電刷在集電環(huán)上運行時(shí)，在其接觸面上形成一層均勻、適度、穩定的氧化膜，這是電機運行良好的主要標志之一。因為這層氧化膜的存在，改變了電刷與集電環(huán)的接觸特性、減少了摩擦、降低磨損、延長(cháng)使用壽命。氧化膜是一種復合薄膜，其組成成分與電刷型號及集電環(huán)的材料成分有關(guān)。氧化膜的正常厚度在8－100nm的范圍內，一般為25nm.用電子顯微鏡觀(guān)察發(fā)現，電刷與集電環(huán)接觸面是由無(wú)數個(gè)點(diǎn)相接觸，一般接觸面只有電刷總面積的千分之幾左右。接觸面積的大小，由電機的轉速、集電環(huán)材質(zhì)的硬度、加工精度、偏擺度、電刷的材質(zhì)、電刷上的壓力大小等因素來(lái)決定。
有研究發(fā)現，外加電壓小時(shí)，氧化膜絕緣，當電壓升高到一定值時(shí)，氧化膜被擊穿。當擊穿后，不管電流如何增加，由于導電點(diǎn)的增加、導電面積的擴大，則接觸電壓保持恒定。
氧化膜具有非常好的潤滑性能，電刷與集電環(huán)接觸表面起潤滑作用的潤滑層主要是石墨膜，這層石墨膜，將電刷與集電環(huán)分開(kāi)，使摩擦在石墨潤滑層間進(jìn)行，降低了摩擦系數，減少了摩擦熱的產(chǎn)生，減少了電刷的磨損。電刷的過(guò)熱故障，很多情況是由于氧化膜被破壞且無(wú)法重新建立導致的。
一、電刷及集電環(huán)常見(jiàn)故障的原因及解決辦法
電刷在運行中常見(jiàn)的故障為發(fā)熱、產(chǎn)生火花、嚴重的燒損電刷刷握及集電環(huán)。從產(chǎn)生過(guò)熱故障的原因看，主要有以下幾個(gè)方面：
1、由于通風(fēng)不良導致的發(fā)熱：通風(fēng)不良主要是因為冷卻風(fēng)道堵塞，集電環(huán)表面通風(fēng)溝、通風(fēng)孔堵塞、循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量下降等原因，尤其是當運行中集電環(huán)表面溫度過(guò)高時(shí)，導致電刷磨損加劇，碳粉積聚增加，有可能會(huì )堵塞上述集電環(huán)表面的散熱通道。因此在大小修時(shí)，應對集電環(huán)表面通風(fēng)溝、孔以及冷卻風(fēng)道濾網(wǎng)進(jìn)行清理，保持通暢。對于經(jīng)過(guò)多次車(chē)削的集電環(huán)，如果集電環(huán)表面的通風(fēng)溝高度不到5mm，已經(jīng)車(chē)削到徑向限制孔時(shí)，就應當按照說(shuō)明書(shū)根據小使用外徑進(jìn)行更換，以保證集電環(huán)的機械及散熱可靠性。
2、由于接觸電阻過(guò)大或分布不均勻而產(chǎn)生的發(fā)熱：集電環(huán)和電刷是通過(guò)相互滑動(dòng)接觸導通勵磁電流的，根據容量及型號的不同，每個(gè)集電環(huán)上大約分布著(zhù)數十只電刷，由于接觸電阻的不同，電流分配的差異，會(huì )導致發(fā)熱不均勻，有以下幾個(gè)原因：（1）電刷與滑環(huán)表面接觸電阻、電刷與刷辮接觸電阻、刷辮與刷架引線(xiàn)接觸電阻過(guò)大?？赏ㄟ^(guò)測量單個(gè)電刷總壓降、電刷接觸壓降、刷體壓降、聯(lián)結壓降、刷辮壓降進(jìn)行相互間對比來(lái)檢查。同時(shí)檢查回路中各螺絲是否緊固。檢查電刷接觸面的清潔程度，是否存在油污污染。（2）電刷壓力不均勻或不符合要求，可能有電刷過(guò)短、彈簧由于過(guò)熱變軟老化失去彈性等原因。