軋鋼同步電動機集電環(huán)電蝕原因分析及對策

高 峰,阮俊毅,施華杰

(寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201900)

隨著交流調速技術快速發(fā)展,交流同步電動機從20世紀90年代開始大量應用。寶鋼1996年建成投產國內第一條熱連軋全交流調速傳動系統(tǒng),之后所有產線全部采用全交流調速技術。其中,1 580 mm熱軋、1 420 mm冷軋、高速線材、厚板、1 880 mm熱軋、1 730 mm冷軋等產線主軋機電動機均采用交流變頻同步電動機。交流同步電動機有類似直流電動機換向器一樣給轉子供電的集電環(huán)裝置。由于這個集電環(huán)裝置既是一個旋轉機械結構,存在著滑動接觸、摩擦,同時它又是一個電氣部件,有著電氣絕緣、電流傳遞作用。因此,這個旋轉、導電裝置就會經常發(fā)生因各種機電原因導致的碳刷打火、集電環(huán)電蝕、燒損等重大故障,導致電動機停運。

1 故障情況

某廠發(fā)生一起精軋F1/F2兩臺主傳動同步電動機同時集電環(huán)打火電蝕故障。其中F1電動機運行中跳電,檢查發(fā)現(xiàn)電動機碳刷與刷握卡滯、刷辮脫落,部分刷握電弧燒灼熔損,集電環(huán)表面電蝕拉弧燒毛。檢查其他電動機,發(fā)現(xiàn)F2電動機碳刷也異常磨損,集電環(huán)表面電蝕、灼傷,損壞情況稍輕。電動機集電環(huán)損壞情況見圖1。

2 集電環(huán)電蝕原因探討

2.1 集電環(huán)裝置結構

軋鋼同步電動機轉子勵磁由三相交流電通過整流變?yōu)橹绷骱?經電纜連接至集電環(huán)裝置正、負匯流排上,再通過匯流排上固定的刷握及碳刷與集電環(huán)相接觸,最終由旋轉的集電環(huán)將勵磁電流導入電動機轉子繞組產生勵磁磁勢。

集電環(huán)裝置主要包括集電環(huán)、匯流排、刷握、碳刷等。集電環(huán)一般熱套在轉子軸上,與轉子一體;匯流排一般呈“C”型通過絕緣件隔離固定在集電環(huán)裝置的罩殼上,“C”型一頭接勵磁電纜;“C”型匯流排一圈安裝刷握,碳刷固定在刷握刷盒里,并采用恒壓壓簧將碳刷壓在集電環(huán)表面。集電環(huán)、碳刷、刷握及壓簧型式見圖2。

2.2 電蝕原因分析

同步電動機集電環(huán)裝置不存在換向,在正常情況下,相比直流電動機,其運行比較穩(wěn)定,維護工作量相對較少。但集電環(huán)裝置仍是動靜接觸和電能傳遞的部件,其運行狀態(tài)經常受其碳刷性能、碳刷壓力、碳刷與集電環(huán)表面的磨損、周圍的環(huán)境溫濕度、清潔度以及本身制造工藝等因素影響。在長期運行后,若點檢、維護不當,碳刷和集電環(huán)之間容易發(fā)生打火電蝕現(xiàn)象,若沒有及時發(fā)現(xiàn)隱患并進行處理,將形成惡性循環(huán),造成碳刷與集電環(huán)表面接觸不良、集電環(huán)打毛、壓簧震斷、碳刷震裂等,嚴重時將短路、接地,導致集電環(huán)燒毀、被迫停機的事故。常見的集電環(huán)故障影響因素主要如圖3所示。故障原因主要有以下幾個方面。

2.2.1 碳刷

碳刷使用或維護不當是同步電動機集電環(huán)裝置發(fā)生故障的最常見原因,主要是碳刷型號選型不當。體現(xiàn)在碳刷運行過程中磨損過快、碳刷溫度高、發(fā)熱膨脹量大、脫辮子等;其次,就是碳刷使用過程中維護、更換不及時,碳刷磨損變短,導致碳刷壓力不足或個別碳刷電流分配嚴重不均,碳刷發(fā)熱卡滯,從而造成碳刷與集電環(huán)接觸不良、跳動,出現(xiàn)電蝕打火現(xiàn)象,集電環(huán)表面出現(xiàn)麻點、凹坑,進而惡性循環(huán),直至滑環(huán)拉弧短路燒損。

