發電機勵磁碳刷過熱原因分析及預防

馮上青

(韶關發電廠，廣東 韶關 512023)

發電機運行中勵磁碳刷是維護工作量大且最容易出現故障的部件，若在運行中碳刷出現的異常不能及時被發現和消除，很可能會發展成發電機勵磁不穩甚至失磁、碳刷滑環燒毀、轉子繞組短路燒損等嚴重事故。如某電廠2號發電機于2004-01-30滑環碳刷著火，導致發電機失磁保護動作停機。事后檢查發現，發電機碳刷架負極滑環側已嚴重燒損，并有短路痕跡，轉子正極引線(長引線)大部分燒毀，用以固定負極滑環的鋼套圈也燒損嚴重。

從大量發電機碳刷故障致使發電機停運的案例來看，停機事件的直接原因是碳刷(包括刷辮)過熱。因此，對發電機碳刷維護(包括更換碳刷、調整彈簧壓力、清潔滑環碳刷等)的目的也是防止碳刷過熱。為了防止發電機碳刷過熱，需分析其過熱的原因，并從設計、安裝、運行維護等幾個方面消除其過熱的根源。

1 碳刷過熱原因分析

1.1 碳刷發熱量的組成

大容量機組發電機轉子正、負極滑環與刷架之間都并聯有幾十只碳刷，也就是說，正(負)極各碳刷是并聯運行的，且流經每只碳刷的電流也比較大(如300MW發電機額定負荷時，平均流經每只碳刷的電流達60 A)。正常運行中的碳刷溫度一般在50 ～80 ℃(溫升在40 ℃左右)，流經每只碳刷的電流基本相等，碳刷與滑環運行中產生的熱量由通風系統帶走，即發熱與散熱達到基本平衡。碳刷運行中的熱量基本上由3部分組成：(1)碳刷自身電阻的發熱功率W1=I2R1；(2)碳刷在刷架與滑環間的接觸電阻引起的發熱功率W2=I2R2；

(3)碳刷與滑環間的滑動磨擦力引起的發熱功率W3=Fv。

其中，I為流過碳刷的電流，R1為刷體電阻，R2為碳刷接觸電阻(包括刷辮與刷架接觸電阻、刷辮與刷體連接電阻、刷體與滑環接觸電阻)，F為碳刷彈簧壓緊力，v為碳刷與滑環的相對運動速度。

因此，碳刷的總發熱功率W=W1+W2+W3= I2R1+I2R2+ Fv。碳刷運行中與滑環的相對運動速度是固定的；彈簧若為恒壓式則壓緊力F恒定，若為非恒壓式彈簧則F隨碳刷體的磨損逐漸降低，因此磨擦發熱并不會引起碳刷過熱。而I，R1，R2隨運行工況在某些情況下會發生很大的變化，發熱功率I2R1+ I2R2超過碳刷承受程度則會引起碳刷過熱燒損，從而危及發電機的安全運行。因此，在運行中應控制I，R1，R2在正常范圍。

1.2 碳刷過熱原因分析

因為每極滑環上碳刷都是并聯運行的，根據并聯電路原理，當發電機勵磁電流一定時，流經每只碳刷的電流與該只碳刷支路電阻(R1+R2)成反比。根據基爾霍夫第一定律，某一碳刷支路運行中因電阻增大而遞減的電流必然會被其他碳刷支路負擔；某一簇碳刷支路因電阻增大而遞減的電流也會被其余簇碳刷支路負擔。因大機組每極滑環上都有幾十只碳刷，一兩只碳刷失去作用(如刷握卡澀失去滑動接觸或更換碳刷期間)，對其他碳刷支路不會有很大影響。但如果多條碳刷支路電阻增大甚至斷路，會使其他碳刷支路電流有很大的增幅。發電機碳刷在運行一段時間后，由于彈簧壓力變化、碳刷質量差異、安裝等原因會引起刷體長短不一、滑環氧化膜變化、碳刷接觸面形成氣膜和跳動等現象，使得各碳刷支路電阻(包括刷體電阻、接觸電阻)出現分化。碳刷支路電阻出現大幅變化將使各碳刷電流差別大幅變化。而發熱功率與電流的平方成正比，使得本來溫度接近正常值上限的碳刷很快發熱超限，一旦該碳刷燒損，極易促使其他碳刷相繼過熱和燒損，造成惡性循環，擴大事態。

