碳刷温度异常偏高分析及临时处理办法

黄世超，李 超

(雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都 615000)

0 引言

发电机碳刷是发电机励磁回路的重要组成部分，起到将励磁电流从固定元件输送至转动部件的连接作用。为了保证发电机碳刷、滑环的安全、稳定运行，避免设备的过热损坏，一般将碳刷温度控制在90 ℃以下[1]。

碳刷温度异常偏高分为两种情况，一种为个别碳刷温度异常偏高，大部分碳刷温度正常，造成此现象的原因一般为励磁电流分布不均衡，个别碳刷流过的励磁电流偏大导致；另一种为碳刷温度整体偏高，造成此现象的原因一般是碳刷个数偏少，导致每个碳刷正常流过的励磁电流偏大。由于不同异常现象的原因不同，需要采用不同的方法处理[2]。

1 异常现象

某电厂发电机组自投运以来，多年运行中发现在汛期满负荷运行工况下，发电机碳刷整体温度在110 ℃左右，明显高于设备稳定运行要求，结合设备现有条件，采取了单极加装3个碳刷实现分流降温的措施，取得了一定的效果，碳刷温度下降至105 ℃且保持稳定。

某年汛期机组满负荷期间，3#机组出现了碳刷温度分布不均的现象，部分碳刷温度由105 ℃下降至90 ℃，另一部分碳刷温度则上升至125 ℃，个别碳刷温度甚至高达180 ℃并伴有间歇性打火现象[3]。

2 检查及分析

2.1 碳刷温度测量及记录

使用红外测温仪对机组碳刷逐个开展全方位温度测量，并将温度数据按标记的顺序记录在表格内，对于各碳刷的最高温度位置进行注释，同时在表格内记录存在间歇性打火现象的碳刷编号。

测量发现，碳刷的温度最高点普遍集中于刷辫处，而存在打火现象的碳刷温度最高点则是打火点处。根据数据记录及现场碳刷分布，发现处于励磁回路负极的碳刷温度整体高于正极碳刷，出现打火现象的碳刷分布于同一水平高度的位置。

2.2 碳刷检查

依据记录表、按照每次只拆除一个碳刷的要求逐个拆除存在打火现象的碳刷并移送至滑环室外。将碳刷与刷握解体后分别进行检查，检查发现此类碳刷表面凹凸不平，已失去平整度。其中，最开始出现打火现象的碳刷刷握表面有轻微的划痕。

依据记录表、按照每次只拆除一个碳刷的要求逐个拆除高温碳刷并移送至滑环室外。将碳刷与刷握解体后分别进行检查，检查发现此类碳刷表面相对平整，表面曲度与滑环一致，无明显划痕，但是碳刷的刷辫已失去光泽，呈灰黑状，部分碳刷的刷辫已脆化，一拉即断。

为进行对比分析，按上述要求拆除了部分低温碳刷，解体检查发现此类碳刷表面平整，部分区域曲度与滑环一致，表面无划痕，碳刷完好；测量发现，低温碳刷均为检修时新更换的碳刷。

2.3 原因分析

通过设备结构分析可知，电流从固定件集电环经刷握传送至碳刷并输送至转动件滑环上。结合碳刷、刷握的结构(见图1)分析，电流从刷握传送至碳刷的途径有两条，一条为经刷辫传输，另一条为经刷握、碳刷接触面传输。测量发现，刷辫传输电流为主导方式，占比90%以上。因此碳刷温度最高点一般为刷辫位置，与温度测量结果一致。

图1 碳刷及刷握结构

结合检查情况和检修记录分析，初步判定碳刷温度两极分化异常原因为检修时一次性更换的碳刷数量较多且新更换的碳刷未进行表面曲度打磨，导致新更换的碳刷与滑环成线接触而不是面接触形式，接触面偏小引起单个碳刷的电流偏小；而原有的碳刷经过磨损，与滑环成标准的面接触，接触面积大导致单个碳刷的电流偏大；由此导致不同碳刷的温度出现两极分化的现象。

