发电电动机滑环发出响声的原因分析

赵贵前

（北京十三陵蓄能电厂，北京 102200）

1 某厂发电电动机及励磁系统的主要参数

1.1 发电电动机的主要参数

额定容量：发电222 MVA/电动218 MW。

额定功率因数：发电工况为0.9(滞后)，电动工况为1.0。

额定转速：500 r/min。

额定电压：13.8 kV。

额定频率：50 Hz。

调相容量：发电工况最大为154 Mvar，电动工况为100 Mvar。

最大进相容量：发电工况及电动工况为171 Mvar。

1.2 励磁系统主要参数

空载励磁电压：68 V。

空载励磁电流：1 136 A。

额定励磁电压：154 V。

额定励磁电流：2 134 A。

顶值励磁电压：385 V。

顶值励磁电流：4 270 A。

1.3 滑环与电刷装置

发电电动机采用螺杆装配式滑环，其由上层的整圆绝缘板、下层的托板及中间的2层集电滑环组成。如图1所示，滑环外径为1 200 mm、内径为900 mm、高为408 mm，各滑环均由把合绝缘螺杆及绝缘支撑套管连接。为使电流密度分布均匀、降温、碳刷粉尘散落，两集电环外圆面均有螺旋槽，槽宽为3 mm、深为12 mm、螺距为28 mm。各环间均设风扇叶，用螺钉固定在集电环上。

与滑环配套的碳刷架为半圆式，正负导电环沿轴向上下分层平行布置，每个导电环上安装8对杠杆式弹簧刷握，32个碳刷。碳刷最大运行尺寸：长×宽×高(深)=32×25×40 mm，最小运行尺寸：长×宽×高(深)=32×25×20 mm。

图1 螺杆装配式滑环结构示意

2 发电电动机滑环发出响声的原因

2.1 滑环发出响声的情况

该厂发电电动机C修后，对励磁电缆进行了正负极性倒换，运行一段时间后，运行人员巡视时发现发电电动机滑环有响声。检查后发现，上层滑环的其中一个刷握盒边缘有过热熔化痕迹，对应滑环面有划痕。测量该刷握盒边缘与滑环间隙不到1 mm，而其他刷握盒边缘与滑环间隙都在1.5 mm左右。用弹簧秤对所有碳刷刷握的压紧力进行检查，全部都在1.25～1.5 kg之间。对故障刷握盒作磨平处理，并对滑环划痕作打磨光滑处理，同时对故障刷握盒边缘与滑环间隙，以及其他全部刷握盒边缘与滑环间隙作检查调整，但投入运行不长时间后滑环又出现了响声，而且响声仍然来自上层滑环(在空转不加励磁时无响声，当加励磁电流时出现响声)。

2.2 发电电动机滑环响声的起因分析

2.2.1 最初的响声起因

正负极性倒换后，上层滑环原来的正极性碳刷变成了负极性碳刷，相对应的滑环则变成了正极性，从而使得大量的金属粒子和机械磨损的碳粉向碳刷方向聚集。在风扇的吹拂下，一部分粉尘被吹到了过滤网上，另一部分粉尘则落在相邻的部件上。由于故障刷握盒的边缘与滑环距离太近(间隙不到1 mm)，粉尘很容易就会堆积起来，并断续地对滑环一定部位放电；使滑环这一部位由于电灼伤而变得不平，出现高点，继续与粉尘不断堆积的故障刷握盒边缘放电而使刷握边缘熔化，同时伴随有响声。由于发现及时，没有造成较大的事故。而下层滑环由于是负极性，碳粒、石墨离子迁移到滑环表面，对滑环表面的氧化膜有强化作用；大部分多余的粉末则通过表面的螺旋槽被风扇吹走。经检查，下层滑环运行情况良好，无过热、无响声。

