浅谈对水轮发电机电刷磨损的分析
        作者：明野（1980-），男，工程师，从事水轮发电机设计工作。

        水轮发电机电刷装置，是将发电机励磁电流引入转子励磁绕组的重要部件。电刷装置主要由电刷、导电环、固定架及绝缘件等主要部件组成。电刷固定在导电环上，与发电机转动部件集电环接触，将发电机的励磁电流引入发电机励磁绕组中，为发电机提供持续的励磁电流。机组运转时，电刷与集电环之间相互摩擦，产生石墨小颗粒，给机组造成污染。目前，有些水电站出现电刷磨损严重问题，有的水电站甚至2-3个月即需要更换一次电刷。以下主要针对影响电刷磨损的主要因素和水电站常出现的电刷磨损的具体情况进行分析。

1影响电刷磨损的主要因素
　　1.1电刷和集电环之间的氧化膜
　　水轮发电机组运行时，在电刷和集电环磨擦表面之间需要建立一层氧化膜，该层氧化膜是保证电刷抗磨损、稳定运行的非常重要的因素，此氧化膜建立的不好或根本无法建立，电刷必然会磨损严重。影响在电刷和集电环之间的表面建立氧化膜的因素主要有：电刷与集电环之间的运行温度、运行环境的空气湿度和集电环表面的粗糙度。
　　1.1.1电刷与集电环之间的运行温度
　　电刷和集电环之间的最佳运行温度在60-90℃。在这个温度范围内运行，最易于电刷与集电环之间氧化膜的建立。为保证此运行温度，需要合理的选择电刷的外形尺寸和数量。保证电刷的运行电流密度接近额定电密且在其范围内，在考虑电流产生热量的同时，需要考虑电刷与集电环摩擦产生的热量，保证电刷和集电环之间的运行温度在最佳运行温度范围内。电刷的运行电密过低，电刷负载过轻时，不易建立氧化膜，可能会擦伤电刷表面；电刷的运行电密过高，电刷过载时，电刷的表面将产生过烧斑点，破坏电刷接触面。
　　1.1.2电刷的运行环境要求
　　电刷的最佳运行环境是空气的含水量在8-15g/m3，空气中的含水量或大或小，均会造成电刷磨损严重。当空气的含水量在25g/m3以上，电刷的磨损量加快；当空气的含水量在3g/m3以下时，运行环境非常干燥，电刷的摩擦面就会破坏，加快电刷的磨损；一些化学物质和清洁剂也会对集电环和电刷造成影响，加速电刷的磨损。
　　1.1.3集电环表面的粗糙度
　　集电环表面的粗糙度在Ra0.8-1.6，建议采用Ra1.6。集电环的表面粗糙度达不到要求，集电环表面过于粗糙，将破坏电刷表面，难以形成氧化膜；集电环的表面粗糙度过高，集电环表面太过光滑，可能对电刷造成粘带，破坏电刷表面，也不利于在电刷和集电环之间的表面建立氧化膜。只有当集电环表面的粗糙度在要求范围内时，电刷的碳粉颗粒进入集电环表面的凹陷部分，起到一种润滑剂的作用，才易于氧化膜的建立，降低电刷磨损。
　　1.2恒压弹簧压力
　　在机组运行过程中，刷握上的恒压弹簧必须保证压力恒定，才能保证电刷与集电环表面良好接触。如弹簧的压力值满足不了电刷与集电环接触表面压力的要求，或大或小都会加快电刷磨损。弹簧压力过低，电刷表面与集电环表面接触不良，将出现打火现象，破坏电刷表面；弹簧压力过高，电刷单位压力过大，超出了电刷自身能够承受的压力值，将加快电刷磨损。
　　1.3集电环外圆线速度
　　集电环外圆线速度也直接影响电刷的磨损情况，不同型号、不同材质的电刷有其适应的线速度要求，如选用电刷无法满足要求，将大大加快碳刷的磨损。当集电环外圆线速度大于60s/m时，在电刷与集电环之间可能出现气垫效应，造成电刷与集电环之间不能良好接触。为防止气垫效应的产生，在集电环表面开沟螺旋沟槽，沟槽宽3mm，螺距10mm。

