史德利，李俊武，趙 博

（上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機廠，上海200240）

0 前言

汽輪發(fā)電機組大多數(shù)采用靜態(tài)勵磁，集電環(huán)是實現(xiàn)靜態(tài)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(huán)接觸傳送至高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子中。

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

IEC 60034-1-2004《旋轉(zhuǎn)電機的定額與性能》對集電環(huán)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(huán)承載電流的水平［5］；GB／T 7064-2017《透平型同步電機技術(shù)要求》要求：進風溫度40℃時，集電環(huán)溫升 （溫度）限值為80K（120℃）［6］；《汽輪發(fā)電機運行規(guī)程》有詳細集電環(huán)打火的原因及消除方法［7］，但這些還不能完全滿足集電環(huán)現(xiàn)場運行維護要求。

集電環(huán)是大電流傳輸裝置，須密切監(jiān)測集電環(huán)溫度、電刷運行狀態(tài)等。集電環(huán)作為易多發(fā)故障的部件，當集電環(huán)運行狀態(tài)變差時若不能及時發(fā)現(xiàn)風險，會導致運行惡化并面臨發(fā)生環(huán)火燒毀故障的風險。因此，對集電環(huán)運行狀態(tài)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(fā)現(xiàn)早處理，及時將隱患消除于萌芽狀態(tài)，對保證集電環(huán)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(huán)運行狀態(tài)進行評估，如監(jiān)測集電環(huán)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(tǒng)一、不規(guī)范的現(xiàn)象，具有較大隨機性和分散性，很難客觀評估集電環(huán)真實運行狀態(tài)。

本文提出一種集電環(huán)平均溫升法來評估集電環(huán)運行狀態(tài)，可準確判斷集電環(huán)運行狀態(tài)，有效識別集電環(huán)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(huán)運行狀態(tài)不必要的誤判，提高集電環(huán)運行維護水平。

本文從集電環(huán)相關(guān)結(jié)構(gòu)、集電環(huán)發(fā)熱、集電環(huán)溫度測量、集電環(huán)運行狀態(tài)評估方法、實際應用案例等方面進行介紹。

1 集電環(huán)相關(guān)結(jié)構(gòu)

一般集電環(huán)裝置由集電環(huán)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(huán)分布一定數(shù)量的電刷，將靜止的直流電通過碳刷與集電環(huán)送至發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組中，如圖1所示。

圖1 集電環(huán)和刷架結(jié)構(gòu)

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(huán)產(chǎn)生的熱量帶走，從而使電刷和集電環(huán)發(fā)熱達到熱平衡狀態(tài)。通常集電環(huán)運行溫度在60～90℃，接觸面最高溫度在100～150℃。集電環(huán)進風為自然環(huán)境溫度，夏天集電環(huán)溫度高，冬季溫度低。

2 集電環(huán)發(fā)熱的損耗分析及影響因素

天然石墨電刷和光滑的集電環(huán)良好接觸，是集電環(huán)良好運行的關(guān)鍵。集電環(huán)運行狀態(tài)良好時，集電環(huán)表面光亮，電刷接觸面有穩(wěn)定的氧化膜鏡面，此狀態(tài)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(huán)運行狀態(tài)差時，集電環(huán)表面粗糙，電刷接觸面有不穩(wěn)定的氧化膜鏡面，如亮面重疊、溝痕等，此狀態(tài)下電刷和集電環(huán)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(huán)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(huán)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(shù)，取0.2；v為集電環(huán)表面線速度；n為每個集電環(huán)電刷數(shù)量。

（2）電氣損耗＝ΔU×If

其中，ΔU為集電環(huán)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(huán)、風扇等旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的損耗，可通過集電環(huán)空轉(zhuǎn)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(fā)電機 （參數(shù)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(fā)電機參數(shù)

2.3 集電環(huán)發(fā)熱的影響因素［11］

集電環(huán)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(huán)發(fā)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(huán)發(fā)熱不考慮風摩損耗和電刷損耗，集電環(huán)主要考慮摩擦損耗和電氣損耗引起的發(fā)熱，且這兩種發(fā)熱是可變的。

2.3.1 損耗增加引起的發(fā)熱

集電環(huán)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(huán)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(fā)熱與集電環(huán)運行狀態(tài)正相關(guān)。

（1）摩擦損耗

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

（2）電氣損耗

電氣損耗與電刷與集電環(huán)的接觸電阻和通過電流有關(guān)。

接觸電阻與集電環(huán)表面粗糙度密切相關(guān)，當集電環(huán)表面粗糙或有毛刺時，摩擦系數(shù)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(chǎn)生的危害極大，會導致電刷接觸不良，引起集電環(huán)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(shù)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(huán)表面質(zhì)量與發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸徑一樣重要，集電環(huán)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(huán)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(huán)表面生銹，是集電環(huán)發(fā)熱的主要因素［11，12］。

（3）其他因素

電刷材質(zhì)、電刷自由度、刷盒安裝位置及間隙等出現(xiàn)問題時，會使電刷發(fā)生卡澀、抖動，導致電刷接觸不良、打火，進而破壞集電環(huán)表面，使集電環(huán)發(fā)熱［8］。

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

除了集電環(huán)表面粗糙引起電刷接觸不良，電刷材質(zhì)、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(huán)發(fā)熱的本質(zhì)是電刷與集電環(huán)接觸不良引起損耗增大，導致集電環(huán)發(fā)熱、打火，而多數(shù)情況是由集電環(huán)表面粗糙引起的［13］。

