Скользящий контакт электрических машин - Обеспечение нормальной работы скользящего контакта

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ НОРМАЛЬНОЙ РАБОТЫ СКОЛЬЗЯЩЕГО КОНТАКТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Успешная эксплуатация скользящего контакта электрических машин может осуществляться только в том случае, если при выборе образующих его элементов будут учтены те многочисленные факторы, которые были рассмотрены выше. Одни из этих факторов являются универсальными в том смысле, что проявляют себя во всех случаях использования скользящего контакта, другие проявляют себя только в особых, специфических случаях эксплуатации электрических машин.

Общие технические требования, предъявляемые к электрическим машинам, не предназначенным для особых условий эксплуатации, сформулированы в ГОСТ 183-66. В разделах, относящихся к скользящему контакту, этот стандарт нормирует следующие показатели:
а)   в коллекторных электрических машинах, у которых передвижение щеток по коллектору не используется для регулирования частоты вращения или коэффициента мощности (как, например, в коллекторных машинах переменного тока), щетки должны находиться при всех нагрузках от холостого хода до номинальной в положении, установленном заводом — поставщиком машины;
б)  искрение на коллекторе электрической машины должно оцениваться по степени искрообразования под сбегающим краем щетки по шкале (классам коммутации), описанной в гл. 6; в) предельно допустимые превышения температуры коллекторов и контактных колец, измеренные с помощью термометра, при температуре газообразной охлаждающей среды +40 °C и высоте над уровнем моря не более 1 000 м не должны превышать следующих значений:
Для машин, изолированных материалами классов по ГОСТ 8865-58           . .
А             Е             В             F             Н
Предельные допускаемые превышения
температуры, °C.............................. 60           70       80       90      100
г) электрические машины, предназначенные для продолжительного или повторно-кратковременного номинального режима работы, а следовательно, и детали их скользящего контакта должны без повреждений и остаточных деформаций выдерживать в нагретом состоянии следующие перегрузки:
машины постоянного тока (кроме возбудителей с отношением предельного напряжения к номинальному напряжению возбуждения более 1,6) и коллекторные машины переменного тока — перегрузку по току 50% в течение 1 мин;
возбудители с отношением предельного напряжения к номинальному напряжению возбуждения более 1,6— 100% — перегрузку по току (от номинального тока возбуждения возбуждаемой машины) в течение 1 мин;
бесколлекторные машины переменного тока мощностью 0,6 кВт и выше, кроме машин с непосредственным охлаждением, — перегрузку по току 50% в течение 2 мин, а мощностью до 0,6 кВт в течение 1 мин.

Перенося перечисленные требования к электрическим машинам на детали узла токосъема и имея в виду необходимость увеличения срока службы последних, к элементам скользящего контакта в свою очередь предъявляют следующие требования:
а) электрощетки должны обеспечивать надежный контакт с вращающимися частями электрических машин и не вызывать нарушения этого контакта;
б) электрощетки должны надежно осуществлять коммутационный процесс машины и не вызывать искрения, связанного с переключением токов в замыкаемых секциях обмоток;
в)  электрощетки должны обеспечивать нормальную эксплуатацию машин при перегрузочных режимах, предусмотренных для них технической документацией (ГОСТ и технические условия);
г)  материал элементов скользящего контакта должен обладать возможно большей износоустойчивостью;
д) материал элементов контакта должен обеспечивать минимально возможные потери в нем;
е)  материал элементов контакта должен обладать достаточной механической прочностью.

Общие способы удовлетворения перечисленных требований достаточно подробно освещены ранее. В последующем изложении рассматривается та часть проблемы обеспечения нормального функционирования скользящего контакта, которая связана с выбором марок электрощеток, и сделано это применительно к оборудованию, эксплуатируемому в важнейших отраслях народного хозяйства. При этом эксплуатационные характеристики контакта определяются не только свойствами материалов, из которых изготовлены электрощетки. На характеристики оказывает существенное влияние техническое состояние электрических машин, виды нагрузочных диаграмм, особенности окружающей среды и многие другие факторы. Приведя эти факторы в соответствие с описанными ранее нормами и устранив те из них, которые препятствуют нормализации работы контакта, удается создать условия, при которых эта работа будет зависеть от правильного выбора электроугольных изделий. Именно такая ситуация и положена в основу излагаемых далее рекомендаций по подбору электрощеток. Излагаемые рекомендации являются обобщением отечественного и зарубежного опыта по подбору электроугольных изделий  к конкретным условиям их использования и по оценке обеспечиваемых ими эксплуатационных характеристик. Среди последних наиболее полно будет анализироваться характеристика скорости изнашивания электрощеток, поскольку сам факт ее получения свидетельствует о том, что большинство других показателей работы скользящего контакта удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям.
Скорость изнашивания электрощетки vщ, вычисляемая как отношение величины ее абсолютного износа к промежутку времени ΔΤ, в течение которого этот износ образовался достаточно полно, характеризует износоустойчивость отдельного электроугольного изделия. Для целей практики подобная оценка является недостаточной; здесь необходимо располагать сведениями об износе всех используемых в тех или иных условиях электрощеток. Значения vщ всех этих электрощеток распределены по закону, описываемому уравнением (1-1). Следовательно, для оценки износа всех используемых в изучаемых условиях электроугольных изделий можно воспользоваться параметрами расположения и рассеяния соответствующего распределения. Параметром расположения распределения является величина средней скорости изнашивания электрощеток; параметром рассеяния распределения служит величина среднего квадратического отклонения . Значение этих двух параметров позволяет вычислить весьма важную для практических целей максимально возможную величину скорости изнашивания электрощетки:

Последняя используется в расчетах показателей надежности и долговечности электроугольных изделий.

* Доказательство излагаемых здесь положений о законе распределения скорости изнашивания электрощеток содержится в [Л. 1-18 и 3-1]. Описание методов проведения эксплуатационных испытаний электрощеток, дающих фактические сведения для вычисления значений, подробно изложено в [Л. 1-4].

Щетки для машин электрических станций и подстанций.
Производство электроэнергии в нашей стране сосредоточено на крупных электрических станциях, где в качестве основных агрегатов используются синхронные турбо- и гидрогенераторы. С помощью первых производится около 80% всей вырабатываемой в СССР электроэнергии. Остальные 20% приходятся на долю гидрогенераторов. Современные турбогенераторы проектируются и работают при частоте вращения 3000 об/мин и имеют следующие основные характеристики (табл. 9-1).
Изготовленные в последние годы уникальные гидрогенераторы характеризуются следующими основными показателями (табл. 9-2):
Таблица 9-2

В схеме возбуждения турбо- и гидрогенераторов используется скользящий контакт типа «электрощетка — контактное кольцо», принципиальная особенность которого состоит в том, что в нем отсутствуют процессы коммутации и на каждом отдельном кольце работают комплекты электрощеток только одной полярности. Помимо отмеченного, работа скользящего контакта в рассматриваемых условиях имеет еще другие специфические особенности. Одна из них определяется весьма значительной окружной скоростью на поверхности скольжения контактных колец турбогенераторов, которые по условиям прочности приходится изготавливать из стальных поковок. Другая особенность состоит во все возрастающем количестве электрощеток, устанавливаемых на отдельном кольце. Это количество на современных турбогенераторах мощностью 300—500 МВт, имеющих токи возбуждения 3—5 тыс. А, доходит соответственно до 40—65 штук, и вопрос о токораспределении между таким числом параллельно соединенных электрощеток приобретает первостепенное значение.
Для обеспечения удовлетворительной работы узла токосъема в специфических условиях использования его на мощных синхронных генераторах различными1 зарубежными фирмами предложены электрощеточные материалы, сведения о которых приведены в табл. 9-3.
Все описанные здесь материалы относятся ко II—IV классам, т. е. не содержат металлических компонентов. В некоторые из них введены пропитывающие вещества. Так, например, материал марки HM6R образован путем пропитки материала марки НМ6 небольшим количеством особого масла. В состав материала марки НМ100 входит определенное количество политетрафторэтилена. Электрощетки марки EGOR получены в результате пропитки маслом материала марки EGO [Л. 9-1].
В отечественной практике задача обеспечения нормальной работы скользящего контакта турбогенераторов ранее решалась путем использования электрощеток марок 611М, ЭГ4, ЭГ14 и в отдельных случаях ЭГ74.
В последние годы применяют электрощетки новых марок 6110М и ЭГ2АФ, обладающие следующими характеристиками:

Новые электрощетки устанавливаются на машинах с соблюдением следующего правила: щеткодержатели колец положительной полярности снабжаются электрощетками марки 6110М, кольца отрицательной полярности — марки ЭГ2АФ.
Оценке эксплуатационных свойств электрощеток, используемых на контактных кольцах турбогенераторов, посвящен ряд публикаций. 

