大型水轮发电机碳刷温度过高、打火原因分析及处理

单文建

(中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

在大型发电机运行过程中，由于励磁碳刷维护具有维护工作量大、易发生故障、故障后果严重的特征，如何结合实际工程经验针对励磁碳刷温度过高的问题提出可行的分析解决方案，具有重要意义[1-3]。其中，文献[4]针对汽轮发电机集电环碳刷过热起火事故进行了原因分析，提出了处理方案。文献[5]则针对水轮发电机滑环碳刷打火、过热问题进行了探讨。本文针对某发电厂水轮机投运初期碳刷温度过高与打火缺陷问题进行了分析讨论，并给出了处理意见。

研究背景：某电站发电机励磁系统采用静止可控硅自并励励磁系统，励磁电流由发电机出口母线经励磁变压器进入励磁盘盘柜，再由励磁盘柜将电流输送至刷架(导电环)，刷架通过静止碳刷与转动的集电环面摩擦接触，将励磁电流送入转子绕组。电站投运初期机组发生碳刷温度过高与打火缺陷，严重影响机组的安全稳定运行。

为实现机组的安全稳定运行，规避励磁碳刷温度过高及打火带来的巨大维护成本与故障后果，本文对大型水轮机碳刷温度过高及打火原因进行了缺陷描述与分析并提出了实际可行的处理方法。

1 缺陷描述

某电站自首台机组投产以来，共发生34台次碳刷温度过高或打火缺陷，局部温度最高达到250℃，具体统计见表1。

表1 某电站碳刷温度偏高及打火缺陷统计表

2 缺陷分析

对出现碳刷温度过高、打火缺陷的机组进行全面检查，发现主要是滑环碳粉堆积多、集电环面有缺陷、碳刷与集电环接触电阻偏大等多方面原因所致。其中，1号机组碳刷温度过高与打火缺陷的频次最高，检查发现其主要是因为滑环表面存在缺陷，有很多连续、成片的凹坑，使碳刷与滑环面接触不好，导致接触电阻增大，而且与其他机组相比这些连续、成片的凹坑导致碳刷与滑环面的接触面积变小，也使得碳刷与滑环面的接触电阻增大，这样各个碳刷回路的电阻也相应增大，由Q=I2×R×t可知，机组带满负荷时励磁电流I基本上是一个定值(I与机组所带无功的多少也有关，所带无功多，机组视在功率大，I也大)，当各个碳刷回路的电阻增大后，机组碳刷回路的总电阻R也增大，导致机组碳刷回路的发热量Q增大，使整台机的碳刷温度普遍升高。而且由于滑环面缺陷，很多碳刷运行时与滑环面的接触电阻很不稳定，可能有部分碳刷由于与滑环面的接触电阻较大，流过的电流较小，导致其他碳刷要分担更大的电流，当个别碳刷回路电阻很小时，流过的电流就会很大，就有可能使该碳刷温度过高。

7、8、9号等3台同类型机组普遍出现过热、打火现象，检查分析除了滑环表面脏污、碳刷在刷握内有轻微卡阻、弹簧压力不正常等因素外，另外一个原因是其集电环电流接入方式设计不合理，励磁电缆集中布置，仅通过2根铜排与集电环相连接(见图1)，运行时集电环上的电流在整个圆周上的分布不均匀，易造成碳刷上通过的电流相差较大，使碳刷温度过高。

