集电环材料配比与碳刷消耗研究

集电环材料配比与碳刷消耗研究

袁,剑  ,肖盛辉  ,陈桃英

四川港航嘉陵江金沙航电开发有限公司  四川  阆中  637400 

摘　要：灯泡贯流式水轮发电机集电环因材料选择不当，会导致集电环工作面易磨损起沟槽、工作温度过高，碳刷打火花严重、碳刷更换周期短等系列问题。本文通过对集电环材料配比与碳刷消耗研究，找到适合于灯泡贯流式水轮发电机集电环最佳材料，不仅降低集电环与碳刷磨损速度，而且有效解决集电环工作温度过高，碳刷打火花严重等问题。

关键词：集电环   碳刷   磨损严重   材料配比

1 概述

四川港航嘉陵江金沙航电开发有限公司沙溪枢纽位于四川省阆中市境内，是嘉陵江渠化开发十六级规划的第三级枢纽,也是全国最大的水力翻板坝挡水工程，2012年1月首台机组并网发电。沙溪枢纽安装3台灯泡贯流式水轮发电机组,总装机容量87MW，发电机型号SFWG29-64/6650，集电环为不锈钢0cr18Ni9材料的悬臂结构，正负极碳刷共24个。机组投运1年后，集电环工作面开始出现轻微沟槽和碳刷打火花现象，随着使用时间的增加，集电环工作面磨损沟槽平均深度达2mm、运行温度超过120℃，碳刷打火花现象较严重，碳刷平均更换周期3-6个月，严重影响机组的安全稳定运行。

2 集电环及碳刷磨损严重原因分析

集电环、刷架、碳刷是发电机安全运行的咽喉部件。集电环材料及碳刷选用不当是造成集电环磨损严重、运行温度偏高，碳刷快速损耗等异常现象的主因。集电环和碳刷的工作方式是通过滑动接触导通励磁电流。机组在运行过程中，集电环有一定的振动，且碳刷在每个卡簧压力不均的情况下，碳刷与集电环工作面就会产生一定的间隙，使每个碳刷分布在集电环工作面上的接触电阻不同，励磁电流分配有差异，导致运行中的集电环发热和打火花的现象。火花的产生导致电弧对集电环工作面的灼伤，我们把它叫着“电焊现象”。电焊现象在集电环工作面产生硬度较低的Fe2O3等金属氧化物,导致集电环工作面硬度降低，在与碳刷滑动磨擦过程中容易被磨损起沟槽，不仅加大碳刷与集电环工作面的间隙，而且加剧产生“电焊现象”，从而进一步电腐蚀集电环工作面。如此反复循环，导致集电环工作面磨损沟槽越来越深、运行温度越来越高，碳刷打火花现象越来越严重，碳刷更换周期越来越短。

此问题不及时解决，严重时，运行中的集电环会出现环火，烧毁集电环及碳刷、刷架，造成运行机组被迫停运，产生重大的经济损失。

3 集电环及碳刷磨损严重处理措施

通过分析集电环及碳刷磨损严重原因，结合贯流式水轮发电机组振动较大、集电环为悬臂结构等实际，充分对比分析不同材料集电环的硬度、耐磨性、导电性等特点，从而选择易加工、性价比高的集电环材料。同时，通过选择不同材料的碳刷，确保碳刷与集电环工作面配合紧密、摩擦系数小，从而减少碳刷的磨损。

3.1 集电环材料配比研究

集电环材料的性能要求为导电性好、机械强度大、易加工，与碳刷滑动接触时，必须具备良好的耐磨性和稳定滑动接触特性。因钢材的机械强度大，导电性、耐磨性较好，是目前同步发电机集电环通常选择的材料，如碳钢Q235B、不锈钢0cr18Ni9、锻钢50Mn等。根据成分不同和冶炼加工难度，钢材的导电性、机械强度、耐磨性、经济性等存在差异，其性能比对如表1。

表1                       不同集电环材料性能比对

通过对集电环常用材料碳钢Q235B、不锈钢0cr18Ni9、锻钢50Mn的性能比较（表1），采用不锈钢0cr18Ni9，虽然耐腐性好，无磁化，但耐磨性较差，滑动特性不稳定，易磨损起沟槽；采用碳钢Q235B，不仅导电性、耐磨性较好，允许工作温度较高，且密度低于前者，重量减轻，减少支架的挠度，提高运行中集电环同心度；采用锻钢50Mn，虽然导电性、耐磨性比前两者都好，但其允许工作温度

