汽輪發電機集電環運行狀態的評估方法

史德利，李俊武，趙 博

（上海電氣電站設備有限公司發電機廠，上海200240）

0 前言

汽輪發電機組大多數采用靜態勵磁，集電環是實現靜態勵磁的重要裝置，它將幾千安培的直流電流通過多個電刷與集電環接觸傳送至高速旋轉的發電機轉子中。

集電環運行好壞直接影響發電機組運行安全可靠性。實際上每年都有電廠發生集電環電刷溫度高、打火，甚至集電環燒毀事故［1－4］。

IEC 60034-1-2004《旋轉電機的定額與性能》對集電環和電刷溫升 （溫度）要求：不超過所用絕緣等級要求及不超過所用電刷及集電環承載電流的水平［5］；GB／T 7064-2017《透平型同步電機技術要求》要求：進風溫度40℃時，集電環溫升 （溫度）限值為80K（120℃）［6］；《汽輪發電機運行規程》有詳細集電環打火的原因及消除方法［7］，但這些還不能完全滿足集電環現場運行維護要求。

集電環是大電流傳輸裝置，須密切監測集電環溫度、電刷運行狀態等。集電環作為易多發故障的部件，當集電環運行狀態變差時若不能及時發現風險，會導致運行惡化并面臨發生環火燒毀故障的風險。因此，對集電環運行狀態進行準確評估，識別出風險，并提出有針對性的檢修措施，做到早發現早處理，及時將隱患消除于萌芽狀態，對保證集電環安全運行避免故障具有重要意義。

目前有多種方法可對集電環運行狀態進行評估，如監測集電環溫度和電刷接觸面溫度等，但這些方法存在測量對象、方法不統一、不規范的現象，具有較大隨機性和分散性，很難客觀評估集電環真實運行狀態。

本文提出一種集電環平均溫升法來評估集電環運行狀態，可準確判斷集電環運行狀態，有效識別集電環運行可能存在的風險。該方法簡單有效，便于操作，能夠減少對集電環運行狀態不必要的誤判，提高集電環運行維護水平。

本文從集電環相關結構、集電環發熱、集電環溫度測量、集電環運行狀態評估方法、實際應用案例等方面進行介紹。

1 集電環相關結構

一般集電環裝置由集電環和刷架組成。隔音外罩將其罩住，起到隔音降噪和形成風路的作用。每極集電環分布一定數量的電刷，將靜止的直流電通過碳刷與集電環送至發電機轉子繞組中，如圖1所示。

圖1 集電環和刷架結構

整個裝置采用強迫式空氣冷卻，離心式風扇將碳刷和集電環產生的熱量帶走，從而使電刷和集電環發熱達到熱平衡狀態。通常集電環運行溫度在60～90℃，接觸面最高溫度在100～150℃。集電環進風為自然環境溫度，夏天集電環溫度高，冬季溫度低。

2 集電環發熱的損耗分析及影響因素

天然石墨電刷和光滑的集電環良好接觸，是集電環良好運行的關鍵。集電環運行狀態良好時，集電環表面光亮，電刷接觸面有穩定的氧化膜鏡面，此狀態下摩擦損耗小，電氣損耗小，溫升低，電刷使用壽命長；反之，集電環運行狀態差時，集電環表面粗糙，電刷接觸面有不穩定的氧化膜鏡面，如亮面重疊、溝痕等，此狀態下電刷和集電環不是良好接觸，摩擦損耗大，電氣損耗大，溫升高，電刷磨損快［8］。

