330MW汽轮发电机高速集电环电刷过热原因分析与处理

吴 昊

（广州恒运热电（D）厂有限责任公司，广东 广州 510730）

某电厂使用东方汽轮机机组，额定负荷330MW，水氢氢方式冷却，设计采用机端变-静止可控硅自并励励磁方式。额定参数如表1所示。

表1 励磁系统参数一览表

本公司采购的碳刷型号是NCC634，其尺寸为25*38.1*102，额定电流密度为10A/cm2，肖式硬度为20，摩擦系数为0.29，接触压降为2.50V。

1 集电环作用和原理

发电机励磁电流经由静止的碳刷通过旋转的集电环正级流入转子绕组，再由集电环负极平均分成32份通过32个负极碳刷导入励磁整流负极，形成闭合回路。励磁电流流向顺序为：励磁间直流正极→32个静止碳刷正极→集电环正极→转子绕组正极→转子绕组负极→集电环负极→32个静止碳刷负极→励磁间直流负极。其中集电环又称为滑环，随转子同步转动，它的作用是收集励磁中的直流电并导入转子绕组中，为定子绕组创造高速旋转的感应电磁场。

集电环密封罩均匀分布有通风孔，通风孔与表面呈30°倾角，如图1所示。在冷却风扇旋转过程中，可以在滑环表面形成负压，对碳刷进行冷却，并吸走摩擦产生的碳粉，防止滑环集粉，冒火。碳刷安装在刷架上，通过恒压弹簧的压迫，碳刷可以与集电环有效的接触。如图2所示。

图1 集电环冷却风扇

图2 碳刷

2 碳刷过热的影响因素

根据热平衡原理可知，碳刷的发热因素有碳刷电流产生的电热效应以及机械摩擦产生的机械热；同时碳刷也存在散热效应，主要为自然散热方式和冷却风散热方式。

式中，P——总的发热功率；Pi——电流热功率；Pj——机械产生的热功率；Ps——散热功率。

2.1 碳刷的载流大小直接影响到碳刷的热效应

根据焦耳定律，每个碳刷的发热功率Pi与通过碳刷的电流以及碳刷的内阻有关。

式中，I——流经碳刷的电流；R——碳刷的内阻。

由公式可知，碳刷的电热功率与流过碳刷的电流平方成正比关系。

其中：α为载流密度；A为碳刷与滑环接触面面积。

可以看出，在载流密度为定值的情况下，发热功率与碳刷和滑环的接触面积的平方成正比关系。在理论运行过程中，每个碳刷与滑环都有效接触，则每个碳刷被均匀地分配了相等的电流，它们温升也是相等的，便不会出现某个碳刷温度异常升高的现象。而在实际运行中，每个碳刷与滑环的接触面都不相等，则所分配到的电流也不相同，而且有的相差很大，那么它们的温升也就不会相等。

2.2 集电环散热能力的影响

集电环散热方式分为自然散热和强迫散热，自然散热则表现为刷架、支架等与周围空气的自然换热。强迫散热则通过强制通风表现：集电环支架均匀分布有通风孔，通风孔与表面呈30°倾角，在调整旋转过程中，可以在滑环表面形成负压，对碳刷进行通风冷却。当通风所带走的热量与碳刷的发热量相等的时候，便形成了一个热平衡，此时碳刷温度将会稳定在一个温升范围内。负荷低的时候，因为碳刷的发热量较小，温升也会相应的减小；而在负荷高的情况下，碳刷的发热量会大幅提高，那么在通风冷却能力没有提高的情况下，温升则会平衡在一个比较高的范围。在长期运行中，通风孔的工作环境为温度高、粉尘浓度高的集电环室。因为粉尘的黏附力与浓度、空气温度、空气湿度成正比关系，与流速成反比关系。而在运行过程中，通风孔会被粉尘附着，导致通风能力下将，流过通风孔的压力差降低，也会加重粉尘的黏附情况，导致恶性循环。

2.3 机械发热的影响

在碳刷的发热中电阻发热与电流有关，而机械发热则与摩擦、跳动、摆动等机械因素有关。碳刷的肖式硬度比集电环的合金肖式硬度小很多，几乎不对集电环造成磨损。但是集电环上偶尔附着的粉尘颗粒可能对集电环造成一定的磨损，而且对碳刷的磨损更大，所以一部分的机械发热是由于接触面的磨损造成的。碳刷的跳动和摆动会使碳刷与集电环的接触情况恶化，可能会出现接触面不整洁，边缘不整齐，甚至于崩角的现象，会更加恶化碳刷的工作环境，使机械发热和电流热效应加大，从而带来碳刷过热隐患。

2.4 氧化膜的影响

在高速转动过程中，集电环与碳刷的摩擦也会使接触面形成氧化膜，可以减小摩擦系数，降低摩擦带来的热量。然而当碳刷温度过高超过90℃时，会影响氧化膜的形成，甚至使接触面没法形成氧化膜，这种情况下碳刷的摩擦系数会增大，从而使碳刷的摩擦发热量增大。同时氧化膜具有一定的电阻，被破坏后接触面电阻降低，导致碳刷分流大，热效应大，温度更高，从而导致恶性循环。

