集电环在水力发电的核心设备的问题解决

时间:2020-09-24 浏览:

  水电作为环保、经济的可再生清洁能源,在我国现有能源中占有重要地位. 水力发电的核心设备是水轮发电机,水轮发电机中碳刷/集电环装置是将励磁电流引入励磁绕组的重要部件,其通过碳刷与集电环滑动接触来实现水轮发电机励磁电流的输送. 碳刷与集电环的滑动接触属于电接触学和摩擦学构成的具有强烈性能耦合和损伤耦合的载流摩擦系统. 据统计,在水轮发电机常见事故中励磁系统故障约占发电机故障的1/3,而碳刷/集电环打火烧损等事故约占励磁系统故障的26%. 碳刷/集电环摩擦副的过度磨损[4]以及接触不匀所造成的碳刷过热、跳火和环火问题是所有大小型水轮发电站目前所面临的急需解决的问题之一,也一直是工程界和学术界所关注的焦点.

  碳刷/集电环是各种电机和发电机用于高导电率和导热率的主要电接触摩擦副,碳被广泛应用于电流收集系统(例如用于水轮发电机励磁系统的碳刷/集电环摩擦副). 在这些系统中碳与集电环的载流摩擦和磨损行为对于电流稳定传输具有相当重要的实用意义.Vera Deevaa等[5]研究表明电流增加摩擦接触界面氧分子的压力使氧化层生成速率加快导致摩擦系数减小.在高速电接触滑动下,实际接触面积仅为名义接触面积的百分之几[6],所以电流在碳刷/集电环间传输是在局部接触峰点传导且在热堆积部位承载,由于强烈的电阻热和摩擦热的联合作用会导致电接触界面附近出现高温区域,这可能会降低材料的性能并导致严重磨损[7-9]. Mitjan Kalin等[10]指出,聚合物粘结的石墨/Cu形成光滑的摩擦薄膜降低了局部接触压力和温度,并且较大表面覆盖率降低了磨损和接触电阻,从而降低了接触不稳定性和摩擦. Kong等[11]指出氧化层可以起到保护界面作用也可以被电弧和磨料磨损所破坏. 林修洲等[12-14]发现碳刷的磨损机制受电弧的影响,低载荷下主要磨损机制为黏着磨损和材料转移,高载荷下主要磨损机制是机械磨损. 这些文献显示载流滑动接触材料在不同条件下存在不同的磨损机理.

  基于此,本文作者采用多功能摩擦磨损试验机通过控制变量法研究载荷、速度和电流密度等因素对碳刷/集电环摩擦磨损性能的影响,通过对试验后摩擦系数、磨损率及磨损表面形貌、微观结构特征的分析,研究接触界面损伤演变行为及关键影响因素,揭示碳刷/集电环摩擦副在载流与无载流时性能差异及磨损机理,为长寿命、高可靠度的水轮发电机励磁系统设计提供理论依据.