浅谈发电机滑环及碳刷发热原因及预防措施

浅谈发电机滑环及碳刷发热原因及预防措施

胡亚运

（华电湖北发电有限公司电力工程分公司湖北省襄阳市441000）

摘要：随着电能需求的增长，发电机故障越来越多。发电机是通过滑环和碳刷的滑动接触，将励磁电流传到发电机转子绕组中的，由于发电机运行中转子高速旋转，若碳刷与滑环接触不佳，碳刷将会产生剧烈的火花，如不及时消除，则会导致碳刷的损坏，对发电机组安全运行造成直接威胁，若冒火严重导致滑环环火，则会迫停机组，影响系统稳定运行，甚至会烧毁设备，带来巨大的经济损失。

关键词：滑环碳刷；发热；处理

引言

碳刷及滑环是发电机一个重要的组成部分，为发电机转子提供直流电源，通过调节发电机励磁电流的大小来调节无功出力。某电厂2009年11月22日11时33分，#7机组运行正常，有功235MW，无功2Mvar，励磁电流1580A。运行人员听见机房内有“嗒嗒”声，立即出外查看，发现#7发电机碳刷消音罩延大轴向东冒火光。11时32分-11时34分期间，#7发电机励磁电流有几次瞬间升高且增幅逐次明显增大（1580A↗2016A，1580A↗2083A，1580A↗2382A，1580A↗2576A）。11时35分，DCS上发“发变组A2转子一点接地保护”报警，此时负荷234MW，无功4.5Mvar，励磁电流1589A。11时36分，励磁电流开始连续较大晃动（1450A-2460A），励磁电压随其晃动（励磁电流增，励磁电压增；励磁电流减，励磁电压减），立即快速减有功、无功负荷。11时40分，紧急切换厂用电正常；此时发电机刷屋、厂房平台南侧格栅有大量浓烟冒出，立即向公司消防人员报警，同时组织人员灭火，打开机房门窗通风。11时41分，励磁电流晃动幅度明显减小。11时44分，有功158MW，汽机打闸，破坏真空紧急停机。灭火后后至就地检查发现#7发电机东侧10组碳刷、刷握、滑环损坏。

1发电机滑环及碳刷发热原因

1.1冷却系统出风口碳粉堆积

由于#7发电机机碳刷冷却系统出风口碳粉堆积导致出风不畅，从而使冷却风量下降，引起发热。尤其是事故发生前期，#7机组处于迎峰度夏期间，负荷较高励磁电流较大，导致#7发电机碳刷及滑环温度长时间偏高，加剧碳刷磨损，出风口积聚碳粉量增加，从而引起冷却性能下降。同时冷却风道内的碳粉不能及时排除，导致部分碳粉在滑环表面螺旋状散热槽内堆积，使得滑环散热性能进一步急剧恶化，这是#7发电机碳刷及滑环烧毁的重要原因之一。因此在机组大小修时，应及时清理通风道、滑环表面螺旋状通风槽内的碳粉。

1.2发电机滑环因表面破损

由于#7发电机滑环因表面有麻点被车削过，导致接触电阻过大、压力分布不均匀而产生的发热。碳刷是在圆周形滑环表面滑动过程中将励磁电流导入转子，因此每组碳刷布置的方向、角度均不一样，导致接触电阻及电流分布情况存在差异，从压力和接触电阻引起发热的原因有以下几个：（1）碳刷与滑环的接触电阻过大、碳刷与刷辫之间的电阻过大、刷辫与刷握连接处电阻过大，引起总压降增大，从而引起发热。此时须检查刷辫与刷架连接螺丝是否紧固，刷架上的恒力弹簧压力是否正常，碳刷表面是否清洁。（2）若刷握上恒力弹簧压力不符合要求，可能是碳刷过短、弹簧老化等原因。应及时更换碳刷或恒力弹簧。恒力弹簧应用铜铆钉或铜螺栓固定，压力应符合规程规定，同一极上的弹簧压力偏差不宜超过5％，同一刷架上每个碳刷的压力应均匀。（3）刷辫与刷握连接处电阻过大，这种情况应检查固定刷辫的铜质螺丝是否紧固，必要时予以更换。（4）同发电机上应使用同一型号、同一厂家的碳刷，对于外观有明显差异的碳刷应不予使用。

1.3电流平衡的破坏

一般情况下，非恒压弹簧碳刷新换上和压紧弹簧，碳刷与滑环接触面的接触紧力较大，即接触压降小，所有碳刷工况相近，每条碳刷的电流接近相等，刷体的平均温度较低，碳刷间电流相对稳定平衡（称作强平衡）。运行一段时间后，碳刷的磨损量相近，但出现了氧化膜、气膜、卡阻等因素，碳刷磨短了或弹簧压力降低了，碳刷接触面的接触紧力减小，碳刷间电流二次再分配，每条碳刷的电流差别增大，处于不稳定平衡（称作弱平衡）。这个阶段时间长，逐渐变化，不容易引起警觉。当环境温度升高或励磁电流增加时，随时可造成弱平衡破坏。

