论文导读：飞来峡水电站安装有4台35MW贯流式水轮发电机组，发电机及其附属部件由奥地利ELIN公司设计生产，从1998年8月至1999年9月4台机组相继投厂运行至今，4台机组集电环都出现了一些不同程度磨损和碳刷磨损较快等缺陷。碳刷在集电环上正常运行时，在其和集电环接触面上形成一层均匀的氧化膜，这是发电机集电环运行良好的主要标志。
关键词：集电环，磨损原因，氧化膜
前言：
飞来峡水电站安装有4台35MW贯流式水轮发电机组，发电机及其附属部件由奥地利ELIN公司设计生产， 从1998年8月至1999年9月4台机组相继投厂运行至今，4台机组集电环都出现了一些不同程度磨损和碳刷磨损较快等缺陷。
碳刷在集电环上正常运行时，在其和集电环接触面上形成一层均匀的氧化膜，这是发电机集电环运行良好的主要标志。因为这层氧化膜的形成改变了碳刷与集电环的接触特性、减少了摩擦、降低磨损、延长了碳刷和集电环的使用寿命。氧化膜的正常厚度在8－100nm的范围内，一般为25nm。
氧化膜具有较好的润滑性能，碳刷与集电环接触表面起润滑作用的润滑层主要是石墨膜，这层石墨膜，使碳刷与集电环之间降低了摩擦系数，减少了摩擦热的产生和碳刷的磨损。集电环磨损的原因多数是由于碳刷的过热而使氧化膜被破坏而产生的。
一、飞来峡水电站发电机组碳刷及集电环常见故障的原因及解决方法：
飞来峡水电站发电机组碳刷及集电环在运行中常见的故障为发热、产生火花、集电环磨损、烧损碳刷、碳刷架及集电环。从产生过热故障的原因分析，主要有以下几个方面：
1、由于通风不良引起的发热：通风不良主要是由于冷却风道堵塞，集电环通风孔堵塞、风扇风量下降等原因导致，尤其是当运行中集电环表面温度过高时，导致电刷磨损加剧，碳粉积聚增加，堵塞冷却风道滤网从而影响集电环表面的散热。因此在日常维护和常规检修时，应对集电环表面及冷却风道滤网进行清理，保持其散热通畅。
2、由于接触电阻过大或分布不均匀而产生的发热：集电环和碳刷是通过相互滑动接触导通励磁电流的，根据容量及型号的不同，每个集电环上大约分布着十几只碳刷，由于接触电阻的不同，电流分配的差异，导致的发热不均匀的原因有以下几方面：
（1）碳刷与滑环表面接触电阻、碳刷与刷辫接触电阻、刷辫与刷架引线接触电阻过大。检查碳刷架及刷辫的螺丝是否紧固。检查碳刷和集电环接触面的清洁程度，是否存在油污等。
（2）碳刷压力不均匀或不符合要求，可能是碳刷过短、弹簧由于过热变软老化失去弹性等原因。用弹簧秤检查碳刷压力。恒压弹簧应完整无机械损伤，压力应符合其产品的规定，同一集电极上的弹簧压力偏差不宜超过5％；同一个碳刷架上的每个碳刷的压力应均匀。科技论文。
（3）集电环与转子引线接触电阻过大，对集电环与转子引线间的紧固螺丝进行加固。
（4）碳刷材质不良、导电性能差、使用的型号不符合要求或者使用了不同型号的碳刷。同一发电机上应使用同一型号、同一制造厂的碳刷，对于外观检查有明显差异的碳刷应更换。
3、由于机组摆幅和机械振动偏大及摩擦等原因造成的过热：
（1）机组大轴摆幅和机械振动偏大：会导致碳刷架固定螺丝的松动以及碳刷在刷盒内做不规则的跳动，极易与集电环间产生火花，从而使过热加剧以至烧损集电环和碳刷、碳刷架。加上固定螺丝松动，进一步会导致由于碳刷架严重烧损而使集电环发生短路故障的严重后果。科技论文。
（2）由于机械及摩擦等导致的过热，如果在开机时还未加励磁，就发现集电环与碳刷温度高，或者在运行中温度过高，拔出几只碳刷后，温度降低，就可以判定是由于机械及摩擦原因导致的。机械及摩擦导致发热的情况主要有以下几个方面：