2.2.2 刷握

刷握主要作用是固定碳刷,并保證碳刷與集電環(huán)充分接觸,同時將匯流排上的勵磁電流穩(wěn)定地通過碳刷傳遞到集電環(huán)上。刷握主要由刷盒和壓簧組成。刷盒尺寸偏差或變形,刷盒內框與碳刷配合不當卡滯,會引起碳刷與集電環(huán)接觸不良;長期運行后,碳刷原因或壓簧壓力調整不當導致碳刷壓力過小,也將導致碳刷與集電環(huán)接觸不良或接觸電阻變大、電流分布不均,從而產生電蝕打火現(xiàn)象。同步電動機碳刷與刷握安裝運行要求見表1。

表1 碳刷與刷握安裝要求Table 1 Requirements for brush and brush holder

2.2.3 集電環(huán)

集電環(huán)是電動機轉子繞組與外接勵磁電源通過碳刷進行電氣連接過渡的部件。碳刷和集電環(huán)表面接觸并相對運動傳遞電流,兩者有相對摩擦運動而形成磨損。因各種原因導致的集電環(huán)表面圓度、粗糙度不良,以及集電環(huán)表面出現(xiàn)嚴重條紋、溝壑等異常,將造成碳刷與集電環(huán)間跳動、接觸不良,必將產生電蝕打火現(xiàn)象。

2.2.4 其他

除了碳刷、刷握、集電環(huán)幾大部件因素外,電動機或集電環(huán)制造工藝問題以及外界環(huán)境等因素也會對集電環(huán)運行帶來不利影響。例如,同步電動機轉子勵磁銅排引線與集電環(huán)的固定、連接不良,將會導致勵磁回路連接點接觸電阻變大、開路或接地;集電環(huán)裝置維護不當積灰、外界漏水及滲油等,會導致碳刷與刷握黏結卡滯、碳刷接觸電阻變大,嚴重情況下集電環(huán)絕緣不良,正負極短路等故障;此外,檢修不當導致的異物掉入、碳刷接觸面不足、碳刷和刷握安裝松動等也會造成打火燒傷、局部短路接地等嚴重后果。

3 故障原因確認

故障F1/F2電動機此前運行一直較為穩(wěn)定,集電環(huán)、碳刷狀態(tài)也比較好,碳刷磨損量也不大。直至故障發(fā)生時,兩臺電動機未燒損一側碳刷剩余長度都在35 mm以上。F3～F7其他電動機正、負極碳刷都在40 mm以上,長于碳刷壽命線(剩余長度)18 mm,說明此前這些碳刷磨損量處在正常范圍內。檢查其他電動機集電環(huán)也不存在表面粗糙、條痕、溝壑等異常磨損。事故前電動機也未做過碳刷更換、調整等檢修維護工作,排除外界環(huán)境因素及檢修失誤導致的碳刷接觸不良、短路等問題。仔細檢查兩臺故障電動機集電環(huán)裝置故障,發(fā)現(xiàn)多個碳刷存在刷體與刷盒卡滯無法分離情況。

3.1 碳刷卡滯原因

查看PDA電動機電流監(jiān)測記錄,故障前一段時間,F1、F2電動機負荷一直偏大,其中故障幾小時前F1電動機還發(fā)生勵磁過流跳電(243%)情況。故障跳機前F1、F2電動機電樞分別150%,140%過流,勵磁也大約150%～135%過載。

對此情況,檢查勵磁過載下碳刷電流密度和發(fā)熱等是否存在問題。該電動機碳刷牌號為MG12L,尺寸為25 mm×40 mm×65 mm,每極有8只碳刷。電動機額定勵磁電流為810 A,額定電流密度為10.1 A/cm2。同步電動機集電環(huán)采用天然石墨碳刷一般允許電流密度8～12 A/cm2,電動機碳刷電流密度選用在許可范圍,而電動機頻繁150%過載情況下可達到或超過上限值。對比其他產線精軋機碳刷電流密度8.4 A/cm2,該電動機碳刷電流密度選擇有些偏高。實測電動機在軋制高強鋼等大負載情況下,碳刷電流密度接近15 A/cm2,碳刷運行溫度可達80 ℃以上。