2水电站出现电刷磨损分析
　　目前，有些水电站出现电刷磨损严重现象。例如：瑞丽江、察汗乌苏及蒲石河等水电站出现电刷磨损严重问题，以下针对电站的具体问题进行分析，给出的解决方案。
　　2.1瑞丽江水电站电刷磨损分析及处理
　　瑞丽江水电站水轮发电机机组检修时发现，在发电机的上导轴承油槽位置出现油泥，电刷位置存留润滑油，电刷磨损非常严重。发电机额定转速428.6r/min，集电环外圆线速度为24m/s，设计电流密度0.055A/mm2。水轮发电机为悬式结构，电刷装置放置在发电机上机架中心体内，下端为发电机上导轴承油挡，上端为推力轴承内侧油挡。按影响电刷磨损的几个主要因素分析，造成电刷磨损严重的主要原因为：推力轴承内侧油挡甩油，润滑油直接污染电刷与集电环接触面；设计电密相对较低，氧化膜难以建立，造成电刷磨损严重。
　　改进方案：根据瑞丽江水电站电刷磨损的具体情况，给出以下解决方案。
　　（1）对推力轴承内侧油挡结构进行改进，油挡的上端采用接触式密封，防止甩油。
　　（2）提高电刷的运行电密，每极减少8个电刷，运行电密提高至0.077A/mm2。
　　（3）集电环外圆线速度略高，同时考虑运行环境不理想，可能出现油雾问题，更换电刷型号，采用NCC634天然石墨材质的电刷。
　　2.2察汗乌苏水电站电刷磨损分析及处理
　　察汗乌苏水电站机组运行一段时间后，发现顶罩内粉尘污染严重。察汗乌苏水轮发电机集电环外径？准1030mm，圆周速度14.7m/s；电刷数量为26个/每极，电刷电流密度0.057A/mm2。采用的电刷是D172（25×32mm）电刷。按影响电刷磨损的几个主要因素分析，造成电刷磨损严重的主要原因为：D172电刷的额定电流密度0.12A/mm2，电密选取不合理，运行环境温度达不到要求，氧化膜难以建立，造成电刷磨损严重。
　　改进方案：电刷数量减少为19个/每极，电刷电流密度0.078A/mm2，便于电刷与集电环摩擦表面形成氧化膜，降低电刷磨损。
　　2.3蒲石河水电站电刷磨损分析及处理
　　蒲石河水电站机组为抽水蓄能机组，发电机额定转速333.3r/min，机组旋转方式为正、反转。机组试运行一段时间后，发现电刷磨损严重，粉尘污染严重。根据电站的实际情况分析，考虑电刷磨损的几个主要因素分析，造成电刷磨损严重的主要原因为：恒压弹簧的压力选取不合理，造成同一层的电刷磨损情况不一致；集电环选用的是螺旋沟槽型式，螺旋沟槽部分位置倒角质量较差，造成该位置电刷磨损明显比其它位置的电刷磨损严重。
　　改进方案：更换恒压弹簧，保证弹簧恒压，且按压力按电刷要求压力值；集电环外表面加工处理，对集电环的螺旋沟槽修磨，保证集电环外表面光滑。

3结束语
　　综上所述，电刷磨损严重主要与电刷本身所处运行环境的湿度、环境温度、集电环表面的粗糙度、恒压弹簧的压力及集电环外圆线速度等因素有关。发电机设计、制造时均需要重视此环节，合理的选择电刷的数量及尺寸，为电刷提供理想的运行环境，有效地控制电刷的磨损。水轮发电机的电刷装置是整个水轮发电机组非常重要的一个环节，电刷磨损严重，造成粉尘污染，可能会给机组带来更大的危害，在机组设计时，还必要考虑设置粉尘吸收装置，保证水轮发电机组安全可靠运行。