2.3.2 風路不暢引起的發(fā)熱

集電環(huán)采用開啟式通風散熱系統(tǒng)，當通風風路不暢，如進口濾網(wǎng)堵塞時，會引起集電環(huán)產(chǎn)生的熱量不能被及時帶走，導致集電環(huán)溫度升高［14］。

當罩內(nèi)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(fā)熱

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

3 集電環(huán)溫度測量

集電環(huán)表面區(qū)域是摩擦損耗和電氣損耗產(chǎn)生熱量最集中的區(qū)域，需確定集電環(huán)溫度還是電刷接觸面溫度更能準確反應集電環(huán)運行狀態(tài)。

3.1 集電環(huán)溫度

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

集電環(huán)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(huán)平均溫升基本不變；而集電環(huán)最高溫度具有一定的分散性和隨機性，不具備穩(wěn)定可靠的特征，因此用集電環(huán)平均溫度表示集電環(huán)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(diào)節(jié)）對準集電環(huán)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(nèi)平均溫度，每一個集電環(huán)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(huán)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(tài)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(huán)運行狀態(tài)。

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

通過研究發(fā)現(xiàn)電刷接觸面溫度與集電環(huán)平均溫度存在一定的關(guān)系。首先，要實現(xiàn)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(huán)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?qū)⒁话阉⑽斩鄠€電刷接觸面全部框進來，讀出最高溫度，每個集電環(huán)測量4個刷握。將測量數(shù)據(jù)平均記作集電環(huán)電刷接觸面最高溫度。

根據(jù)多臺機試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，集電環(huán)平均溫升與電刷接觸面最熱點溫升一般有＋（40～60）K關(guān)系。也就是測得集電環(huán)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(huán)平均溫升描述集電環(huán)運行狀態(tài)，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(huán)運行狀態(tài)評估方法

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

只要集電環(huán)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(huán)平均溫升不會改變。

4.1 集電環(huán)運行狀態(tài)評估方法

一直以來沒有一套方法來評估判斷集電環(huán)運行狀態(tài)，不能有效發(fā)現(xiàn)集電環(huán)運行是否存在風險和所處的風險等級。

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

根據(jù)集電環(huán)平均溫升發(fā)展趨勢，將集電環(huán)運行狀態(tài)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(huán)的風險大小。根據(jù)風險等級開展針對性檢修，可有效指導集電環(huán)運行維護，提高運行維護效率。

該方法可有效掌控集電環(huán)運行風險等級。對風險隱患做到早發(fā)現(xiàn)早處理，可有效避免集電環(huán)出現(xiàn)故障，因為集電環(huán)發(fā)生環(huán)火故障時間很短，是來不及采取措施的［16］。

用集電環(huán)平均溫升評估集電環(huán)運行狀態(tài)方法見表3。

表3 用集電環(huán)平均溫升評估集電環(huán)運行狀態(tài)方法

若檢測集電環(huán)平均溫升高，首先檢查風路是否通暢，若集電環(huán)進口濾網(wǎng)有堵塞，要及時清理濾網(wǎng)。其次檢查集電環(huán)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(jù)集電環(huán)運行狀態(tài)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(huán)表面。因為集電環(huán)發(fā)熱多數(shù)是由于集電環(huán)表面粗糙引起的。

4.2 集電環(huán)運行維護

（1）機組運行時

集電環(huán)分正極環(huán)和負極環(huán)，實際操作中分別測量每個集電環(huán)平均溫度、電刷接觸面最高溫度，同時記錄發(fā)電機功率、勵磁電流、進風溫度等數(shù)據(jù)。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算集電環(huán)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(huán)運行狀態(tài)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(huán)各部件暴露在空氣中，易受外部環(huán)境影響，特別是長時間停機時，對集電環(huán)表面的防護尤為重要［17］。

4.3 集電環(huán)運行溫度／溫升限值

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

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

集電環(huán)運行溫度／溫升限值，見表4。

表4 集電環(huán)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(nèi)某電廠6號機集電環(huán)溫度及溫升較高，較7號機高10～20K。

運行中檢查發(fā)現(xiàn)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(huán)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(cè)集電環(huán)電刷有打火現(xiàn)象；（5）進風濾網(wǎng)有堵塞現(xiàn)象。

修理前集電環(huán)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(fā)現(xiàn)集電環(huán)表面生銹較嚴重，集電環(huán)表面粗糙 （如圖2所示），是集電環(huán)發(fā)熱的主要原因。

圖2 集電環(huán)表面生銹較嚴重

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

修理后集電環(huán)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(huán)溫度數(shù)據(jù)，見表5。

表5 修理前后的集電環(huán)溫度數(shù)據(jù)

本案例驗證了通過集電環(huán)平均溫升及時診斷出集電環(huán)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(huán)進行了處理，使集電環(huán)恢復到良好運行狀態(tài)，消除了集電環(huán)運行帶來的安全隱患。

6 結(jié)論

本文提出一種集電環(huán)運行狀態(tài)的評估方法，采用集電環(huán)平均溫升評估集電環(huán)運行狀態(tài)，將集電環(huán)運行狀態(tài)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(xiàn)有不能準確評估集電環(huán)運行狀態(tài)的局面，具有簡單有效、操作方便的特點，能及時發(fā)現(xiàn)集電環(huán)運行安全隱患，對運行維護、避免故障具有較大實用價值。