发电机励磁碳刷发热分析与处理

张萌，唐杰

（北京京能未来燃气热电有限公司，北京 100000）

1 现状分析

2017年6月以来，1#汽机发电机滑环碳刷经常出现超温现象，2017年7月3日维护人员用红外成像仪检测发现负极有3只碳刷都在90℃以上，超过平均温度的2倍。用钳形电流表检测电流都在100A以上，超出了平均电流的3倍，且有其它碳刷有不带负载现象，测得电流为0A。

2 碳刷和滑环发热的产生发展过程

碳刷正常运行中的最佳温度一般在50℃左右，碳刷电流的分布趋于平衡，每块碳刷正常工作电流在20～40A。机组正常运行的应具备以下条件：碳刷本身材质的电阻；压簧压力为180～250g/cm2；氧化膜厚度在25nm左右；接触面粗糙度Ra不大于1.25μm,不小于0.6μm；碳刷在刷盒中可以自由活动且无振动卡涩现象；碳刷底部与滑环表面无碳粉与油污污染；当机组正常运行情况下，所产生的热量由通风系统带走，也就是发热与散热达到基本平衡。

正常运行状态下，运行负荷增加时，电流会随之增大，温度会有短时的变化，但是系统依旧可以维持相对的平衡。当出现压簧压力变小、氧化膜形成不好、接触面粗糙度过大或者过小、碳刷在刷盒中卡涩等现象，运行负荷增加时，系统平衡能力降低，直接导致碳刷电流分布不均，部分碳刷电流达到甚至超过100A，而另外一些碳刷电流接近于零，致使整个系统内碳刷出现较大的温度差，而温度过高的碳刷可能导致恒压压簧压力衰减，刷盒变形，碳刷在刷盒内卡涩，大量碳刷出现不正常的跳动，甚至会出现大量火花，导致刷辫烧断或者脱辫。

3 运行中发电机碳刷发热原因分析

（1）刷握及恒压弹簧的原因。压簧材质、工作压力、碳刷压簧绝缘垫以及其他一些因素都会影响刷盒中的恒压压簧的使用寿命。刷盒中的恒压压簧使用一定时间后，会出现压力不均、变形、裂纹、散簧等情况，导致恒压压簧压力存在偏差，使碳刷分流不均匀，会出现严重超温现象。而个别碳刷因压力小，几乎没有电流通过。例如：碳刷压簧绝缘垫脱落或者过热损坏，压簧流过电流使压簧失去弹性，也会缩短压簧使用寿命，最终导致碳刷分流不均。

发电机刷握底端卡板大部分不能正常使用，在发电机运行期间由于转子高速运转，刷握在装取时会导致碳刷崩角甚至断裂，破碎的边缘为高速气流提供了入口，使碳刷与滑环之间形成了空气薄层，导致接触压降急剧增加，摩擦系数急剧降低，使碳刷运行很不稳定，造成电流分布不均匀。另外，由于灰尘清理不及时，碳刷在刷握盒中会出现卡阻情况导致碳刷失效，致使其它碳刷分配的电流增加、温度增加。

（2）转子滑环通风不畅。转子滑环之间装有1只离心式风扇，通过进、出口风道带动风循环。在滑环上开有许多斜向通风小孔，随转子转动，带动外部风进入冷却槽对发电机集电环进行冷却。发电机运行一段时间后，滑环表面由于碳粉进入滑环通风小孔在孔口堆积，致使通风小孔口堵塞，导致热风引导不畅，破坏了风循环。

通风冷却进出风道采用下进风下出风结构，管道拐弯曲折、通风阻力大，加剧外罩小室内负压情况，且进出风口均在中间层，冷热风易混流、噪声会叠加增大，同时中间层油污大、灰尘多，会污染滑环小室环境，引起积尘或油污，从而导致滑环与碳刷导电接触不良、载流分布不均匀。

（3）油污的原因。由于发电机轴瓦处于排烟末端，轴瓦内负压本来就小，再加上轴瓦上部的排烟管堵塞或排油烟风机效率较低的原因，致使轴瓦内的油烟从油档齿处向外冒出。滑环小室运行中处于负压状态，故油气通过转子大轴被吸入到滑环上，导致滑环表面氧化膜呈现“镜面”现象。“镜面”导致碳刷在滑环表面“打滑”。

