发电机组励磁碳刷事故分析和对策

常少杰

摘要： 碳刷是发电机进行正常发电和传导电流的重要部件之一。因碳刷选取不当或是发电机在运行过程中缺乏对碳刷的维护管理，导致发电机非计划停运，给企业造成重大的经济损失，所以说碳刷在发电机中能否正常运行，将直接影响着发电机安全运行。

Abstract： Carbon brush is one of the important parts of the normal power generator and conduction current. The faults of carbon brush or the lack of carbon brush maintenance management in the running process lead to unplanned outage of generators， it causes great economic loss for the enterprise， so the normal operation of carbon brush in the generator will directly affect the safety operation of generator.

关键词： 碳刷；危害；对策；方法

Key words： carbon brush；hazards；countermeasures；method

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0126-02

0 引言

碳刷即电刷。运行中的发电机组碳刷如果维护不到位，或检查缺失将造成机组降出力，甚至损坏设备及停机事故。发电机励磁系统中碳刷的运行和维护技术属于传统技术，多年来始终被沿袭和使用，但鲜有创新。所以，由于日常对碳刷运行情况关注较少，维护技术水平达不到，造成碳刷异常运行情况越来越多。集团公司系统发电厂由于发电机碳刷与集电环间的打火，有的发展成环火，最终导致刷架和集电环烧损而发生的机组非停事件时有发生，造成较严重的经济损失。有鉴于此，为了确保碳刷安全、稳定、经济地运行，应该深入研究其运行阶段可能存在的故障类型及成因，结合现场运行条件采取可靠的技术措施排除故障，这都需要提升碳刷日常维护技术水平及经验总结。

1 碳刷故障的危害及典型案例分析

①某电力有限公司3、4号机组的发电机转子一点接地信号频繁误报，始终未找到原因，严重影响发电机安全稳定运行。在多次检查处理过程中，对励磁系统及发电机转子的绝缘摇测检查，没有发现异常；另外，对保护装置二次回路绝缘检测及继电器复核校验，均未发现异常。最后，在检查接地碳刷时，发现碳刷与刷握配合过紧，接地碳刷与转子大轴长期接触不良，还有密封瓦处的渗漏油对碳刷的污染，使接地碳刷二次回路误发接地报警信号。通过清理油污及打磨接地碳刷，彻底解决了信号误报的问题。

②某公司3号发电机10时20分有功负荷200MW，转子励磁电压232V，励磁电流1850A。运行值班人员发现3号发电机碳刷处冒火花并有焦糊味，运行人员立即将发电机无功负荷由80MVAR降至18MVAR，再次检查发电机碳刷发生环火现象，发电机转子一点接地报警。10时30分，运行值班人员手动打闸，机组解列。机组停运后检查3号发电机有8组励磁碳刷握均有不同程度烧损，其中四组已严重烧毁；刷握导电部位均有电弧灼伤痕迹，环氧隔板一侧过热烧损，滑环烧损严重，部分已碳化，绝缘套边缘局部烧损，励磁机冷却风环受热变形。通过现场检查及结合发电机当时运行情况，引起碳刷及滑环烧损的主要因素是碳刷打火，经过分析，而造成碳刷打火的原因可能有四点：1）滑环、电刷、刷握和刷架表面脏污；2）刷握边缘卡涩、弹簧压力不匀；3）机组轴系振动较大，带动滑环一起振动；4）使用不同型号碳刷。出现上述问题后，碳刷接触电阻会增大，碳刷电流分配不均，引起碳刷打火。碳刷打火后开始发热，当故障极部分碳刷引线烧断或受热变形卡涩退出运行后，正常运行的碳刷将承担全部转子电流而出现过载现象，导致其过热升温，形成环火，烧损碳刷及滑环等部件。

2 导致碳刷故障的因素

2.1 电磁因素 当调整无功功率或励磁电流时，冒火碳刷会出现明显的变化。当励磁机换向时，碳刷与换向片接触处的电阻会增大；整流子或滑环的氧化膜薄厚不均匀，使得碳刷电流时大时小；或者负载突然短路，或者突然增大或减小，使得换向片间的电压随之增大或减小，导致机组过载或不平衡，无法正常运转。另外，碳刷的型号、规格、质量以及碳刷与碳刷之间的安装距离，都不符合机组运行要求。