為驗證碳刷在過載情況下是否存在發(fā)熱膨脹量過大問題,在室溫及勵磁過載運行溫度(80 ℃)下,對碳刷外形尺寸(厚度)、膨脹量以及刷盒內孔尺寸測量校核,結果如表2。

表2 不同溫度下碳刷與刷握尺寸Table 2 Brush and brush holder size at different temperatures

試驗表明,室溫下碳刷原始平均厚度為24.91 mm,加熱至80 ℃條件下,碳刷平均厚度為25.31 mm,碳刷膨脹量為0.40 mm,膨脹率為1.6%,明顯偏高;室溫下刷盒原始內孔尺寸為25.12 mm,而80 ℃時刷盒內孔尺寸為25.15 mm。碳刷與刷盒平均出現(xiàn)0.16 mm緊配合。而碳刷裝配要求在碳刷厚度<30 mm時,碳刷和刷盒的配合間隙是0.1～0.2 mm。碳刷與刷盒間的緊配合造成碳刷的嚴重卡滯。

3.2 集電環(huán)電蝕原因

通過上述試驗結論可以分析判斷,在頻繁過載(大電流、高溫升)工況影響下,碳刷發(fā)熱膨脹至與刷盒緊配合,碳刷在刷盒內卡滯,無法自由移動。在此情況下,隨著碳刷磨損,碳刷無法自由跟隨,碳刷與集電環(huán)的滑動接觸壓力將變小或波動,引起碳刷接觸壓降變化并導致碳刷電氣磨損急劇增加,接觸火花不可避免地產生?；鸹ㄔ斐杉姯h(huán)表面電蝕、灼傷,并發(fā)展成為毛刺、凹坑。最終形成“火花大—集電環(huán)表面燒傷—滑動接觸惡化—火花更大”的惡性循環(huán),最終集電環(huán)嚴重電灼燒損。

針對碳刷卡滯情況,不能簡單通過增加碳刷壓力來克服,因為增加碳刷壓力會導致機械磨損快速增加。運行中的碳刷和集電環(huán)表面存在著兩種磨損:一種是機械磨損,一種是在電流作用下的電氣磨損。所謂電氣磨損,是指由于電弧高溫和放電等因素的作用,使極面材料受到損傷、損壞的情況。而由于電氣磨損影響相鄰接觸面,因此也會對機械磨損程度產生影響。碳刷和集電環(huán)表面的機械磨損與碳刷和集電環(huán)表面的接觸壓力成正比,壓力大,磨損大;而碳刷和集電環(huán)表面的電氣磨損與碳刷和集電環(huán)表面的接觸壓力成反比,壓力大,磨損小。碳刷綜合磨損與接觸壓力關系[1]見圖4。

此外,同步電動機集電環(huán)與直流電動機整流子類似。集電環(huán)與碳刷表面由于水分存在,碳刷、水膜、滑環(huán)形成電解質環(huán)境。碳刷與集電環(huán)是兩個電極,水膜是電解質溶液。由于電化學反應,集電環(huán)表面會形成氧化膜,氧化膜減小摩擦因數,起到良好的潤滑作用,在運行過程中對集電環(huán)和電刷磨損起著非常重要的作用。研究表明[2-3],采用天然石墨碳刷的同步電動機,連接正極(陽極)碳刷的集電環(huán),在碳刷、水膜、集電環(huán)三者電解質環(huán)境中是陰極,陰極保護原理使得集電環(huán)表面生成氧化膜,因此磨損較小;反之,連接負極性碳刷的集電環(huán),陽極的Fe在直流電下失去電子被氧化,“陽極蒸發(fā)”效應的電化學反應損耗比機械磨損嚴重,因此集電環(huán)表面一般較粗糙,且碳刷磨損顯著地大于正環(huán)的磨損。然而,通過對各種工況下同步電動機檢查,由于環(huán)境的溫濕度、油霧、灰塵,以及電流密度、溫度等綜合影響,并非所有電動機的集電環(huán)都存在連接負極性的環(huán)比正極性的環(huán)磨損嚴重的情況,甚至可能還出現(xiàn)相反的情況。鑒于上述情況,為了使兩個集電環(huán)的使用壽命基本一致,使用時,在集電環(huán)表面狀態(tài)還未明顯惡化時,最好每隔半年左右的時間改變一次集電環(huán)極性。