3 碳刷过热的处理措施

3.1 防止碳刷载流不均匀

在运行过程中，应对碳刷的温度严密监控，定期巡查并用红外温度计进行测量，通过对全部碳刷的温度把控，可以及时发现个别碳刷过热的情况，如表2所示。从表2可以看出12C碳刷的温度最高，其温度达到120℃。取下12号碳刷，发现接触面（如图3所示），碳刷与集电环的接触面不均匀，并出现有边缘不齐、崩角现象。检验得出刷架弹簧压力正常，但碳刷四周表面有很明显的摩擦痕迹，可知碳刷的上下滑动受到阻碍，动作不灵活，所以碳刷与集电环的接触不良好，导致摩擦不均匀，摩擦力增大，有硬性碰撞，机械发热增大。所以对12号碳刷用砂纸进行细磨：对接触面契合集电环的弧面打磨；对四周进行表面打磨；对棱角进行圆滑打磨，保证碳刷和刷架的间隙为1~2mm。表面吹灰再次安装后，温度下降到67℃。

图3 12号碳刷磨损情况实物图

表2 240MW负荷每个碳刷的温度汇总表

3.2 保证新旧碳刷型号的一致性

新旧碳刷型号的一致性可以保证每个碳刷的载流密度和尺寸相同，根据公式，通过碳刷的电流也相同均匀。则电流的热效应平均。不同批次的碳刷也会存在导电性能和物理结构不同而导致载流能力和耐磨能力不同。近期新更换的碳刷在运行过程中出现过热现象较多，磨损，崩角的情况频繁出现，针对这种情况，我们更换了同型号碳刷，温度也得到一定的降低。

3.3 对载流能力低的碳刷进行更换，减小“油雾”影响

在分析每个碳刷的温度时，发现有一些碳刷的温升不正常的小。而这些碳刷具有以下特征：a.这些碳刷都很长时间没有更换过；b.这些碳刷的长度都不长，小于1/4。这些碳刷在长期运行过程中，集电环负极与发电机轴承距离小，而发电机轴承处润滑油以“油雾”的形式微量外漏；集电环冷却风扇引起的负压效应，会使这些“油雾”吸附到集电环负极表面，导致接触面镜面，从而大大降低其载流能力，分配到的电流远远小于平均电流，以致于电流热效应降低，所以温升不正常的小。镜面也大大降低与接触面的摩擦，所以远远低于正常的磨损，故长度长时间不缩短。但这些碳刷的载流降低，大大增加了其他碳刷的载流，导致其他碳刷的电流热效应增大。针对这些情况，我们对温升较低的2A碳刷进行更换，2A碳刷也上升到了正常值，同时其他碳刷的温升也有了一定的下降。

3.4 改善冷却风通风环境

冷却通风风量的大小直接影响了碳刷的散热效率，通风口积灰堵塞，造成通风口的通流面积减小，根据公式

其中v是流速，A是通风口截面积。

风量越大，携带粉尘的能力越大，冷却和清灰的能力就越大。所以保证通风口的清洁也可以降低碳刷的温升。于是对通风口用压缩空气进行清灰处理，减小了冷却风的流通阻力，同时增大了冷却风的有效通流面积。提高了碳刷散热效率。

4 成效检查

根据理论分析并结合该厂实际运行情况，实施以下临时措施：（1）对弹簧压力过低的刷架进行更换，提高碳刷与滑环表面贴合的可靠性。（2）对崩角的碳刷进行更换，对摩擦面不均匀的碳刷进行矫正性的打磨，增大碳刷与滑环表面的接触面积。（3）对冷却通风孔、滑环表面以及碳刷进行清灰，使散热效率大大提升。（4）全面性地对每个碳刷进行红外线测温，对温升不正常低的碳刷进行接触面打磨，减小碳刷表面油膜影响。在进行了全面的施策之后，再次对#2、#5、#11、#12碳刷进行温度测量，如表3所示。可以看出，之前载流能力低，温升不正常小的2A、11B、11C、11D碳刷，温度明显上升至平均水平，而之前过热的12B和12C碳刷温度也降至正常。

表3 施策前后碳刷温度对比情况

5 碳刷过热的预防措施

通过理论分析与实际情况，现可提出以下几点预防措施：（1）针对实际情况，集控增配直流钳表，用于对碳刷分流情况的测量和掌握，主动预防分流不均现象的出现，及时采取相关措施。（2）建立碳刷台账制度，对碳刷更换日期和频次进行动态跟踪，以便及时发现因无明显缺陷而长期未换碳刷现象的发生。（3）碳刷更换的长度为1/3，应严格执行，防止长度过短导致弹簧压迫力不足引起的电热效应和机械热效应。

6 结论

集电环和碳刷过热制约机组的带负荷能力，给电厂带来经济损失，严重的将危及机组的安全运行和电网的稳定。通过以上对集电环和碳刷过热的原因分析和应对措施，可以帮助运行人员更高效地找出问题原因和采取有效措施。