≤110℃，不满足灯泡贯流式水轮发电机集电环的运行温度，尤其机组在夏季高温、高负荷长期运行工况。

综上所述，结合沙溪枢纽发电机集电环结构、工作环境及低转速等实际，优先选用发电机集电环材料为经热处理后碳钢Q235B。

3.2 碳刷消耗研究

机组在运行过程中，发电机集电环与碳刷之间的工作方式靠滑动接触导通励磁电流，碳刷消耗主要取决于集电环工作面的摩擦系数和碳刷抗磨性能。在集电环加工制造过程中，一般要求集电环外圆面用0#纱布进行抛光至表面粗糙度为Ra1.6～0.8μm，尽量降低摩擦系数（如右图）。因此，碳刷消耗重点取决于碳刷抗磨性能以及碳刷与集电环工作面的匹配情况。

碳刷按材料分类，一般可分为金属石墨碳刷、电化石墨碳刷和天然石墨碳刷。目前碳刷生产厂家较多，根据市场上碳刷使用情况，我们重点对常用的金属石墨碳刷J201、电化石墨碳刷EG34D和天然石墨碳刷NCC634的性能进行比对分析，如下表2。

表2                      不同碳刷材料性能比对

通过对金属石墨碳刷J201、电化石墨碳刷EG34D和天然石墨碳刷NCC634的性能比较（表2），碳刷J201虽然导电性、导热性、耐磨性优良，但强度高，容易磨损集电环；碳刷EG34D虽然耐高温，导电性、导热性、耐磨性良好，但强度较高，主要用于交、直流电机；碳刷NCC634不仅耐高温，导电性、导热性、耐磨性良好，而且强度较低，摩擦系数低，润滑性优良，质量轻、随动性好，主要适用于大功率发电机集电环。

综上所述，结合沙溪枢纽发电机集电环材料碳钢Q235B性能，优先选择天然石墨碳刷NCC634与集电环配合使用。

4 集电环及碳刷磨损严重处理后的运行效果

2021年3月和2022年5月，分别将沙溪枢纽1#机组和3#机组集电环材料由不锈钢0cr18Ni9更换为碳钢Q235B，并选用天然石墨碳刷NCC634与之配合使用。截止到2022年8月，1#机组运行466天（并网运行7221小时），3#机组运行90天（并网运行1858小时），碳刷均未更换过。根据现场观察和实测，运行效果如下：

4.1 集电环运行情况

集电环工作面光滑似镜，无痕无沟槽，碳刷无打火花现象；夏季环境温度超过35℃时，在机组满负荷运行工况下实测集电环工作面运行温度不超过75℃。

（1#机组集电环）                             （3#机组集电环）

4.2 碳刷磨损情况

1#机组碳刷最大磨损量约10mm，最小磨损量约7mm，平均磨损量约8.79mm，碳刷平均每天磨损量约0.0189mm，预计碳刷平均更换周期（碳刷磨损量不超过20mm）约1060天，折合约35个月，是不锈钢0cr18Ni9材料集电环更换碳刷平均周期（6个月）的5.8倍左右。

3#机组碳刷最大磨损量约4.5mm，最小磨损量约1.13mm，平均磨损量约2.44mm，碳刷平均每天磨损量约0.0271mm，预计碳刷平均更换周期（碳刷磨损量不超过20mm）约738天，折合约25个月，是不锈钢0cr18Ni9材料集电环更换碳刷平均周期（6个月）的4.2倍左右。

5 结束语

通过对集电环材料配比与碳刷消耗研究，沙溪枢纽发电机集电环材料采用碳钢Q235B，并选择天然石墨碳刷NCC634与集电环配合使用，不仅彻底解决了集电环工作面易磨损起沟槽、集电环运行温度偏高、碳刷打火花现象严重，碳刷更换周期短的问题，而且提高机组安全稳定运行能力，每年可以节约生产成本2-3万元。目前，嘉陵江流域灯泡贯流式水轮发电机集电环采用不锈钢0cr18Ni9材料较多，普遍存在集电环工作面磨损严重、碳刷更换周期短等共性问题，可推广使用。

作者简介：

袁  剑，男，44岁，高级工程师，四川港航嘉陵江金沙航电开发有限公司副总工程师。

肖盛辉，男，41岁，工程师，四川港航嘉陵江金沙航电开发有限公司沙溪枢纽生产技术部副经理。

陈桃英，女，42岁，高级工程师，四川港航嘉陵江金沙航电开发有限公司沙溪枢纽生产技术部电气一次专责。