2.1 損耗來源

集電環損耗由摩擦損耗、電氣損耗、風摩損耗和電刷損耗等組成。每種損耗的來源及影響見表1。

表1 損耗的來源及影響

2.2 集電環損耗［9，10］

（1）摩擦損耗＝N×μ×v×n

其中，N為電刷正壓力；μ為摩擦系數，取0.2；v為集電環表面線速度；n為每個集電環電刷數量。

（2）電氣損耗＝ΔU×If

其中，ΔU為集電環與電刷之間接觸壓降，取1.5V；If為勵磁電流。

（3）風摩損耗

集電環、風扇等旋轉部件產生的損耗，可通過集電環空轉試驗測得。

（4）電刷損耗 ＝i2×ρ× （l／s）

其中，i為每個電刷通過的平均電流；ρ為電刷材料的電阻率，此處取18μΩ·m；l為電刷長度；s為電刷橫截面積。該損耗所占比例較小，可忽略不計。

以某型號660MW發電機 （參數見表2）為例，計算得到：摩擦損耗為16063W，電氣損耗為12942W，電刷損耗為1469W，風摩損耗為32021W（通過試驗所得）。

表2 某型號660MW發電機參數

2.3 集電環發熱的影響因素［11］

集電環裝置采用離心式風扇通風冷卻，風扇風摩損耗占總風摩損耗的絕大部分，風扇的風摩損耗通過離心式風扇出風排出，不會影響集電環發熱。電刷損耗與其他損耗相比約占1／10，它影響電刷刷體溫度。因此，集電環發熱不考慮風摩損耗和電刷損耗，集電環主要考慮摩擦損耗和電氣損耗引起的發熱，且這兩種發熱是可變的。

2.3.1 損耗增加引起的發熱

集電環表面溫度、電刷接觸面溫度主要由摩擦損耗、電氣損耗引起。當摩擦損耗和電氣損耗增大時，集電環表面和電刷接觸面溫度也會升高。摩擦損耗和電氣損耗引起的發熱與集電環運行狀態正相關。

（1）摩擦損耗

摩擦損耗與摩擦系數、正壓力、線速度和電刷數量有關。對于一個設計好的產品，線速度和電刷數量不會變化，影響摩擦損耗的因素主要為集電環表面粗糙度、電刷材質和恒壓彈簧壓力。在電廠實際生產中最容易發生的是集電環表面粗糙，如檢修期間集電環長時間暴露于潮濕空氣中引起表面生銹，電刷質量不佳等，而由恒壓彈簧壓力不足引起的發熱很少。

（2）電氣損耗

電氣損耗與電刷與集電環的接觸電阻和通過電流有關。

接觸電阻與集電環表面粗糙度密切相關，當集電環表面粗糙或有毛刺時，摩擦系數顯著增大的同時，接觸電阻也會顯著增大，使摩擦損耗和電氣損耗都顯著增大，產生的危害極大，會導致電刷接觸不良，引起集電環溫度升高、打火。

運行良好的電刷表面有一層光亮的氧化面，摩擦系數很小，接觸電阻也很??；運行差的電刷氧化面不完整、有重疊和劃痕。

集電環表面質量與發電機轉子軸徑一樣重要，集電環表面要求光亮 （光潔度好），不允許有毛刺和生銹。在實際應用中集電環表面保護沒有引起足夠的重視，特別是長時間停機檢修時防護不到位，使集電環表面生銹，是集電環發熱的主要因素［11，12］。

（3）其他因素

電刷材質、電刷自由度、刷盒安裝位置及間隙等出現問題時，會使電刷發生卡澀、抖動，導致電刷接觸不良、打火，進而破壞集電環表面，使集電環發熱［8］。

綜上所述，集電環表面區域是熱量最集中的區域，如果集電環表面粗糙，在運行中熱量極劇增加將導致集電環溫度不斷上升。

除了集電環表面粗糙引起電刷接觸不良，電刷材質、恒壓彈簧、電刷自由度、安裝等因素也會引起電刷接觸不良。因此，集電環發熱的本質是電刷與集電環接觸不良引起損耗增大，導致集電環發熱、打火，而多數情況是由集電環表面粗糙引起的［13］。