（4）转子滑环表面氧化膜的原因。发电机滑环上的氧化膜实际是一层贵金属薄膜，主要增加导电性。氧化膜的厚度会影响电流传递的程度。氧化膜的光洁度也会影响，一般对氧化膜光洁度要求在Ra0.8以上，除此之外，还要考虑氧化膜的附着力。夏季机组停机期间空气湿度大，导致滑环表面出现锈迹现象，破坏了氧化膜。另外，碳刷质量不过关也会造成滑环表面的损伤破坏了氧化膜。

4 发电机碳刷发热处理方法

（1）刷握及恒压弹簧处理。尽量使用发电机原厂的刷握，不能随意更改刷握的厂家和型号。对卡板进行维修，卡板的作用是将碳刷控制在刷握上，在安装时不会上下活动，为避免碳刷直接在压簧的作用下打到集电环上，取刷握时会将碳刷固定在刷握上，以保证安全。定期对刷握进行灰尘清理，碳刷在刷握内应上下活动自如，碳刷与刷握的间隙应为0.1～0.2mm，碳刷应无跳动、摇摆或卡涩的情况。

（2）转子滑环通风不畅处理。为缓解滑环小孔的堵塞情况，可定期应用干净干燥的压缩空气来吹滑环积粉或者积灰，停机之后对滑环小孔是否疏通进行及时检查。对滑环小室外罩进行改造，新设计的通风冷却进出风道采用上进风下出风结构，进风口设置在外罩小室顶部，减少通风管道弯折程度，防止噪声叠加增大，并增加进风口噪声吸音结构，以降低噪声等级，而出风口仍然布置在中间层，最终达到减小管道通风阻力、避免冷热风混流、降低噪声等级、消除油污灰尘影响。对进风口滤网给予定期检查与清理，确保进风的风量和清洁性（图1）。

图1

（3）油污的处理。在发电机大修的时候，对轴瓦油档进行检查、清理，并且调整密封间隙。将滑环室的3齿风挡密封改为5齿，同时对密封间隙进行调整，减少油气的进入。适当减小其他轴瓦的负压，使发电机轴瓦负压增大。

（4）转子滑环表面氧化膜的修复。在发电机停机盘车期间，用清洁磨石压在滑环表面上，然后沿着滑环旋转方向慢慢地来回移动，以使离心压力与正常运行中的一样，时间一般在3～5min，并使每一槽都得到修整。

（5）经上述方法处理后统计发现，1#汽机发电机滑环碳刷电流的分布更趋于平衡，没有再出现碳刷超温的情况，发电机的运行工况进一步得到了改善。

5 运行中发电机碳刷维护与措施

（1）加强碳刷和刷盒管理。应建立发电机电刷使用台账，电刷更换后应进行记录。记录的内容包括机组号、电刷组号和编号、电刷型号、更换的电刷数量及编号、更换碳刷的原因。管理人员要经常检查电刷的使用情况，及时补充电刷备品和维护工具。

（2）建立碳刷和滑环温度、电流定期测量工作制度。用远红外测温仪，测量和掌握集电环表面无过热现象，刷架温度应不高于120℃，刷体温度控制在不大于80℃，用直流钳形电流表对每个碳刷进行测量，碳刷电流控制在20～100A，并做好测量记录。定期对滑环和所有碳刷的温度和电流进行测量并且详细记录，根据测量结果分析碳刷运转情况，对运行状况差的碳刷进行调整。

（3）及时更换短电刷，每次更换20%的碳刷（即每台机的每个刷杆的20%）。使用新碳刷前必须要用磨刷机打磨，以保证碳刷和滑环表面接触达到70%后进行更换；领用新碳刷时应该首先进行碳刷阻值测量，并将阻值相同的碳刷分别编号存放。更换碳刷时，必须在同一极滑环使用同一阻值的碳刷，严禁不同阻值的碳刷在同一极滑环上使用，且每个碳刷均应标明阻值。

6 结语

发电机励磁碳刷在运行中会出现发热现象，对发电机的安全运行产生严重的影响。所以，为了保证发电机长期安全稳定运行，日常维护工作中需要定期监视集电环和碳刷的运行情况，若出现发热情况需要及时处理。发电机励磁碳刷运行中大部分会用红外测温仪对碳刷进行定期测量温度，查看其是否存在发热情况，同时用钳形直流表测量各个碳刷上承载的电流，尽可能使各个碳刷上承载的电流均衡。当发电机励磁碳刷温度过高时，一定要采取相应的措施控制温度，降低温度。碳刷温度过高时会增大碳刷的电阻，会产生恶性循环，对碳刷和滑环产生破坏，甚至出现环火，烧掉整个集电环。发电机励磁碳刷一旦出现温度过高的情况，必须采取一定的措施，查找问题原因，及时处理，保证碳刷的安全稳定运行。