應使用彈簧秤檢查電刷壓力。恒壓彈簧應完整無(wú)機械損傷，壓力應符合其產(chǎn)品的規定，同一極上的彈簧壓力偏差不宜超過(guò)5％；非恒壓的電刷彈簧，有規定時(shí)壓力應符合其產(chǎn)品的規定，當無(wú)規定時(shí)，應調整到不使電刷冒火的低壓力，一般為140－250g/cm2，同一刷架上每個(gè)電刷的壓力應均勻。（3）集電環(huán)與轉子引線(xiàn)接觸電阻過(guò)大，這種情況應對集電環(huán)與轉子引線(xiàn)間的緊固螺絲進(jìn)行加固。（4）電刷材質(zhì)不良、導電性能差、使用的型號不符合要求或者使用了不同型號的電刷。同一電機上應使用同一型號、同一制造廠(chǎng)的電刷，對于外觀(guān)檢查有明顯差異的電刷應更換。
3、由于機械及摩擦等原因造成的過(guò)熱：集電環(huán)與電刷過(guò)熱故障中，很大一部分是由于機械及摩擦等原因導致的過(guò)熱，如果在開(kāi)機時(shí)還未加勵磁，就已經(jīng)發(fā)現集電環(huán)與電刷溫度高，或者在運行中溫度過(guò)高，拔出幾只電刷后，溫度反而降低，那就基本可以肯定是由于機械及摩擦原因導致的。機械及摩擦導致發(fā)熱的情況很復雜，主要有以下幾個(gè)方面：（1）電刷接觸面研磨不良或運行中一次更換過(guò)多的電刷。運行中更換電刷，在同一時(shí)間內，每個(gè)刷架上只允許更換1－2個(gè)電刷。換上的新電刷應事先在與集電環(huán)直徑相同的模型上研磨好，且新舊牌號須一致。如果在大修時(shí)一次更換的電刷很多，應當在投運前沖轉時(shí)，為電刷表面形成氧化膜留夠充足的時(shí)間。（2）電刷與集電環(huán)接觸面過(guò)小，接觸面積一般不應小于單個(gè)電刷截面的75％。（3）電刷在刷盒中搖擺或動(dòng)作卡澀。電刷在刷握內應能上下自由移動(dòng)，其間隙應符合產(chǎn)品的規定，當無(wú)規定時(shí)，其間隙可為0.10－0.20mm.電刷外形要方正，上下端尺寸誤差不得大于0.05mm.（4）刷握與集電環(huán)表面間隙過(guò)大。由于電刷材質(zhì)較脆，當刷握與集電環(huán)表面間隙過(guò)大時(shí)，運行中電刷不能整體接觸集電環(huán)，與集電環(huán)呈斜面接觸，容易造成電刷崩裂的情況。刷握與集電環(huán)表面的間隙應符合產(chǎn)品技術(shù)要求，當產(chǎn)品無(wú)規定時(shí)，其間隙可調整為2－3mm.調整間隙時(shí)，可使用一層2－3mm厚的橡膠墊附在集電環(huán)表面，將刷握抵到橡膠墊上，然后上緊定位螺絲，取出橡膠墊。
二、幾起集電環(huán)、電刷故障的分析及建議
1、加強對電刷表面氧化膜的認識，創(chuàng )建其形成和正常工作的條件：近期發(fā)生的幾起故障，主要原因是因為電刷表面的氧化膜潤滑層無(wú)法形成，氧化膜的形成需要一些條件，當條件不滿(mǎn)足時(shí)，氧化膜無(wú)法形成或形成不良，主要有以下幾個(gè)原因：（1）溫度過(guò)高：電刷的氧化膜一般在70℃左右較易形成，當集電環(huán)、電刷出現過(guò)熱故障時(shí)，通常溫度都在150℃以上，此時(shí)即便換上新的電刷，氧化膜也不易形成，無(wú)法起到潤滑作用，電刷磨損將加劇，導致溫度繼續升高，成為惡性循環(huán)。