2.3.2 風路不暢引起的發熱

集電環采用開啟式通風散熱系統，當通風風路不暢，如進口濾網堵塞時，會引起集電環產生的熱量不能被及時帶走，導致集電環溫度升高［14］。

當罩內負壓增大，要立刻排查風路是否存在通風不暢。

2.3.3 其他異物引起的發熱

其他異物，如油污進入或落入異物等，也會引起集電環溫度升高、放電打火，甚至燒毀。

3 集電環溫度測量

集電環表面區域是摩擦損耗和電氣損耗產生熱量最集中的區域，需確定集電環溫度還是電刷接觸面溫度更能準確反應集電環運行狀態。

3.1 集電環溫度

全速或半速汽輪發電機以穩定轉速3000r／min或1500r／min運行，集電環以 50r／s或 25r／s高速旋轉，與其所有電刷均接觸并傳導電流，集電環合金鋼材質具有良好導熱性能，因此集電環表面溫度基本均勻，集電環平均溫度具有穩定可靠的特征。

集電環平均溫度測量操作方便、準確可靠，只要負荷條件不變，任何時間測量集電環平均溫升基本不變；而集電環最高溫度具有一定的分散性和隨機性，不具備穩定可靠的特征，因此用集電環平均溫度表示集電環溫度。

測量方法：用紅外線熱像儀顯示屏中的測量框（大小可調節）對準集電環表面，注意測量時不要框到其他部件，如電刷、導電板等。讀出測量框內平均溫度，每一個集電環可測1～2處。

3.2 電刷接觸面溫度

從電刷電流分布可知每個電刷與集電環的接觸電阻都不完全一樣，電刷接觸面溫度具有一定分散性和隨機性。電刷接觸面溫度在一定工況下按某一均值動態分布，因此抽取某個電刷接觸面溫度不適合用來反映集電環運行狀態。

實際上很多電廠用電刷最高溫度來反應集電環運行狀態，如用熱像儀測到140℃、150℃或160℃，反饋集電環溫度高，但它不代表集電環存在很大的風險，特別是夏天環境溫度較高時。集電環真實的運行狀態、有無風險、風險等級如何，僅用集電環溫度或電刷接觸面溫度還不能準確作出評估。

通過研究發現電刷接觸面溫度與集電環平均溫度存在一定的關系。首先，要實現電刷接觸面溫度的準確測量，只能用最高溫度來表示，不能用平均溫度。因為熱像儀測量框很難只測量接觸面，很容易將溫度較低的電刷、刷盒和集電環等部件包含進來，這樣一來測得的電刷接觸面平均溫度是不準確的，而測量框只要框到接觸面，讀出的最高溫度就是接觸面最高溫度。

測量方法：在能夠測量的位置用熱像儀將測量框將一把刷握多個電刷接觸面全部框進來，讀出最高溫度，每個集電環測量4個刷握。將測量數據平均記作集電環電刷接觸面最高溫度。

根據多臺機試驗數據統計，集電環平均溫升與電刷接觸面最熱點溫升一般有＋（40～60）K關系。也就是測得集電環平均溫度，可以推算電刷接觸面最高溫度平均水平。

綜上所述，應用具有可操作性和準確性的集電環平均溫升描述集電環運行狀態，而不用電刷接觸面溫度，電刷接觸面溫度僅供參考［15］。

4 集電環運行狀態評估方法

采用集電環平均溫升表示集電環運行狀態，能真實有效反映集電環運行狀態，如同電機用溫升衡量電機真實運行狀態一樣，具有準確可靠的特點。

只要集電環運行工況不變，如負荷、通風條件等不變，不論間隔多長時間 （如一周、一個月）測量，集電環平均溫升不會改變。

4.1 集電環運行狀態評估方法

一直以來沒有一套方法來評估判斷集電環運行狀態，不能有效發現集電環運行是否存在風險和所處的風險等級。

通過對集電環產品開發、科研試驗、現場運行維護的長期研究，制造廠出廠的新集電環平均溫升一般在30～40K，電廠運行良好的集電環平均溫升也在30～40K。而發熱的集電環平均溫升有的在40～50K，有的在50～60K。當診斷出集電環溫升高后，通過及時檢修維護，集電環平均溫升又會回到30～40K的良好水平。