Таблица 9-3
Характеристики электрощеточных материалов, предназначенных для использования на контактных кольцах турбогенераторов

Таблица 9-4

Так, в [Л. 9-2] сообщается, что наблюдения за работой нескольких десятков турбогенераторов отечественного и зарубежного производства показали, что параметры кривой распределения скорости изнашивания используемых на них электроугольных изделий имеют значения, указанные в табл. 9-4.
Приведенные цифры свидетельствуют о том, что скорость изнашивания связана с мощностью агрегатов и ее численные значения для изделий марок 611М и ЭГ4 возрастают пропорционально росту мощности. Очевидно, что область применения электрощеток перечисленных марок должна ограничиваться установками мощностью менее 100 МВт. Более мощные агрегаты должны комплектоваться щетками марок 6110М и ЭГ2АФ, устанавливаемых по правилу, описанному ранее. При соблюдении изложенной рекомендации обеспечивается удовлетворение всех прочих требований, предъявляемых к элементам скользящего контакта турбогенераторов.
Оценка эксплуатационных свойств электрощеток рассматриваемого назначения, используемых на электростанциях Англии содержится в [Л. 9-3]. Авторы [Л. 9-3], обследовав работу 35 турбогенераторов мощностью от 23 до 200 МВт, установили, что параметры кривых распределения скорости изнашивания четырех марок электрощеток, условно обозначенных литерами А, В, С и D, равны значениям, указанным в табл. 9-5.
В [Л. 9-1] отмечается, что средняя скорость изнашивания щеток, эксплуатируемых на контактных кольцах турбогенераторов в Англии, достигает 8,5 мм/1 000 ч.
Приведенные значения скорости изнашивания электрощеток, используемых на английских электростанциях, находятся в противоречии с режимами эксплуатации турбогенераторов, которые должны работать непрерывно в течение весьма продолжительного периода времени.

  Для устранения этого противоречия в Англии предложено два способа увеличения продолжительности непрерывной работы скользящего контакта турбогенераторов. Первый из них заключается в применении сменных щеткодержателей, а второй — в применении электрощеток весьма значительной высоты [Л. 9-1]. Сменный щеткодержатель несет в себе электрощетку, предварительно притертую к профилю контактной поверхности кольца. Этот щеткодержатель устанавливается на машину взамен снимаемого с нее держателя с износившейся электрощеткой. Второй способ реализуется путем применения электрощеток, радиальный размер которых достигает 80, 100 и даже 133 мм. Ресурс таких изделий равен соответственно 65, 85 и 110 мм; естественно, что при данной износоустойчивости материала срок их службы оказывается весьма значительным. Применение электроугольных изделий со столь значительным ресурсом оказывается возможным только в том случае, когда машина оборудована соответствующими щеткодержателями. От последних требуется, чтобы оказываемое ими нажатие на электрощетки оставалось постоянным во всем интервале изменения их радиальных размеров при изнашивании. Известен также патент США № 3152274, кл. 310—247, в котором описан щеткодержатель со специальным переходным устройством, позволяющим использовать «высокие» электрощетки.

К числу возможных способов облегчения условий работы элементов скользящего контакта на контактных кольцах относятся также устройство на рабочей поверхности кольца спиральных канавок, сверление в теле электрощеток радиальных отверстии и нанесение на их контактных поверхностях тангенциальных прорезей. Перечисленные мероприятия снижают давление воздушного клина в зоне контакта, уменьшают температуру контактирующих элементов, выравнивают распределение тока между отдельными электрощетками и уменьшают скорость их изнашивания. Для достижения последнего результата необходимо позаботиться о том, чтобы края спиральных канавок на поверхности контактного кольца были тщательно закруглены.
Подбор электроугольных изделий для контактных колец гидрогенераторов значительных трудностей не составляет, Обычно здесь используются материалы группы «А» классов Ш и IV, средняя скорость изнашивания которых лежит в пределах от 2,5—5,0 мм на 1 000 ч эксплуатации.
Помимо скользящего контакта «электрощетка — кольцо» в цепи возбуждения турбо- и гидрогенераторов находится еще один контакт, образованный деталями щеточно-коллекторного узла возбудителей. В отечественной промышленности в настоящее время эксплуатируются турбовозбудители разных типов (табл. 9-6).

Таблица 9-6

Возбудители, мощность которых не превышает 200— 250 кВт, вполне удовлетворительно работают со щетками, индекс коммутации которых близок к единице (марки Г3, ЭГ4, 611М). Более мощные возбудители требуют применения электрощеток с повышенной коммутирующей способностью, например ЭГ74.

Зарубежные фирмы для аналогичной цели также рекомендуют пользоваться электроугольными изделиями, используемыми в других отраслях промышленности. Однако отдельные фирмы выделяют в своих каталогах марки, предназначенные специально для возбудителей турбогенераторов (табл. 9-7).

Таблица 9-7
Характеристики электрощеточных материалов, предназначенных для использования на турбовозбудителях

Параметры кривой распределения скорости изнашивания электрощеток марки ЭГ4, используемых на возбудителях турбо- и гидрогенераторов отечественного производства, имеют значения, указанные в табл. 9-8.