2.2 机械因素 换向器中心不正，转子不平衡；机组运行时强烈颤振；换向片凸出或换向片间绝缘凸出；碳刷接触面研磨不光滑，或换向器表面粗糙导致接触不良；换向器表面脏污；各个换向极下气隙不均匀；碳刷上弹簧压力分布不均，大小不一；碳刷在刷握内工作时，因安装过松导致不正常跳动，或者因安装过紧导致卡涩，无法灵活移动。调整机组运转速率可减少颤振，从而能消除火花现象。

2.3 化学因素 机组在充满腐蚀性气体或缺氧的环境中运行时，换向器与碳刷接触的表面上一层自然形成铜氧化物薄膜遭到破坏，本已形成的、近似线性电阻的换向不复存在，在接触面重新形成氧化膜的过程中换向器火花加剧。换向器（或滑环）被酸性气体或油脂腐蚀。碳刷及换向器被污染等。

3 碳刷日常运行维护

针对我公司220MW以及300MW发电机碳刷的运行情况，尤其是近段时间因碳刷磨损或碳刷温度高而频繁进行更换和调整，从中总结出了以下检查维护经验：

3.1 运行检查 运行人员要加强巡视，定期（不少于每班1次）用红外测温仪测量集电环和碳刷的温度，夏季大负荷期间应缩短温度测量间隔，一旦发现集电环和碳刷之间出现轻微火花，立即通知维护处理，若出现打火、环火现象，应立即停机处理，避免事故扩大；运行监盘要注意发电机转子电压、转子电流、无功功率、有功功率等参数，发现有突变及时通知专业主管或专业点检，判断碳刷是否接触不良；运行中要始终保持集电环和碳刷通风顺畅。维护人员应每天对发电机集电环和碳刷进行两次检查（上午、下午各一次，要有记录），用红外热像仪测量集电环和碳刷温度，新更换的碳刷重点检查。

3.2 检修更换 更换碳刷时必须使用同一型号的碳刷，并且碳刷接触面应大于碳刷截面的80%；一般碳刷顶端低于刷握顶端3cm的碳刷，或碳刷在刷握内有摇摆的情形，应立即更换，碳刷磨损极限剩余长度不低于1/3，运行中更换碳刷，在同一时间内，每个刷架上只允许更换1-2个碳刷；电刷装入刷握内要保证能够上下自由移动，电刷与刷握内壁的间隙应在0.1-0.3mm之间，以免电刷卡在刷握之中或因间隙过大产生摆动；一次更换碳刷的数量不得超过单级总数的10%；碳刷弹簧压力要符合制造厂家的规定（0.015～0.020MPa）各电刷之间的压力差在平均值的±5%以内，如果弹簧压力不均，受压力大的电刷所承担的电流负荷也大，易于产生电刷灼热、软接线氧化、松脱和发生火花。采用直流卡钳表检测新碳刷的分流参数，再通过红外成像仪检测工作温度，并做好记录或做相关调整。优化检修工艺，提高检修质量，尽量不因检修调整失误导致发电机组运行状态不良。此外，在机组检修过程中，应慎重调整刷架和刷握的运转参数，尤其要严格控制刷架的安装位置及几何参数，尽量保持原状态，以确保碳刷的滑入边和滑出边始终平行于换向器。

3.3 日常维护 用直流钳型电流表定期测量（每月两次，要有记录）碳刷分流情况，每个碳刷电流控制在20～100A，用红外热像仪测量集电环和碳刷温度（每天两次），集电环表面（小于或等于120℃）应无过热现象，刷架温度应控制在120℃以内，刷体温度也不超过80℃，重点检查无电流和室温碳刷，及时消除电流不平衡、卡涩等故障，使碳刷始终保持平衡状态。碳刷在刷握内运转时，可提刷检查其灵活程度，或者是否存在卡刷或碳刷焊附在刷握壁的现象。不定时、不定期检查刷辫是否脱辫，是否损坏，导线有无氧化、烧断股现象，如出现发黑或烧伤应更换。检查刷握和刷架上有无积垢，每月一次定期用干燥的压缩空气吹净，特别是绝缘件上的碳尘及灰尘，以避免降低励磁回路的绝缘电阻。每次停机时，必须清理集电环通风沟内的碳尘物，确保风道能够正常通风散热，同时密切关注集电环底部碳刷情况，以防其出现故障。