某些碳刷因彈簧緊力不足、碳刷接觸面臟污等原因而產生火花，如不及時消除可能燒傷滑環接觸面，從而引發更多碳刷接觸不良，使得正常工作的碳刷支路電流大增而發熱。如果碳刷火花過大，不僅使該碳刷燒損，也可能燒壞緊鄰的碳刷。

2 防止碳刷過熱的措施

2.1 安裝、選型方面

在機組大小修時，要對刷架進行精密的安裝和校對，使每個刷握安裝孔與滑環圓周切面垂直，保持滑環軸線與刷架軸線同心。如果刷握安裝孔并非完全垂直于滑環圓周切面，而是有一定的傾斜度，就會造成碳刷接觸不良、彈簧壓力不一致。而滑環軸線與刷架軸線不一致，會造成不同側的碳刷壓力不一致，刷體磨損速度也不同，從而使各碳刷的R1和R2差異變大。

同一發電機應采用同一廠家、同一型號，且盡量采用同生產批次的碳刷，因為不同型號的碳刷其電阻特性會有很大的不同，同型號不同生產批次的碳刷也往往存在質量上的差異。在使用碳刷之前，要檢查刷體與刷辮連接牢固良好，測量各碳刷電阻值相近并與正常運行碳刷電阻值相近。

所選碳刷的主要參數(如磨擦系數、接觸壓降、電流密度、額定電流、允許最高轉速等)應與所在發電機勵磁系統相匹配。

更換碳刷前應依據滑環的圓度將碳刷接觸面磨出一定的弧度，使碳刷與滑環實際接觸面不少于80 %。因為接觸面過小，會增大碳刷電阻。

更換碳刷前應將碳刷各側面打磨平滑，并保證刷體與刷握內壁有0.1～0.2mm的間隙，防止刷體受熱膨脹卡阻，從而增大接觸電阻甚至斷路。

刷辮與刷架連接之前，應先檢查連接螺絲干凈無銹，刷架連接處清潔干凈，然后再連接牢固。彈簧壓接緊力要適中，并與其他碳刷彈簧緊力相當，從而有效避免人為原因使碳刷接觸電阻增大。

2.2 運行維護方面

認真執行巡回檢查制度和交接班制度，特別要定期檢查各碳刷溫度。各碳刷溫度應該相接近且不超過80 ℃。若某些碳刷(包括刷架、刷框、接觸面、刷辮)溫度明顯高于其他在運碳刷的溫度，應重點進行跟蹤、檢查和調整。如，檢查碳刷有無跳動、冒火現象；用手拉刷辮檢查碳刷是否存在卡澀、壓力不均或失效現象；檢查刷塊邊緣是否存在剝落；刷體是否過短；用鉗表檢查各碳刷電流是否偏差過大等，并消除不正常現象。

運行中要每星期對碳刷吹灰一次，防止碳粉等塵粒將刷體與刷握間隙卡塞；檢查冷卻風道、冷卻風機運行正常。

停機后要對滑環、碳刷刷握進行吹掃和清潔，保證部件的清潔度。若滑環出現電腐蝕，應進行拋光打圓處理，避免因滑環表面不平滑和氧化膜損壞而增大接觸電阻，造成碳刷打火和跳動。

對碳刷維護人員的知識技能培訓要到位，特別是有關更換碳刷和滑環打磨拋光的操作，技能經驗要求較高，一定要做好監督、驗證工作，防止因人為技術因素而使碳刷出現大面積異常運行。

3 發電機勵磁碳刷過熱問題及處理

3.1 發電機勵磁碳刷存在的問題

某廠11號發電機容量為300MW，采用自并勵可控硅靜止勵磁方式，定子額定電壓20kV，轉子額定電壓455V，轉子額定電流2075 A，正、負滑環共配置64只碳刷，采用恒壓彈簧刷握，碳刷是東方電機廠隨機配備的，型號為NCC634，規格為25×38×100mm，2005年7月投入運行。

