電刷磨損

1.電刷和集電環(huán)之間的氧化膜

水輪發(fā)電機(jī)組運行時，在電刷和集電環(huán)磨擦表面之間需要建立一層氧化膜，該層氧化膜是保證電刷抗磨損、穩(wěn)定運行的非常重要的因素，此氧化膜建立的不好或根本無法建立，電刷必然會磨損嚴(yán)重。影響在電刷和集電環(huán)之間的表面建立氧化膜的因素主要有：電刷與集電環(huán)之間的運行溫度、運行環(huán)境的空氣濕度和集電環(huán)表面的粗糙度 。

（1）電刷與集電環(huán)之間的運行溫度

電刷和集電環(huán)之間的最佳運行溫度在60-90℃。在這個溫度范圍內(nèi)運行，最易于電刷與集電環(huán)之間氧化膜的建立。為保證此運行溫度，需要合理的選擇電刷的外形尺寸和數(shù)量。保證電刷的運行電流密度接近額定電密且在其范圍內(nèi)，在考慮電流產(chǎn)生熱量的同時，需要考慮電刷與集電環(huán)摩擦產(chǎn)生的熱量，保證電刷和集電環(huán)之間的運行溫度在最佳運行溫度范圍內(nèi)。電刷的運行電密過低，電刷負(fù)載過輕時，不易建立氧化膜，可能會擦傷電刷表面；電刷的運行電密過高，電刷過載時，電刷的表面將產(chǎn)生過燒斑點，破壞電刷接觸面。

（2）電刷的運行環(huán)境要求

電刷的最佳運行環(huán)境是空氣的含水量在8-15g/m³，空氣中的含水量或大或小，均會造成電刷磨損嚴(yán)重。當(dāng)空氣的含水量在25g/m³以上，電刷的磨損量加快；當(dāng)空氣的含水量在3g/m³以下時，運行環(huán)境非常干燥，電刷的摩擦面就會破壞，加快電刷的磨損；一些化學(xué)物質(zhì)和清潔劑也會對集電環(huán)和電刷造成影響，加速電刷的磨損。

（3）集電環(huán)表面的粗糙度

集電環(huán)表面的粗糙度在Ra0.8-1.6,建議采用Ra1.6。集電環(huán)的表面粗糙度達(dá)不到要求，集電環(huán)表面過于粗糙，將破壞電刷表面，難以形成氧化膜；集電環(huán)的表面粗糙度過高，集電環(huán)表面太過光滑，可能對電刷造成粘帶，破壞電刷表面，也不利于在電刷和集電環(huán)之間的表面建立氧化膜。只有當(dāng)集電環(huán)表面的粗糙度在要求范圍內(nèi)時，電刷的碳粉顆粒進(jìn)入集電環(huán)表面的凹陷部分，起到一種潤滑劑的作用，才易于氧化膜的建立，降低電刷磨損。

2.恒壓彈簧壓力

在機(jī)組運行過程中，刷握上的恒壓彈簧必須保證壓力恒定，才能保證電刷與集電環(huán)表面良好接觸。如彈簧的壓力值滿足不了電刷與集電環(huán)接觸表面壓力的要求，或大或小都會加快電刷磨損。彈簧壓力過低，電刷表面與集電環(huán)表面接觸不良，將出現(xiàn)打火現(xiàn)象，破壞電刷表面；彈簧壓力過高，電刷單位壓力過大，超出了電刷自身能夠承受的壓力值，將加快電刷磨損 。

3.集電環(huán)外圓線速度

集電環(huán)外圓線速度也直接影響電刷的磨損情況，不同型號、不同材質(zhì)的電刷有其適應(yīng)的線速度要求，如選用電刷無法滿足要求，將大大加快碳刷的磨損。當(dāng)集電環(huán)外圓線速度大于60s/m 時，在電刷與集電環(huán)之間可能出現(xiàn)氣墊效應(yīng)，造成電刷與集電環(huán)之間不能良好接觸。為防止氣墊效應(yīng)的產(chǎn)生，在集電環(huán)表面開溝螺旋溝槽，溝槽寬3mm，螺距10mm。