4 碳刷故障处理及方法

4.1 碳刷冒火时的调整 当碳刷过电流过大或者碳刷卡涩间断与滑环接触不良时，就容易出现碳刷冒火现象。应根据不同的打火原因，采取对应的处理措施，才能彻底消除冒火现象。①针对电流过大引起的冒火现象，如果碳刷不卡涩、不冒火，且温度较低，只须更换碳刷之间的弹簧夹，通过提高不冒火碳刷的工作压力迫使冒火碳刷的电流转移，就能基本消除冒火现象；如果碳刷卡涩，但是不冒火，温度也比较低，就应该将碳刷全部卸下并逐一打磨，使碳刷在刷握内可灵活运转，这样也能消除冒火现象；②针对碳刷卡涩、间断与滑环接触面冒火现象，先用手触摸其他碳刷的软线温度是否过热，确认碳刷接带负荷正常后，将卡涩碳刷卸下，打磨至其在刷握下可灵活运转的程度再重装回原位，即可消除冒火现象。

4.2 发电机碳刷温度高和破损的处理

4.2.1 发电机碳刷温度高的原因 ①励磁系统过负荷；②碳刷断辫或脱辨；③滑环风孔堵塞及冷却装置故障；④碳刷与滑环接触面过小或碳刷本身质量问题。

4.2.2 处理方法 ①根据发电机温度变化适当调低其无功负荷参数，通过控制励磁电流降低碳刷的工作电流，直至电机温度下降到允许范围；②如过个别碳刷脱辨或断辫，可将励磁电流适当调低；如果出现环火，励磁电流就必须大幅度降低，直至碳刷电流恢复平衡后更换新碳刷，切忌强制性换掉大量碳刷，以防事故影响进一步扩大引起更严重的后果；③定期清理通风口，确保风道在发电机运行过程中能快速、及时地散热；④增大接触面，更换新碳刷。

4.2.3 碳刷破损处理 ①发现碳刷破损后，应尽快检查破损点，找出原因并采取处理措施，避免其再次破损，更换碳刷后要注意观察碳刷运行情况，同时做好碳刷测温及测电流等工作；②碳刷因质量原因或在打磨时发生破损，要检查同批碳刷质量问题。打磨时，碳刷弧度或接触面过小就难以保证碳刷在刷握范围内灵活运转，甚至出现颤振，必须重新打磨；③碳刷在振动大的机组中工作常常卡涩或破损，应根据机组振动情况及时调整碳刷的位置或运转参数，或将碳刷重新打磨，确保碳刷在刷握范围内灵活运转。当机组冲转达临近界转速时，需要密切关注碳刷的工作状态，防止其不正常跳动。

4.3 碳刷跳动时的处理 ①当碳刷断裂或严重破损时，应停机换新碳刷；②检测刷握弹簧压力，更换刷握压簧；③若刷握变形及同时有接触不良打火现象，先将碳刷上下方向调换，若还有明显跳动现象要立即更换刷握。

5 取得的效果

通过对碳刷维护及日常检查标准等的学习掌握，维护检修人员在碳刷的定期检查维护及采取有效措施紧急处理碳刷故障也有了长足的进步。近一年来我公司只发生过碳刷过热超温现象2起，同比降低83%，未发生碳刷打火等其他故障，真正实现了碳刷状态检查管理。

6 结论

碳刷是发电机内一个重要的组件，它的运转性能直接影响发电机的工作状态。碳刷运转时，常常出现颤振、火花和不均匀磨损等不良问题，若不及时维护，就可能导致发电机无法正常工作。本文分析了发电机碳刷常见故障及成因，同时针对每一类故障提出了有效的处理方法，对碳刷日常维护管理及故障处理具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]大唐集团公司.防止发电机、励磁机集电环和碳刷烧损的反事故措施，2008.

[2]姜玉宾，宋宪旺，李得波.浅谈发动机碳刷的故障处理及日常维护[J].山东煤炭科技，2009（01）.

[3]刘西影.浅谈发电机碳刷、滑环发热及处理意见[J].能源技术与管理，2010（02）.