a、碳刷接触面研磨不良或运行中一次更换过多的碳刷。运行中更换碳刷的数量不超过每极集电环上碳刷总数的1/3。换上的新碳刷应事先在与集电环弧度相同的模型上研磨好，并注意清除干净该碳刷表面上的石英砂等其它杂质，以免其附着在碳刷表面在运行时机械磨损集电环和碳刷，更换的新旧碳刷的型号必须一致。如在机组A级检修时一次更换的碳刷量较多，应当在投运前冲转时，为碳刷表面形成良好的氧化膜留够充足的时间。科技论文。
b、碳刷与集电环接触面过小，接触面积一般不应小于单个碳刷截面的75％。
C、碳刷在刷盒中跳动动作卡涩。碳刷在刷盒内应能上下自由移动，其间隙应符合产品的规定，无规定时，其间隙可为0.10－0.20mm。电刷外形要方正，上下端尺寸误差不得大于0.05mm。
d、刷握与集电环表面间隙过大。由于碳刷材质较脆，当刷握与集电环表面间隙过大时，运行中碳刷不能整体接触集电环，与集电环呈斜面接触，容易造成碳刷崩裂。刷握与集电环表面的间隙应符合产品技术要求，无规定时，其间隙可调整为2－3mm。调整间隙时，可使用一层2－3mm厚的纸垫粘在集电环表面，将刷握抵到纸垫上，然后上紧固定位螺丝，再取出纸垫。
二、氧化膜无法形成及形成不良的原因分析及建议：
飞来峡水电站发电机碳刷及集电环近年来发生的一些磨损故障，主要原因是由于碳刷和集电环表面的氧化膜润滑层无法形成，氧化膜的形成条件不满足。而导致氧化膜的形成条件不满足的因素主要有以下几个原因：
（1）温度过高：碳刷和集电环的氧化膜一般在70℃左右容易形成，当集电环、碳刷出现过热故障时温度一般在150℃以上，此时换上新的碳刷，氧化膜也不易形成，无法起到润滑的作用，碳刷和集电环磨损将加剧，导致温度继续升高，成为恶性循环。此时可采取外部强迫降温的方法，如涂抹凡士林、风扇通风等手段，使集电环温度降到正常范围内，持续一段时间，让碳刷和集电环表面的氧化膜慢慢逐渐形成。
（2）冷却空气中有污染性杂质：空气中的杂质对碳刷及集电环表面氧化膜的形成有不利的影响，这些杂质包括：空气中的油气混合物、粉尘、铁屑、铁锈粉尘、碳粉等其他杂质。
（3）空气湿度太低或含氧量太低：氧化膜的形成需要空气中有一定的水分含量，即空气湿度不能太低，但也不能太高。另外，氧化膜的形成主要与空气中的氧气发生氧化作用而产生，当含氧量过低时也不利于氧化膜的形成。
（4）由原电池原理分析，集电环的负极在电流作用下析出+离子，因此负极相对磨损较较快，需定期进行极性转换。使正负极均匀磨损。
氧化膜无法形成或形成不良除了上述因素有关外，还跟碳刷过度研磨、使用溶剂进行擦拭、集电环表面光洁度不良以及碳刷材质不合格等多种因素有关。
三、结束语
飞来峡水电站发电机组的碳刷及集电环的一些缺陷，在经过对进口碳刷的国产化改造和励磁系统改造，对集电环进行车削工艺加工和近年来在水轮机组A级检修中对机械、电气设备的改造和完善，运行和检修过程中严格执行《水轮发电机运行规程》对集电环、碳刷进行检查和维护，使其故障的发生率有着显著降低。
参考文献：
[1]．李启明，《水电站机电设备运行与检修技术问答》，中国电力出版社，1996，
ISBN 7-80125-147-4Ⅲ:498-499
[2]．安顺合，《常用电气设备故障诊断与排除问答》，机械工业出版社，2002.7,
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