此時(shí)可采取外部強迫降溫的方法，譬如涂抹凡士林、大功率風(fēng)扇通風(fēng)等手段，使集電環(huán)溫度降到正常范圍內，持續一段時(shí)間，讓電刷表面氧化膜逐漸形成，使之進(jìn)入良性循環(huán)狀態(tài)。（2）冷卻空氣中有污染性雜質(zhì)：空氣中的雜質(zhì)對電刷表面氧化膜的形成將帶來(lái)不利影響，這些雜質(zhì)包括：硫化物或鹵族元素的腐蝕性氣體、空氣中油氣混合物、粉塵、鐵屑、鐵銹粉塵、碳粉等其他雜質(zhì)。電刷磨損時(shí)，本身會(huì )產(chǎn)生碳粉的粉塵雜質(zhì)，可采用在刷架罩冷卻通風(fēng)循環(huán)通道上安裝過(guò)濾裝置來(lái)改善刷架罩內的空氣質(zhì)量。（3）空氣濕度太低或含氧量太低：電刷表面氧化膜的形成需要空氣中有一定的水分含量，即空氣濕度不能太低，但也不能太高。另外，氧化膜的形成主要與空氣中的氧氣發(fā)生氧化作用而產(chǎn)生，當含氧量過(guò)低時(shí)也不利于氧化膜的形成。
氧化膜無(wú)法形成或形成不良除與上述因素有關(guān)外，還有電刷過(guò)度研磨、使用溶劑進(jìn)行擦拭、集電環(huán)表面光潔度不良以及碳刷材質(zhì)不合格等原因。
2、電刷及刷架產(chǎn)品在選購過(guò)程中應嚴格控制質(zhì)量：目前同一品牌的電刷，都是在各個(gè)不同的地方、不同的工廠(chǎng)加工的。這就要求我們在進(jìn)貨過(guò)程中對產(chǎn)品質(zhì)量嚴格把關(guān)，對生產(chǎn)廠(chǎng)家的工藝和質(zhì)量檢測手段及程序進(jìn)行了解。
3、生產(chǎn)運行中加強對集電環(huán)及電刷的維護管理：加強電刷、集電環(huán)系統的專(zhuān)職維護制度，提高專(zhuān)責人的技術(shù)水平，嚴格按照《汽輪發(fā)電機運行規程》的要求對集電環(huán)、電刷進(jìn)行檢查和運行維護，一次更換電刷的數量要嚴格控制。另外要積極運用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行集電環(huán)、電刷日常的巡檢檢查以及對故障部位有懷疑時(shí)作為輔助分析的工具。
另外，本次會(huì )議還就定子絕緣引水管結垢提出分析建議：
1、當發(fā)現絕緣引水管結垢很?chē)乐貢r(shí)，或者已經(jīng)影響到常規預試結果時(shí)，建議全部更換新的絕緣引水管。
2、發(fā)電機每次大修結束后，開(kāi)機前定子水系統應使用除鹽水進(jìn)行帶壓力反復沖洗，直至排水清澈無(wú)顆粒，電導率合格。
3、發(fā)電機正常運行期間累積運行時(shí)間達到兩個(gè)月遇有停機機會(huì )時(shí)，對定、轉子內冷水系統進(jìn)行反沖洗。
4、完善發(fā)電機整個(gè)冷卻水系統，應盡可能使其密閉循環(huán)，運行中水質(zhì)含銅量高，絕緣引水管內壁臟污結垢主要成分為銅，是因為水路不密閉，長(cháng)期氧化腐蝕銅管導致。
5、加強運行中水質(zhì)監控，內冷水質(zhì)應嚴格按照運行規程執行。
6、對于水系統問(wèn)題的解決應主要從平時(shí)運行維護抓起，各專(zhuān)業(yè)間應進(jìn)行必要的溝通交流，對相互專(zhuān)業(yè)交叉知識部分應當有一定的了解。發(fā)電機是一個(gè)綜合設備，關(guān)系到很多的專(zhuān)業(yè)層面，在某一個(gè)專(zhuān)業(yè)看來(lái)很重要的問(wèn)題，也許并不能得到其他專(zhuān)業(yè)的重視，這就對設備的安全運行造成了很多隱患。