綜上所述，電刷磨損嚴(yán)重主要與電刷本身所處運行環(huán)境的濕度、環(huán)境溫度、集電環(huán)表面的粗糙度、恒壓彈簧的壓力及集電環(huán)外圓線速度等因素有關(guān)。發(fā)電機(jī)設(shè)計、制造時均需要重視此環(huán)節(jié)，合理的選擇電刷的數(shù)量及尺寸，為電刷提供理想的運行環(huán)境，有效地控制電刷的磨損。水輪發(fā)電機(jī)的電刷裝置是整個水輪發(fā)電機(jī)組非常重要的一個環(huán)節(jié)，電刷磨損嚴(yán)重，造成粉塵污染，可能會給機(jī)組帶來更大的危害，在機(jī)組設(shè)計時，還必要考慮設(shè)置粉塵吸收裝置，保證水輪發(fā)電機(jī)組安全可靠運行 。

發(fā)電機(jī)電刷裝置，是將發(fā)電機(jī)勵磁電流引入轉(zhuǎn)子勵磁繞組的重要部件。電刷裝置主要由電刷、導(dǎo)電環(huán)、固定架及絕緣件等主要部件組成。電刷固定在導(dǎo)電環(huán)上，與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動部件集電環(huán)接觸，將發(fā)電機(jī)的勵磁電流引入發(fā)電機(jī)勵磁繞組中，為發(fā)電機(jī)提供持續(xù)的勵磁電流。機(jī)組運轉(zhuǎn)時，電刷與集電環(huán)之間相互摩擦，產(chǎn)生石墨小顆粒，給機(jī)組造成污染。有些水電站出現(xiàn)電刷磨損嚴(yán)重問題，有的水電站甚至2-3個月即需要更換一次電刷。以下主要針對影響電刷磨損的主要因素和水電站常出現(xiàn)的電刷磨損的具體情況進(jìn)行分析 。

有些水電站出現(xiàn)電刷磨損嚴(yán)重現(xiàn)象。例如：瑞麗江、察汗烏蘇及蒲石河等水電站出現(xiàn)電刷磨損嚴(yán)重問題，以下針對電站的具體問題進(jìn)行分析，給出的解決方案。

1.瑞麗江水電站電刷磨損分析及處理

瑞麗江水電站水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組檢修時發(fā)現(xiàn)，在發(fā)電機(jī)的上導(dǎo)軸承油槽位置出現(xiàn)油泥，電刷位置存留潤滑油，電刷磨損非常嚴(yán)重。發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速428.6r/min，集電環(huán)外圓線速度為24m/s，設(shè)計電流密度0.055A/mm²。水輪發(fā)電機(jī)為懸式結(jié)構(gòu)，電刷裝置放置在發(fā)電機(jī)上機(jī)架中心體內(nèi)，下端為發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承油擋，上端為推力軸承內(nèi)側(cè)油擋。按影響電刷磨損的幾個主要因素分析，造成電刷磨損嚴(yán)重的主要原因為：推力軸承內(nèi)側(cè)油擋甩油，潤滑油直接污染電刷與集電環(huán)接觸面；設(shè)計電密相對較低，氧化膜難以建立，造成電刷磨損嚴(yán)重。

改進(jìn)方案：根據(jù)瑞麗江水電站電刷磨損的具體情況，給出以下解決方案 。

（1）對推力軸承內(nèi)側(cè)油擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，油擋的上端采用接觸式密封，防止甩油。

（2）提高電刷的運行電密，每極減少8個電刷，運行電密提高至0.077A/mm²。

（3）集電環(huán)外圓線速度略高，同時考慮運行環(huán)境不理想，可能出現(xiàn)油霧問題，更換電刷型號，采用NCC634天然石墨材質(zhì)的電刷。

2.察汗烏蘇水電站電刷磨損分析及處理

察汗烏蘇水電站機(jī)組運行一段時間后，發(fā)現(xiàn)頂罩內(nèi)粉塵污染嚴(yán)重。察汗烏蘇水輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)外徑準(zhǔn)1030mm，圓周速度14.7m/s；電刷數(shù)量為26個/每極，電刷電流密度0.057A/mm²。采用的電刷是D172（25×32mm）電刷。按影響電刷磨損的幾個主要因素分析，造成電刷磨損嚴(yán)重的主要原因為：D172電刷的額定電流密度0.12A/mm²，電密選取不合理，運行環(huán)境溫度達(dá)不到要求，氧化膜難以建立，造成電刷磨損嚴(yán)重。

