大型水轮发电机励磁碳刷过热原因分析与预防处理

(中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443000)

大型水轮发电机励磁碳刷过热原因分析与预防处理

胡庆雄屈文锋王勤

(中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443000)

发电机励磁碳刷过热是发电机运行过程中的常见故障，若不及时消除，可导致被迫停机或烧毁碳刷和集电环，直接威胁发电机安全运行。本文从发电机励磁碳刷动态回路电阻入手，介绍了励磁碳刷动态回路电阻的影响因素，并对影响因素造成碳刷过热的可能性进行理论分析，根据分析结果提出了一种碳刷过热的处理方法和预防措施。

水轮发电机；励磁碳刷过热；处理

1 概 述

大型水轮发电机大多采用静态励磁系统，励磁系统输出励磁电流至碳刷，碳刷与发电机集电环摩擦接触，从而将励磁电流送至发电机转子回路中 。发电机励磁碳刷过热是发电机运行过程中的常见故障，若不及时消除，可导致被迫停机或烧毁碳刷和集电环，直接威胁发电机安全运行。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。鉴于此，为确保碳刷安全、稳定、经济运行，应深入研究其过热原因，结合现场运行条件，采取可靠的技术措施排除故障。

2 碳刷发热的原因

碳刷发热由三部分组成：碳刷电阻发热Q1，碳刷接触压降发热Q2和摩擦发热Q3[1，2]。

碳刷电阻发热为

Q1=I2R1

(1)

碳刷接触压降发热为

Q2=IΔE=I2R2

(2)

摩擦发热为

Q3=Fv

(3)

碳刷总发热为

Q=Q1+Q2+Q3=(R1+R2)I2+Fv

(4)

以上式中I——流过碳刷的电流；

R1——碳刷电阻；

ΔE——接触压降；

R2——碳刷与集电环的接触电阻；

F——碳刷压紧力；

v——碳刷与集电环的相对运动速度。

大型水轮发电机转速比汽轮发电机转速低很多，在水轮发电机空转时，由于碳刷没有励磁电流流过，碳刷发热只有Q3，碳刷温升一般低于10K。发电机正常运行与发电机空转相比，碳刷压紧力、额定转速不变，摩擦系数基本恒定，所以Q3基本不变。综合以上分析，碳刷过热的主要原因是流过碳刷电流偏大，即Q1、Q2增大引起碳刷过热。

3 碳刷工作原理

发电机运行过程中，发电机励磁碳刷间根据碳刷动态回路电阻值按并联电路分流原理进行分流，动态回路电阻值小的碳刷分流大、温度高，动态回路电阻值大的碳刷分流小、温度低[2]。碳刷动态回路电阻是发电机在运行过程中，从励磁电缆接头处的导电环开始，经过刷座、碳刷铜辫、碳刷，到集电环的回路电阻值(见图1)。

图1 碳刷动态回路电阻示意1—导电环；2—刷座；3—碳刷铜辫；4—碳刷；5—集电环

碳刷动态回路电阻公式为

R=R环+R环与座+R座+R座与辫+R辫+R刷+R刷与集

(5)

式中R环——从励磁电缆接头处到刷座间导电环的电阻值；

R环与座——导电环与刷座的接触电阻值；

R座——刷座的电阻值；

R座与辫——刷座与铜辫子的接触电阻值；

R辫——铜辫子的电阻值；

R刷——碳刷的电阻值；

R刷与集——碳刷与集电环间的接触电阻值。

4 碳刷发热因素

根据碳刷动态回路电阻公式，影响碳刷回路电阻值的因素都可引起碳刷过热，包括以下八个方面因素：

a. 影响R环的因素。由于导电环本身存在电阻，对于励磁电缆集中布置的发电机，碳刷离励磁电缆远的R环大于离励磁电缆近的R环，整圆形导电环的过流性优于由两半圆组合的导电环。因此可以将励磁电缆由集中布置方式改造为多点布置方式；对于组合式的导电环，可将励磁电流由单端过流方式改造为中间过流方式[3](见图2)。

图2 单端过流与中间过流

b. 影响R环与座的因素。刷座与导电环间有锈蚀或其它附着物、刷座与导电环间的连接螺栓松动。

c. 影响R座的因素。一般情况，刷座自身电阻对碳刷动态回路电阻的影响较小。

d. 影响R座与辫的因素。刷座与铜辫子接触不良或接触面有其它附着物。

e. 影响R辫的因素。碳刷铜辫子断股等。

f. 影响R刷的因素。碳刷的规格或型号、碳刷长度，碳刷长度对R刷的影响较小。

g. 影响R刷与集的因素。影响碳刷与集电环接触电阻的因素较多，如油污严重、碳刷卡阻、弹簧压力减小、碳刷接触面形成气膜、集电环同心度偏大等[4]。

h. 其他因素。除上述因素外，集电环表面变粗糙、滑环装置冷却风道通风不畅也会引起碳刷过热[5]。集电环表面变粗糙，摩擦系数变大，从而摩擦发热增大[6]；滑环冷却风道安装过长、转角过多、通风口滤网碳粉堆积，造成风阻过大，导致散热不良。

