發電機滑環燒壞故障分析

劉清然

作者通聯：中鋁山東分公司熱電廠 山東淄博市南定鎮工業路東首 255051

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中國鋁業山東分公司熱電廠5#發電機為東方電機股份有限公司生產的QF-3.5-2-10.5型汽輪發電機，額定容量43.75MW，發電機采用機端自并勵靜止勵磁方式，勵磁裝置額定輸出電流1439A。

2008年7月23日，運行人員巡檢發現5#發電機碳刷振動異常，碳刷最高溫度122℃，多只負極碳刷打火嚴重，外引線發熱燒斷，內部引線固定材料液化并發出焦糊味，故障碳刷壓簧過熱變形，彈性較差。現場更換故障碳刷，運行不久再次燒壞。測量碳刷直流回路電流，正極碳刷電流基本平衡，負極碳刷電流13～248A，并聯碳刷回路電流嚴重不平衡。停機后，檢查發現負極碳刷有多個破損崩角，發電機負極滑環表面嚴重燒蝕，出現寬約35mm（與碳刷寬度基本相等）、深約0.5～1mm的溝槽。

故障發生前，發電機運行正常，有功負荷33MW，無功負荷16Mvar，轉子電流643A。根據故障現象和停機檢查情況，排除發電機無功負荷過大、壓簧不合格、碳刷磨短及碳刷與刷框間隙不符合要求等因素。最終判斷故障原因是并聯碳刷分支回路出現不平衡電流。

1.碳刷外引線燒壞分析

發電機使用HN-0.1A型安全拆換碳刷裝置（刷架），刷架上安裝正、負極各16支單組式刷握（圖1），沿滑環呈圓周雙層分布，壓簧可使碳刷和滑環保持恒定壓力，每只刷握內安裝1只碳刷，運行中可直接更換碳刷。刷架和刷握連接見圖2，刷握與刷座面接觸，勵磁電流由并聯正極刷握經滑環進入轉子，從負極刷握流出。正常情況下，根據歐姆定律，每極16只碳刷回路電阻基本相等，各分支回路電流相等。若發電機運行中個別刷握與刷座接觸不良，接觸電阻增大，流過并聯碳刷回路的電流即出現不平衡，電阻小的碳刷回路電流會成倍增加，造成碳刷和外引線過熱燒壞。出現不平衡電流的原因如下。

圖1 5#發電機刷握結構

圖2 改造前刷架和刷握連接方式

圖3 改造后刷架和刷握連接方式

（1）發電機長期運行，刷握內部彈簧（確保刷握與刷座可靠接觸）產生疲勞，使刷握與刷座接觸不可靠。而且彈簧疲勞程度不同，彈簧壓力也不同，導致各刷握與刷座接觸電阻不等，造成各碳刷回路分配電流不平衡，接觸面越可靠的回路中電流就越大，甚至超過原電流10倍。

（2）刷握和刷座（材料均為銅）長時間運行，接觸表面極易氧化，使電流回路接觸電阻增大。現場環境溫度較高，電流通過接觸面發熱，現場灰塵腐蝕作用也一定程度加速接觸面氧化。接觸面氧化程度不同，導致刷握與刷座之間接觸電阻和電流不等。

（3）發電機運行中，在刷握自身重力作用下，靠近滑環兩側的刷握受刷架振動影響較大，特別是在刷握彈簧作用力較小情況下，刷握與刷座的接觸壓力會相對減小，轉子電流會向靠近滑環上方位置的刷握回路轉移，導致該區域碳刷燒壞偏多。

2.發電機滑環燒蝕分析

由于轉子回路每只碳刷分配電流不平衡，接觸電阻小的碳刷回路電流增大數倍，導致滑環表面與碳刷溫度過高，碳刷摩擦使滑環表面發熱燒蝕，而且表面燒蝕越嚴重，滑環溫度就越高。當滑環燒蝕到一定程度，碳刷即出現跳躍、振動現象。同理，壓簧壓在溫度較高、振動較大的碳刷上面，會過熱變形，彈性減弱。

3.處理措施

（1）停機后，將碳刷全部更換為材料較軟、導電性能較好的NCC634型上海摩根碳刷，并研磨碳刷工作面，使碳刷接觸面積大于90%。

（2）拆下刷座，按原刷握分布位置，在刷座正、負導電板上絞孔攻絲32個，然后將碳刷外引線直接壓接在導電銅板上，刷握只起固定碳刷的作用（圖3），這樣直流電流不經過刷握與刷座接觸面，直接由滑環經碳刷流入導電板。

（3）車削、打磨發電機滑環燒蝕表面，先用200砂紙粗拋光，再用金相砂紙細拋光，最后用酒精擦拭表面，使表明光潔度完全符合技術要求。

（4）加強汽輪機廠房環境治理，減少灰塵進入，及時通風散熱，降低廠房溫度，加固刷握支架基礎，減少機體振動對刷握的影響。

（5）嚴格按照運行規程維護，對碳刷、滑環進行常規性檢查，還要定期使用直流鉗形電流表測量各刷握回路電流，并做好記錄。若發現回路中電流分配不均，不僅要處理電流較大的回路，還要重點檢查處理碳刷電流較小的回路，通過更換壓簧等辦法，使所有分支回路電流基本平衡。

（6）運行中定期測量滑環、碳刷及其引線溫度，一般要求溫度不超過80℃，發現溫度過高，應立即采取調整壓簧、更換碳刷和減少無功負荷等辦法，進一步分析處理。

采取上述措施后，1年多來發電機運行正常，勵磁系統運行穩定，各碳刷電流基本平衡，無發熱、振動等異常現象。

1 湯蘊璆，史乃.電機學.機械工業出版社

2 何曙光.發電機轉子滑環幾電刷燒傷原因分析及預防.湖南電力.2004（4）