調相機刷握采用雙卷恒壓彈簧結構，以避免電刷受力點偏心、電刷在刷盒內受阻等問題，使之在運行中，電刷和滑環之間能夠產生較小的滾動摩擦力，避免電刷和刷握受熱，而且兩個彈簧卷壓力均勻，無論電刷磨損角度大小，受力均相同。

電刷與恒壓彈簧接觸位置設置有絕緣墊，避免恒壓彈簧受熱而軟化，同時電刷材料選擇天然石墨，使其具有允許線速度高、壓降低、換向能力強、摩擦系數小、耐磨損、容易建立氧化膜等特點，其主要性能如下：（1）允許電流線速度90m/s;（2）允許電流密度：<13A/cm2;（3）允許彈簧壓力：14N。

1.5?刷握支撐系統

調相機的刷握支撐系統主要由以下三方面組成：（1）上部。刷握與導電板（銅制）、支撐板（鋼制）通過緊固件，在軸向上固定在一起;（2）中部。導電板、支撐板通過緊固件，在垂直方向上與絕緣座固定在一起;（3）底部。絕緣座通過緊固件，在垂直方向上與底架固定在一起。

相對傳統機組上采用絕緣板作為支撐板結構，該支撐系統使用金屬支撐板、超厚絕緣座的配合型式，既能提高裝配穩固性，也能提高裝配精度，同時降低現場安裝時的裝配工作量。因其具備較高的穩固性及精度，能夠避免刷盒安裝不正、電刷與集電環接觸不穩定，引起電刷電流分配不均勻等問題。

2?通風系統設計

集電環-刷架通風系統基本采用軸向通風，通過在集電環部分的軸上安裝離心式或軸流式風扇來驅動空氣的流動;離心式風扇能夠產生較高的壓頭，因此主要用在集電環損耗較大的大容量機組上，而軸流式風扇則用于集電環損耗較小的小容量機組上。

2.1?通風系統的分類

根據冷卻氣體的流動方向，可以分為抽風式和壓風式兩種結構，對于抽風式，冷卻氣體先經過集電環，再通過風扇排出，相反則為壓風式，無論是抽風式、還是壓風式均是根據進出風的位置，可以分為“上進上出”、“上進下出”、“下進下出”三種形式，以往老機組基本都采用“下進下出”的形式，經過多年的運行經驗總結來看，該種形式還是存在一定弊端的。

2.2?調相機的通風系統

調相機的集電環外徑（φ355mm）相對常規水氫冷300MW機組（φ380mm）偏小些，勵磁電流同樣偏小，經計算總損耗為18.44kW，并不算大，為保證足夠的冷卻裕度，其通風系統仍采用離心式風扇，并且采取“上進上出”的抽風式是通風結構，整個冷卻風路是從隔音罩側面開設的進風口進風，進入隔音罩密封的腔體內，在兩集電環間離心風扇的作用下，對集電環和電刷進行冷卻，經風扇罩進入隔音罩出風道內，最終從隔音罩上方排出。其主要設計特點如下：（1）轉子勵磁引線布置與進風口分離相互不干涉，保證足夠的進風面積;（2）底架不參與風路設計，結構設計簡單，只需保證足夠的剛強度;（3）進、出風口設計在隔音罩上，安裝維護比較方便;（4）離心式風扇，風量大、風路段、負壓小，通風冷卻能力強，集電環和碳刷溫升低。

3?結語

介紹300Mvar調相機集電環刷架系統的結構設計，從中可以看出該集電環-刷架系統在結構設計、通風設計上采用了先進的設計理念，各項運行參數均在合理區間內，通風系統的設計裕度較大，能夠保證該系統的可靠運行。

參考文獻：

[1]謝玉增，劉慶河，等.300MW汽輪發電機隔音刷架的改進要求[J].大電機技術，1995.1.

[2]史德利，蔡納新，劉洋，等.300MW汽輪發電機轉子集電環刷架部分結構優化[J].大電機技術，2001.5.

[3]許實章.電機學[M]，北京：機械工業出版社，1981.

[4]中國國家標準化委員會.GB/T?7064?隱極同步發電機技術要求[S].北京：中國標準出版社，2018.

（作者單位：中海油天津化工研究設計院有限公司）