5 过热处理方法

碳刷发热不严重，碳刷温度高于100℃低于120℃时，需密切关注碳刷温度的变化情况。碳刷温度发热严重，碳刷温度超过120℃时，测量温度较低和温度较高碳刷的电流，处理电流小的碳刷[7]，同时，使用红外成像仪监测碳刷温度的变化情况。

具体处理方法如下：用红外成像仪、钳形电流表测量碳刷温度和电流，做好数据记录。温度低、电流小的碳刷为待处理碳刷；处理时，一人工作一人监护，作业人员必须站在干燥的绝缘垫上，戴绝缘手套，身体不得触碰其他人员或接地；检查弹簧压力是否正常以及是否有卡塞现象。如果弹簧压力不正常，更换新弹簧，如果碳刷卡塞，打磨碳刷侧面压痕；把120目的刚玉砂纸剪成长条，其宽度比碳刷竖面略宽，将砂纸与取下的碳刷一起装上，进行集电环打磨，打磨时间约20min；用红外成像仪测量碳刷温度，碳刷温度正常后，取下砂纸，回装碳刷。

如果集电环本身有缺陷，例如环面麻点、同心度偏大或者励磁电缆集中布置造成分流不均匀，采用上述方法不能降低碳刷温度，只能停机后进行处理。

6 预防措施

在发电机岁修期间或者汛期之前，停机测量碳刷的回路电阻值，确保机组在运行时碳刷动态回路电阻值基本一致，分流均衡。测量碳刷回路电阻值应在滑环清扫之后进行，滑环清扫和碳刷回路电阻值测量需要注意以下几个问题：ⓐ检查集电环表面是否有划痕、灼伤现象；ⓑ用500V的绝缘表测量导电环对地、转子绕组对地的绝缘电阻，并做好记录；ⓒ更换异常碳刷，例如碳刷铜辫子有过热、断股现象或碳刷长度小于原长度的1/3，更换的新碳刷要求与原碳刷型号、规格相同[8]，更换完后打磨碳刷接触面，要求碳刷与集电环的接触面大于碳刷横截面的3/4；ⓓ检查刷握，要求刷握与集电环表面应有3～4mm的间隙，且垂直正对集电环，否则应调整刷座，并打磨碳刷接触面[8,9]；ⓔ检查弹簧压力是否正常，如果弹簧失去弹性或者有裂纹等现象，应更换新弹簧[10]；ⓕ滑环装置清扫后，应再次测量导电环对地、转子绕组对地的绝缘电阻，要求绝缘电阻不小于0.5MΩ，如果绝缘电阻不合格需进行逐一排查；ⓖ测量励磁电缆接头到碳刷的回路电阻，由于碳刷与集电环间的接触电阻R刷与集在停机状态与运行状态下相差较大，因此测量碳刷回路电阻时不需测量R刷与集。回路电阻较大的碳刷应进行检查处理，检查刷座与集电环、铜辫子与刷握间的接触面是否有锈蚀或其它附着物。如果有锈蚀或其它附着物，用120目的刚玉砂纸打磨后用酒精布擦拭干净，安装好后再次测量回路电阻[11]。

在岁修期间，除了进行滑环清扫以外，还可以根据机组平时运行情况，在集电环上增加导风叶片、适当增大碳粉吸收装置吸尘器的功率以及优化碳粉吸收装置的管路，加强滑环装置的散热，从而降低碳刷的温度。

7 结 论

发电机励磁碳刷过热是发电机运行过程中的常见故障，若不及时消除，可导致被迫停机或烧毁碳刷和集电环，直接威胁发电机安全运行。碳刷过热处理时，应先检查处理电流小、温度低的碳刷，因为其动态回路电阻值大，因而电流小、温度低。温度高的碳刷其动态回路电阻值较小、电流大，如果先处理电流大的碳刷，势必引起其它碳刷的温度过高，造成恶性循环。集电环表面变粗糙、滑环装置冷却风道通风不畅引起的碳刷过热，需要停机后才能彻底解决。

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CauseAnalysisandPreventionTreatmentofExcitationCarbonBrushOverheatingofLargeHydro-generator

HU Qingxiong, QU Wenfeng, WANGQin

(ChinaYangtzePowerCo.,Ltd.,Yichang443000,China)

Generator excitation carbon brush overheating is a common fault in the process of generator operation.If the problem is not promptly eliminated, it can lead to forced outage or burnout of carbon brush and collector ring, thereby directly threatening safe operation of the generator. The paper starts with excitation carbon brush dynamic circuit resistance of power generator. The factors affecting excitation carbon brush dynamic circuit resistance are introduced. The possibility of influence factors on carbon brush overheating is theoretically analyzed. A carbon brush overheating processing method and preventive measures are proposed according to the analysis results.

hydro-generator; excitation carbon brush overheating; processing

TM312

A

1673-8241(2017)09-0023-04

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.09.007