Таблица 9-8

Основным видом электрооборудования подстанций являются, как известно, трансформаторы. На многих подстанциях с целью повышения значения cos φ и поддержания напряжения сети на заданном уровне устанавливаются специальные компенсаторы реактивной мощности. Последние представляют собой синхронные машины явнополюсного типа горизонтального исполнения с воздушным и водородным охлаждением, работающие в качестве генераторов реактивной мощности. Эти генераторы или, как их еще называют, синхронные компенсатору в соответствии с ГОСТ 609-66 делятся на две категории: компенсаторы мощностью до 25 000 кВ-А (включительно), предназначенные для установки как в закрытом помещении, так и на открытом воздухе, выполняются с воздушным охлаждением. Машины большей мощности, предназначенные для эксплуатации на открытом воздухе с колебаниями температуры от —40 до +40 °C, охлаждаются водородом. К числу конструктивных особенностей мощных синхронных компенсаторов относятся встроенные в щиток опорные подшипники и выносные контактные кольца, заключенные в специальный кожух. Вентиляция, естественно, осуществляется по замкнутому циклу. Возбуждение — не зависимое от отдельного агрегата. Пуск в большинстве случаев производится от сети без дополнительных разгонных двигателей. Основные характеристики эксплуатируемых в отечественной промышленности синхронных компенсаторов приведены в табл. 9-9.
Элементы электрического скользящего контакта первых пяти из числа перечисленных типов синхронных компенсаторов работают в среде обычного воздуха. В подобных условиях подбор марки электрощеток осуществляется так же, как при решении несколько ранее описанной аналогичной задачи по отношению к контактным кольцам турбогенераторов. Только здесь вместо разнополярного комплекта электроугольных изделий марок 6110М и ЭГ2АФ применяет изделия одной, марки ЭГ2АФ, устанавливая их на кольцах обеих  полярностей. 

Таблица 9-9

Скользящий контакт синхронных компенсаторов типов КСВ37500-11 и КСВ75000-11 работает в объеме, заполненном водородом. Особенности работы электрического контакта в водородной среде были рассмотрены ранее. Основываясь на графиках рис. 5-7,г и данных табл. 5-7, а также обобщая опыт эксплуатации синхронных компенсаторов с водородным охлаждением, представляется возможным дать следующие рекомендации по обеспечению их нормальной работы [Л. 5-12]: а) в камере контактных колец относительная влажность водорода должна поддерживаться в интервале 15—40%; б) контактные кольца должны изготавливаться из бронзы марки БР.АЖ9-4.
При соблюдении изложенных рекомендаций в рассматриваемых условиях могут применяться электрощетки марки ЭГ4, работающие со средней скоростью изнашивания до 5 мм/1 000 ч эксплуатации. Значительно более высокими эксплуатационными свойствами обладают созданные специально для данной цели электрощетки марки ЭГ74АФ, которые могут эксплуатироваться при номинальной плотности тока 15 А/см², максимальной окружной скорости 90 м/с и удельном нажатии 195± ±15 гПа (гс/см²). Удельное электрическое сопротивление этих щеток лежит в пределах 19—38 Ом·мм²/м, а переходное падение напряжения составляет 2,5 В. Средняя скорость изнашивания изделий марки ЭГ74АФ в эксплуатации снижена до 0,6 мм за 1 000 ч. 

Одновременно улучшились и другие показатели работы элементов скользящего контакта (износ колец, температура нагрева и др.).
За рубежом для использования в рассматриваемых условиях некоторые фирмы также выпускают специализированные электрощеточные материалы. Так, например, в ФРГ для колец синхронных компенсаторов (без указания на то, что они помещены в водородную среду) выпускают электрощетки марок А121 и В4 со следующими характеристиками:

В Англии для эксплуатации в среде водорода выпускаются электрографитированные электрощетки марки EG206, допускающие номинальную плотность тока 11,5 А/см², максимальную окружную скорость 50 м/с и удельное нажатие 180 гПа (гс/см²). Переходное падение напряжения этих электрощеток лежит в пределах 1,4— 2,4 В при коэффициенте трения менее 0,10.
Номенклатура номинальных размеров электрощеток для контактных колец турбо- и гидрогенераторов весьма немногочисленна. В соответствии с принятой на машинах отечественного производства конструкцией щеткодержателей типа ДБ здесь применяются электроугольные изделия, обладающие следующими размерами: 22X30x60, 20X32X64 и 25х32х64 мм. Электрощетки возбудителей серии В4 имеют размеры 20x30x40 мм. Для возбудителей серии ВТ используются изделия, размеры которых таковы: 20X30X40, 25x30x40 и 30X30X40 мм. Два последних размера используются также при изготовлении электрощеток для синхронных компенсаторов. Все электрощетки имеют форму прямоугольного параллелепипеда, определяемую ГОСТ 12232-66 как тип К1. Те из них, которые предназначаются для установки на мощных возбудителях серии ВТ, целесообразно изготавливать разрезными.