4 對策方案

為解決該電動機存在的問題,從電動機修理改進、碳刷性能指標提升、電動機運行管理等各個方面開展了工作。

4.1 集電環(huán)修復

對于同步電動機燒灼的鋼制集電環(huán),比較徹底的修復處理方法是車削受損的集電環(huán)表面。電動機集電環(huán)安裝方式分為內置式和外置式。外置式集電環(huán)在轉子非負荷側軸承座外側,可以較為方便拆下離線進行加工處理,也可在線車削處理;而故障電動機集電環(huán)為內置式,即安裝在電動機軸承座與電動機定子機座間,拆除工藝復雜,時間長,只能在線處理。

采用在線車削裝置進行加工處理,首先要拆除電動機軸頭編碼器,利用電動機轉子軸頭制造工藝孔配連接法蘭,再裝配盤車驅動減速電動機;其次,在電動機鋼底板上定位安裝簡易手動進刀、走刀的車削裝置。采用此種在線車削裝置,集電環(huán)車削處理效果好,效率高。修理后的電動機集電環(huán)圓度偏差可按表3控制。

表3 集電環(huán)圓度偏差Table 3 Roundness tolerance of slip ring

4.2 改善碳刷性能

為解決碳刷熱膨脹率過大問題,通過對碳刷重新選型,材質進行改進,提高了碳刷性能。新碳刷不僅考慮了碳刷的載流密度、潤滑性能、硬度等指標,還特別考慮了碳刷極限溫升(120 K)膨脹率小于1%,從而確定了碳刷的原始成型尺寸。經對原始碳刷檢測分析,國產碳刷采用相似的材料進行加工,且刷體側面開槽,增強散熱。新碳刷性能指標見表4。

表4 D2525F3性能指標Table 4 Characteristic of brush D252F3

4.3 降低電流密度

對集電環(huán)裝置匯流排位置空間進行檢查發(fā)現(xiàn),可以在原有匯流排上適當增加刷握及碳刷個數以降低電流密度。定修中對每臺電動機每極“C”型匯流排增加2付碳刷。增加2付碳刷以后,電動機勵磁碳刷額定電流密度降低到8.1 A/mm2。這種電流密度及新型碳刷可以保證即使在頻繁過載下碳刷、集電環(huán)運行溫度也不至于過高,避免碳刷熱膨脹卡滯的情況發(fā)生。

4.4 優(yōu)化生產及軋制工藝

對于高強鋼等高軋制力、高負荷生產,應優(yōu)化軋制模型,均衡機架間軋制力,避免個別機架負荷過大;同時生產計劃安排上避免連續(xù)大批量安排高軋制力計劃,減少連續(xù)過載導致碳刷電流密度過大,碳刷過熱、膨脹,碳刷與集電環(huán)間接觸不良等負面影響。

5 結語

同步電動機集電環(huán)裝置電蝕主要因素是碳刷、刷握、集電環(huán)等主要部件運行中出現(xiàn)了影響電流傳遞的各種問題。高的碳刷電流密度以及較高的碳刷運行溫度可能導致碳刷熱膨脹率過大,碳刷與刷握變成緊配合、卡滯,從而造成碳刷與集電環(huán)接觸不良而電蝕。連接負極性碳刷的集電環(huán)表面“陽極蒸發(fā)”效應會增加集電環(huán)表面粗糙度,加速碳刷的磨損。提高碳刷性能,同時增加碳刷數量、降低額定電流密度,定期對正負集電環(huán)極性進行調換,可以減少集電環(huán)電蝕和碳刷磨損,確保集電環(huán)穩(wěn)定運行。