由检查情况分析，碳刷打火的原因初步判断为某碳刷的刷握底座存在轻微位移，引起刷握前移导致金属部位与滑环摩擦形成间歇性打火现象，部分金属碎屑被吸附到滑环表面，滑环转动期间破坏了同高度的碳刷表面，形成划痕并引起打火现象。

3 现场处理

因故障出现在汛期，机组处于满负荷运转状态，长时间停机将造成巨大的经济损失。为降低经济损失，在临时短时间停机(不超过8 h)的条件下，采取如下临时控制措施来维持碳刷温度在可控范围，具体如下：

3.1 碳刷更换

对所有碳刷进行检查，考虑到刷辫断裂将导致碳刷失去输送励磁电流的能力，更换刷辫因过热导致变色甚至断裂的碳刷；按滑环曲度使用专用工具进行打磨，确保碳刷表面曲度一致；更换了部分磨损严重、长度偏短的碳刷。

3.2 强制通风

强制通风可以加强空气对流，第一时间带走热量，避免热量堆积形成局部过热点。为加强通风效果，拆除了发电机集电装置处的集尘罩，将碳刷彻底暴露在滑环室，促进散热和碳粉溢出；在滑环室对称布置了两台鼓风机，强制往滑环室内送风，实现冷热空气对流循环，达到降低碳刷整体温度的效果。

3.3 滑环处理

考虑到部分碳刷已出现了打火现象，滑环可能已存在局部损坏。在机组停运期间，对滑环进行细致检查，发现滑环表面存在坚硬的附着物，通风槽区域存在金属毛边。使用锉刀、磨石对滑环表面进行打磨、处理，利用磨石打磨滑环表面的附着物，将附着物从滑环表面清除，确保滑环表面平滑、洁净；利用锉刀打磨滑环通风槽，清除金属毛边并形成导角，确保滑环表面平整，碳粉溢出正常。

3.4 碳刷底座调整

将碳刷底座重新进行位置调整并固定，完成后进行碳刷预安装，检查刷握金属部位与滑环距离合适，无明显位移。确保刷握金属部位与滑环无摩擦现象。

3.5 无功负荷转移

考虑到励磁电流的大小取决于功率和电压，其中有功功率、电压基本不变，适当降低无功功率不影响机组稳定运行要求且能实现励磁电流下调的目的，将该机组的无功功率部分转移至其余机组，使励磁电流从3 100 A下降至3 040 A左右，有效减轻了碳刷过流压力。

发电机空载运行时，励磁电流约1 600 A，碳刷温度约60 ℃。

单个碳刷的平均电流计算公式为：I单个=I励/n。现场单极碳刷共33个，计算可知，励磁电流从3 100 A下降至3 040 A后，单个碳刷的平均电流I单个=92 A，下降了约2 A。

碳刷温度与电流大小关系近似为正比关系，计算可知，单个碳刷电流每增(减)1 A，温度升(降)约1 ℃。与实测数据基本一致。

4 处理效果

临时处理完成后，机组投入满负荷运行状态，检查发现，碳刷运行正常，无跳动、间歇性打火等异常现象。使用红外测温仪测量发现，各碳刷温度基本一致，维持在103 ℃左右。基本达到了控制碳刷温度，避免个别碳刷温度异常偏高的目的。

5 结语

碳刷温度偏高受很多因素影响，降低碳刷温度的关键在于最大限度地降低流过该碳刷的励磁电流。通过转移无功负荷，更换故障碳刷实现了降低、均衡各碳刷的电流的目的，利用滑环处理消除了碳刷打火带来的滑环损伤隐患，采取强制通风起到了加快散热的作用。

由于碳刷过热现象一般出现在机组满负荷运行状态下，长时间停机改造将造成巨额的经济损失，采取合适的方法在短时间进行小范围处理，对过热现象进行控制避免事态扩大、恶化是一条相对合理的途径。通过采取上述方法最终实现了保障机组安全、稳定运行目的，最大限度降低经济损失的要求，为其他电厂处理同类问题提供了参考。