其余机组碳刷过热、打火缺陷主要原因是碳粉堆积较多、滑环表面脏污、碳刷在刷握内有轻微卡阻、弹簧压力不正常等多种因素所致。

图1 7、8、9号机组铜排与集电环相连接图

3 缺陷处理

3.1 常规处理措施

水轮发电机出现碳刷温度过高、打火等缺陷时，优先处理措施是：检查故障碳刷(如果是碳刷温度过高，还要检查非故障碳刷在刷握中活动是否灵活，弹簧压力是否过小等导致碳刷中流过电流较小)在刷握中活动是否灵活，弹簧压力是否正常以及是否有别的异常情况(比如滑环面有缺陷、碳粉吸收装置过滤元件脏污严重影响碳粉吸收等)，如果碳刷卡塞, 打磨碳刷各侧面压痕，保证碳刷刷体与刷握内壁有0.1～0.2 mm的间隙(间隙也不能太大，否则碳刷在刷握中容易跳动)，防止刷体受热膨胀卡阻；如果弹簧压力不正常, 更换新弹簧。如果都没有问题，就将临近的碳刷装置取下，把120目刚玉砂纸沿长度方向剪成比碳刷稍宽的长条状，用砂纸包住碳刷，利用木夹将砂纸与碳刷的刷辫夹住(固定砂纸并防止砂纸被旋转的滑环卷走)，将碳刷装置回装，通过碳刷弹簧对碳刷的压力，使砂纸对旋转的滑环面打磨15～20 min，把滑环面上的脏污清除掉，通常能将缺陷消除，并能保持一段时间(见图2)，用红外热成像仪检查温度正常后或者不打火后，将砂纸取下，回装碳刷装置。

采用上述砂纸打磨的办法可以消除缺陷，但是过一段时间又会出现，不能根本消除缺陷。

3.2 优化处理措施

利用机组停机状态，电厂维护人员针对发现的异常问题，采取了系列措施，逐一进行解决，具体处理方式如下。

1)针对集电环表面的凹坑，判断是由于制造缺陷引起，需对集电环表面进行车削处理，因加工量大，加工要求精度高，生产现场不具备集电环表面车削的条件，将集电环拆除后，运往生产厂家对集电环面进行加工，加工在保证集电环圆度与同轴度的同时，保证环面粗糙度达到R2.5的标准要求。

图2 用砂纸对滑环进行打磨图

2)针对刷握座与刷架接触电阻偏大现象，对所有刷握座接触电阻进行普查，对接触电阻有偏大现象的均进行处理，对其余的刷握座紧固螺栓均进行紧固检查处理。

3)针对集电环表面及刷架表面碳粉堆积较多，引起碳刷与集电环接触电阻增大现象，判定是由于安装的碳粉吸收装置没有起到应有的作用所引起，在机组进行检修过程中，对碳粉吸收装置进行优化(见图3将HXS-03A型碳粉吸收装置改为HXS-04C型)。主要优化措施包括：将原碳粉吸收装置的滤袋和振打电机结构改造为滤筒结构(见图4)，清扫、维护更加方便；增大碳粉吸收装置电机的功率，使碳粉吸收装置的风量增大，从而为集电环装置带来更多的冷却空气，以降低集电环装置的温度；在刷握座与碳粉吸收装置密封罩合缝位置增加密封圈，形成一个更加封闭的碳粉吸收空间，以增强碳粉吸收装置的吸收能力；将碳粉吸收装置单吸口方式改为上、下环同时吸气方式，使碳粉吸收装置吸收碳粉的能力更强。

图3 HXS-04C型碳粉吸收装置图

图4 HXS-04C型碳粉吸收装置滤筒图

4)为了进一步的降低集电环装置的温度，将机组原来设计安装的备用碳刷改为了运行碳刷(将不通电流的绝缘塑料刷握座更换为金属刷握座)，从而进一步降低流过每个碳刷的电流。

经过上述措施处理后，经过一段时间的跟踪运行，集电环装置运行稳定，碳刷打火与温度偏高现象再也没有出现，并且集电环装置表面碳粉堆积现象明显改观，碳粉堆积现象基本消失。

4 结 语

碳刷温度过高、打火是大型水轮发电机常发性缺陷，高于机组其他部件发生缺陷的次数和频率，严重影响安全稳定运行。当出现碳刷温度过高、打火缺陷时，用砂纸对滑环进行打磨是最常用也是最有效的办法，但要彻底解决问题，还需要根据具体原因分别进行优化处理，其中进行必要的设备升级也是消除设备缺陷的一个很好的思路，比如碳粉吸收装置换型改造，既减少了清扫滑环的工作量，又起到了防止机组碳刷温度过高或者打火的作用，对大型水电站运行维护具有很好的借鉴意义。