改進(jìn)方案：電刷數(shù)量減少為19 /每極，電刷電流密度0.078A/mm²，便于電刷與集電環(huán)摩擦表面形成氧化膜，降低電刷磨損。

3.蒲石河水電站電刷磨損分析及處理

蒲石河水電站機(jī)組為抽水蓄能機(jī)組，發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速333.3r/min，機(jī)組旋轉(zhuǎn)方式為正、反轉(zhuǎn)。機(jī)組試運行一段時間后，發(fā)現(xiàn)電刷磨損嚴(yán)重，粉塵污染嚴(yán)重。根據(jù)電站的實際情況分析，考慮電刷磨損的幾個主要因素分析，造成電刷磨損嚴(yán)重的主要原因為：恒壓彈簧的壓力選取不合理，造成同一層的電刷磨損情況不一致；集電環(huán)選用的是螺旋溝槽型式，螺旋溝槽部分位置倒角質(zhì)量較差，造成該位置電刷磨損明顯比其它位置的電刷磨損嚴(yán)重。

改進(jìn)方案：更換恒壓彈簧，保證彈簧恒壓，且按壓力按電刷要求壓力值；集電環(huán)外表面加工處理，對集電環(huán)的螺旋溝槽修磨，保證集電環(huán)外表面光滑。

電刷固定在有刷電機(jī)的電刷盒內(nèi)，如圖4所示。為通過大電流，電刷可用低電阻值的銅石墨制成。有刷電機(jī)上的電刷有1對或2對，其中1對的較多。電刷有正極和負(fù)極之分，正極電刷與控制器驅(qū)動線正極相連，·般為黃色線；負(fù)極電刷與控制器驅(qū)動線負(fù)極相連，一般為綠色線。電刷在電刷彈簧的作用下貼靠在換向器上。

電刷架在電機(jī)上的位置如圖4所示。電刷架上有電刷盒，其外形如圖4所示。其作用是將電刷固定在應(yīng)有位置上，但又要保證電刷在刷盒中能自由活動，配合間隙既不能太大又不能太小。若配合間隙太大，電機(jī)運轉(zhuǎn)時電刷可能在換向器表面產(chǎn)生傾斜和跳動，從而影響換向。若配合間隙太小，當(dāng)電刷在負(fù)載下發(fā)熱膨脹時可能卡死。

電刷彈簧的作用是施予電刷一定的壓力，以保證電刷與換向器在電機(jī)運轉(zhuǎn)時始終有良好的接觸。屯刷彈簧在電機(jī)上的位置如圖4所示。施予電刷的單位面積壓力增大，電刷與換向器的接觸電阻就減小，則電損耗減小，但摩擦損耗增大。總損耗呈馬鞍形變化，而在總損耗最小時的單位壓力下，電刷的磨損率瞧最小。所以，選擇施予電刷的壓力時，應(yīng)考察電機(jī)運轉(zhuǎn)中總損耗和電刷磨損最小時相應(yīng)的單位壓力，對于金屬石墨電刷，這個壓力一般為1.5～2.5N/cm²。在確定初始壓力時，應(yīng)考慮電刷在磨損過程中縮短時彈簧因伸長其壓力會減小的因素。施予電刷的單位壓力減小到低于某一極限時，電刷與換向器之間的接觸就開始不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)機(jī)械性火花，這時就應(yīng)該更換電刷了。

(1)在使用過程中，電刷會逐漸磨損，當(dāng)電刷的長度小于規(guī)定的磨損極限(新電刷長度的2/3)時，應(yīng)更換電刷。

(2)沿電刷的中心線方向，電刷彈簧對電刷的壓緊力稱為電刷彈簧的彈力。彈力過小會影響電刷與換向器的緊密接觸，彈力過大會加速電刷與換向器的磨損。電刷彈簧的彈力應(yīng)符合電機(jī)制造廠的規(guī)定(一般為5～10N)。

(3)引起電刷彈簧彈力改變的主要因素是電刷彈簧變形、折斷及電刷磨損等。當(dāng)電刷彈簧變形時，應(yīng)予以矯正。電刷嚴(yán)重磨損，即長度小于規(guī)定的磨損極限時應(yīng)予以更換。

(4)電刷裝在刷盒中應(yīng)能自由滑動，無卡滯現(xiàn)象。新研磨的電刷應(yīng)在電機(jī)輕負(fù)荷下磨合1h后再轉(zhuǎn)人大負(fù)荷工作。