2.2.2 处理后的滑环仍出现响声的原因

在碳刷架及刷握固定良好，接线无松动断开，滑环固定及摆度正常的情况下，引起滑环产生响声的可能因素有以下几点：

(1) 碳刷质量不佳，颗粒粗硬，甚至含有少量如金刚砂之类的硬质颗粒，在碳刷与滑环表面相对运动时产生刮割和拉弧；

(2) 刷握盒边缘与滑环间距太小，出现刮蹭或因碳粉堆积而放电，造成滑环面受损；

(3) 碳刷压力不够，碳刷与滑环表面接触不实；

(4) 碳刷表面与滑环吻合面不到75 %；

(5) 碳刷在刷握盒内卡涩，不能灵活运动；

(6) 刷握盒固定松动或弹簧断裂等；

(7) 滑环面磨损大，表面氧化膜被破坏，出现了一定程度的糙化。

但在对故障刷握和滑环面进行处理后，滑环仍再次出现响声。经检查后发现，上述前6项产生响声的原因完全可以排除。因此，出现响声的原因可能就是“滑环面磨损大，表面氧化膜被破坏，出现了一定程度的糙化”。因为上层滑环表面出现过划痕且作了处理(用油石打磨)，使得原来的氧化膜遭到破坏，并且C修倒换极性后，故障滑环(上层滑环)变成了正极性，加重了滑环的电气磨损，使新的氧化膜的形成存在困难。

在电流的作用下，滑环与碳刷间不仅有机械磨损，还有电气磨损。所谓电气磨损，指的是由于电弧高温和放电等因素的作用，使极面材料受到损坏的情况。并且由于电气磨损影响极面，所以也会对机械磨损的程度产生影响，两者相互“促进”。电流通过碳刷和滑环的接触面时，因直接传导的部位不断变动，且电流密度很大，会造成一些点的温度很高；同时又由于电弧的高温作用，使两侧极面局部熔化、脱落，金属变成金属蒸汽，碳刷结构松化，受氧化腐蚀而脱落，此即电气磨损的表现。但是，极性不同，磨损的情况也是不一样的。在电弧作用下，阳极(正极)表面局部灼热而蒸发出“金属蒸汽”，使阳极表面损蚀，这叫“阳极蒸发”；阴极(负极)因受正离子撞击和高温作用而发射电子，使阴极表面遭受破坏，这叫“阴极粉化”。

由于阳极蒸发和阴极粉化的作用，碳刷和滑环由于电流方向不同会出现极性差别。当电流由碳刷流向滑环时，此时碳刷为正极，滑环为负极，则结果是：碳刷面上发生微小程度的阳极蒸发，碳粒、石墨离子迁移到滑环表面，碳刷有电气磨损；滑环表面有轻微的阴极粉化，并附着碳粒、石墨，形成润滑、光泽的镜面。此时滑环表面平滑，机械磨损较小。当电流由滑环流向碳刷时，此时碳刷为负极，滑环为正极，则结果是：碳刷面上发生阴极粉化，电气磨损小；滑环表面发生阳极蒸发，大量金属蒸发使其表面损蚀严重；同时，这些金属粒子也易附着于碳刷面上，使滑环表面严重磨损，出现划痕。实际情况也完全如此，上层滑环为阳极(正极性)，在很大的励磁电流作用下，电气磨损、机械磨损都很大，并产生恶性循环，在滑环表面原有氧化膜被破坏的情况下变得更加粗糙，从而响声不断。

3 滑环响声的处理措施

(1) 将励磁电缆正负端在励磁功率柜内进行极性倒换，使上层滑环变为负极性。这样，碳粒、石墨离子就会迁移到滑环表面上，使滑环表面氧化膜得以修复，糙化下降，形成润滑、光泽的镜面。在上层滑环极性倒换后，开机试验，响声停止；红外成像测温显示滑环温度正常。

(2) 上下滑环极性倒换后，下层滑环受到的电气磨损将加重，在一定的时间内会变得粗糙，也可能会发出响声，因此需要定期倒换极性。

(3) 应对滑环响声的维护措施及需定期检查的项目如下：

① 检查刷握盒的固定及边缘与滑环的间隙符合要求(该厂要求在1.2～1.5 mm)；

② 检查刷握弹簧，保证碳刷压紧力在合理的范围内（该厂使用弹簧秤检查，紧力在1.25～1.5 kg之间)；

③ 定期倒换滑环极性，以减小滑环磨损，确保滑环表面氧化膜不被破坏；

④ 使用质量符合要求的碳刷，更换碳刷时要对碳刷表面进行整形，使之与滑环面吻合；

⑤ 定期清理滑环与刷握盒边缘间隙处堆积的碳粉，及时清理、更换滤网。