2008-03-04T08:30，乙值巡檢人員定期巡檢時發現11號機多個滑環碳刷有輕微火花，匯報值長。值班人員更換了3只較短的碳刷，同時對其他碳刷進行了調整，火花消失。14:00，巡檢人員出巡時再次發現碳刷有火花，其中正極2只碳刷溫度最高至230 ℃，匯報值長，并將有功負荷由246MW降至225MW，無功由64 Mvar降至20 Mvar。打磨數只碳刷接觸面，更換了一些彈簧片，火花基本消失，過熱碳刷溫度逐步下降。20:00丙值接班后，繼續進行調整，最高溫度的碳刷控制在80℃以下。在接下來的2個多月，正極碳刷正頂上一排經常出現火花，溫度較高，最高達285℃，負極頂部3排碳刷溫度較高(無火花)，各班經過調整后都能有所下降，但運行不久后，溫度又會升高。這樣的問題反復出現。

5月27日，設備點檢人員對每只碳刷電流和溫度進行了測量，如表1所示，碳刷電流分布極不均，有6只碳刷電流為0，其余碳刷電流在1.2～197.5 A之間。因為碳刷彈簧是恒壓彈簧，不能人為調整，所以對電流為0或小于10 A的碳刷更換了恒壓片，電流分布有所改善，但總體上碳刷間的電流差別仍很大，碳刷溫度超限(大于80℃)現象時有發生，對發電機安全運行構成潛在威脅。

表1 發電機碳刷測量(時間:2008-05-27T10:00 負荷243MW/3 Mvar 環境溫度 19 ℃)

3.2 碳刷過熱主要原因及處理

設備點檢人員經過2個星期的現場跟蹤、觀察和調整，并未從根本上消除溫度高現象。為此，排除了碳刷壓力調整不當及滑環損傷的原因，而將主要原因歸結于碳刷本身的質量及直流電阻上，于是著手購買質量好的另一生產廠家的碳刷。6月26日，利用停機機會將11號機碳刷全面更換為具有硬度小、直阻低等優點的香港摩根碳刷，型號為8NCC634。同時對拆下的碳刷電阻進行了測量，表2為測量結果，其中，電阻最大為0.01312 Ω，最小為0.001112 Ω，相差超過10倍。

發電機重新運行后，碳刷溫度降低，且在近半年的運行中，一直維持在40～70 ℃，電流分布均勻，無打火現象。其間，對任意2組新舊碳刷的電阻，電流分布和碳刷溫度進行了對比測量(見表3，4，5)。表2～表5說明新更換的碳刷電阻小且均勻，原碳刷由于電阻值差別太大導致電流分布差別太大，碳刷間溫度差別大，甚至出現超溫，難以通過常規調整手段徹底消除。

4 結束語

勵磁碳刷運行作為發電機組運行的重要組成部分，應該引起重視。據了解，很多電廠制訂的發電機碳刷運行維護標準過于簡單，主要就是更換過短的碳刷，對打火的碳刷進行調整。因為碳刷數量較多(特別是有多臺發電機需要維護時)，現場極少能對每只碳刷的電流、溫度進行測量、跟蹤和分析。大量事例證明，勵磁碳刷故障往往在發生多只碳刷火花大、溫度嚴重超溫，甚至發出焦味時才被發現，而且很難通過調整手段加以消除，只能停機處理。因而會引發保護動作和燒毀發電機轉子。勵磁碳刷過熱引起燒損、停機，是長期不注意細節維護，不注意多方面預控的結果。因此，只有以預防為主，從設計、設備采購、安裝、運行維護、停機后檢查修理、人員培訓、制度執行力等方面嚴格把關，才能把碳刷故障消滅在萌芽狀態，減少不必要的損失。

表2 6月26日停機后測得的各碳刷電阻值(本表序號與表1序號不對應)

表3 新舊碳刷電阻對比 μΩ

表4 新舊碳刷電流對比(機組負荷190MW/5 Mvar)

表5 新舊碳刷溫度對比(機組負荷242MW/15 Mvar)℃

1 彭遠崇.發電機勵磁碳刷事故分析和對策[J]. 電力安全技術，2003，5(7)：30～31.

2 楊 凱. 300MW發電機勵磁碳刷故障原因及運行維護對策[J]. 繼電器，2007，35(9)：70～71，81.

3 胡新軍. 發電機滑環碳刷電火花故障處理[J]. 電力安全技術，2004，6(6)：9.