2发电机滑环及碳刷发热的预防措施

2.1进一步加强对碳刷滑环的认识

从发生的故障事故中总结，主要有以下几个原因：（1）温度过高：当滑环、碳刷出现严重发热，温度通常都会达到150℃，甚至更高。此时即便换上新的碳刷，因表面氧化膜不易形成，无法起到润滑作用，碳刷磨损将加剧，导致温度继续升高，成为恶性循环。此时应降低发电机的有功、无功，同时打开碳刷小室门，在外部加装风扇对碳刷及滑环强制冷却，迫使使温度降到正常范围内，让碳刷表面氧化膜逐渐形成。因碳刷小室门已打开，此时要派专人监视，防止小动物闯入或人员误碰，冷却风扇及电源线应固定好，防止造成人身伤害。（2）检查发电机周围是否存在油气泄漏：油气泄漏导致碳刷及滑环表面形成脏污，导致接触电阻过大，引起发热。同时油气与粉尘、碳粉等物质混合，在滑环表面螺旋状通风槽和冷却风道内堆积成油泥，导致散热性能下降，从而进一步引起碳刷及滑环发热。（3）空气湿度太低或含氧量太低：碳刷表面氧化膜的形成需要空气中有一定的水分含量，即空气湿度不能太低，但也不能太高。另外，氧化膜的形成主要与空气中的氧气发生氧化作用而产生，当含氧量过低时也不利于氧化膜的形成。

2.2严格进行检查和运行维护

以下为维护措施：（1）运行人员每班应对发电机滑环及电刷温度进行检测记录，检查是否存在油气污染及风险，每周一次测量并调整主励磁机滑环电刷电流分配，调整应从电流最小的电刷开始，在确保其电流正常后才可调整下一个电刷，防止失磁。（2）检修人员每周应对发电机电刷电流均匀性及各部位温度进行检测记录并及时调整，调整应从电流最小的电刷开始，在确保其电流正常后才可调整下一个电刷。（3）重点检查项目如下：滑环表面应清洁无伤痕，碳刷边缘应完整，无剥落，其联接软线完整无过热断股现象；碳刷无严重磨损，碳刷无冒火、发热；碳刷在刷盒内无摇动或卡涩现象，应能上下自由起落（一般间隙为0.1-0.2mm）；滑环表面应无变色、过热现象；滑环温度不超过120℃；尤其应注意碳刷发热情况，一般不超过120℃；碳刷发热、发生火花时，若型号不对，应及时更换；注意碳刷压力（一般为200-300g/cm2）均匀，各碳刷压力差别不超过10%；测量发电机励磁各碳刷电流，电流在12—80A为运行正常，电流超过120A为不正常，应及时调整；发现碳刷长度接近低于刷握的1/3时，应及时更换，注意新旧牌号一致，对于新更换的碳刷，更换后及时测量碳刷的电流和温度；如某块碳刷冒火花或跳动，调整此块碳刷，如有卡涩，更换碳刷；如发现某块碳刷烧红，更换此块碳刷；如发现滑环上有明显环火，立即减无功接近于零，并测量各碳刷电流，取下一组火花较大的碳刷，必要时降有功负荷，进行调整、更换工作；如发现碳刷系统着火或对大轴放电产生火花，立即解列发电机，并检查确认灭磁开关跳闸；发电机解列后，立即派人至现场灭火。

结语

发电机滑环碳刷发热现象运行中时有发生，严重威胁发电机的安全运行。因此，对集电环和碳刷的监视、维护并及时处理其超温故障，是保证发电机长期稳定运行的重要工作之一。运行中应定时检查其是否有火花及火花的大小，用测温仪测量其是否存在发热现象，并用直流钳表定期测量各个碳刷工作电流，尽量调整各个碳刷电流基本平衡。出现发热时，必须采取及时有效措施，控制发热、降低发热。因为发热作用时间越长，对碳刷和滑环损坏越严重，恢复正常难度也就越大。当发热严重时，应查明原因，采取必要适当措施，避免事故发生和扩大。

参考文献：

[1]吴婷婷，王鑫.630E卡车GTA22主发电机滑环故障原因分析与改进措施[J].煤矿机械，2018，39（07）：158-160.

[2]蒋新艳，何井祥.HXn5机车主辅发电机滑环安装工艺研究[J].电子世界，2018（22）：56+58.