根據集電環平均溫升發展趨勢，將集電環運行狀態劃分為良好、合格、一般風險、較大風險4個等級，可有效預測集電環的風險大小。根據風險等級開展針對性檢修，可有效指導集電環運行維護，提高運行維護效率。

該方法可有效掌控集電環運行風險等級。對風險隱患做到早發現早處理，可有效避免集電環出現故障，因為集電環發生環火故障時間很短，是來不及采取措施的［16］。

用集電環平均溫升評估集電環運行狀態方法見表3。

表3 用集電環平均溫升評估集電環運行狀態方法

若檢測集電環平均溫升高，首先檢查風路是否通暢，若集電環進口濾網有堵塞，要及時清理濾網。其次檢查集電環刷架是否有異常，如電刷自由度、電刷是否有抖動、刷盒安裝間隙和位置、電刷牌號、電刷接觸面等。根據集電環運行狀態等級按表3檢修建議處理。一般在有條件停機的情況下，重點檢查集電環表面。因為集電環發熱多數是由于集電環表面粗糙引起的。

4.2 集電環運行維護

（1）機組運行時

集電環分正極環和負極環，實際操作中分別測量每個集電環平均溫度、電刷接觸面最高溫度，同時記錄發電機功率、勵磁電流、進風溫度等數據。

根據測量數據計算集電環平均溫升和電刷接觸面最高溫度，電刷接觸面溫度僅供參考。

（2）停機時

當集電環運行狀態提示檢修，停機時安排檢修及時處理掉隱患非常必要。

停機或檢修時集電環各部件暴露在空氣中，易受外部環境影響，特別是長時間停機時，對集電環表面的防護尤為重要［17］。

4.3 集電環運行溫度／溫升限值

按GB／T 7064-2017，當集電環進風溫度為40℃時，集電環溫度限值120℃，集電環溫升限值為80K。按該集電環溫度／溫升限值還不能滿足集電環運行維護的要求。

集電環平均溫升能真實反映集電環運行狀態，跟蹤其發展趨勢能及時發現集電環運行有無風險、風險等級。相比國標GB／T 7064-2017提高集電環平均溫升限值，具有實際可操作性，能有效確保集電環安全運行，避免故障發生。

集電環運行溫度／溫升限值，見表4。

表4 集電環運行溫度／溫升限值

5 實際應用案例

本方法已在多個電廠有成功應用案例。

國內某電廠6號機集電環溫度及溫升較高，較7號機高10～20K。

運行中檢查發現6號機存在以下問題：（1）刷握安裝存在偏心問題； （2）刷盒與集電環間隙過大（大于5mm）；（3）個別刷盒恒壓彈簧與刷盒間隙偏大 （0.5～1mm）；（4）軸承側集電環電刷有打火現象；（5）進風濾網有堵塞現象。

修理前集電環平均溫升達54K，處于一般風險階段，給出建議計劃安排檢修。停機后返廠檢查，發現集電環表面生銹較嚴重，集電環表面粗糙 （如圖2所示），是集電環發熱的主要原因。

圖2 集電環表面生銹較嚴重

修理方案：集電環表面車光處理［12］，刷盒重新鍍銀，按新機標準重新安裝，并調整好各間隙。

修理后集電環平均溫升為35K，降低約20K，接觸面溫度降低約10K。

修理前后的集電環溫度數據，見表5。

表5 修理前后的集電環溫度數據

本案例驗證了通過集電環平均溫升及時診斷出集電環運行存在問題，處于一般風險。在機組計劃停機檢修后及時對集電環進行了處理，使集電環恢復到良好運行狀態，消除了集電環運行帶來的安全隱患。

6 結論

本文提出一種集電環運行狀態的評估方法，采用集電環平均溫升評估集電環運行狀態，將集電環運行狀態劃分為不同風險等級，針對不同等級給出相應的檢修建議。

本方法解決了現有不能準確評估集電環運行狀態的局面，具有簡單有效、操作方便的特點，能及時發現集電環運行安全隱患，對運行維護、避免故障具有較大實用價值。