發電機滑環溫度高的原因及對策

吳干東，張 雄

(廣東粵華發電有限責任公司，廣東 廣州 510731)

某公司發電機勵磁采用靜止整流型勵磁系統，發電機轉子額定勵磁電壓為430 V，額定勵磁電流為1 820 A，發電機勵磁電流由靜止碳刷通過旋轉滑環流入轉子繞組，碳刷安裝在刷架上，通過恒壓式彈簧的壓迫，與滑環滑動接觸。滑環外表面有螺旋溝，沿滑環表面均布傾斜30°的通風孔，每極滑環碳刷有40只，設置成4列，二極共8列。熱能由裝在轉子上的離心式風扇驅散。

1 故障現象

2009年11月，運行人員在定期檢查發電機組時，發現碳刷存在過熱現象，安排人員對其進行測溫。通過測溫發現，5號發電機第5列碳刷溫度相對較高。具體數據如下：41號為87 ℃，43號為85 ℃，45號為71 ℃，47號為75 ℃，而其他機組滑環碳刷的溫度基本在40～60 ℃，最高點的溫度也只有66 ℃。對碳刷的彈簧壓力進行測量，壓力為21 kPa，在合格范圍內，而碳刷和刷辮均未有嚴重過熱跡象。用手觸模觸頭引至碳刷的刷握時，明顯地感覺到整個第5列碳刷的振動要比其他幾列大。現場對準備更換的碳刷進行檢查，發現碳刷原始接觸面局部底角邊緣位置有大量紫銅色痕跡。仔細檢查紫銅色表面并用工具清除后，發現里面有氣孔。對這些未使用的碳刷進行批量檢查，發現65 %以上都存在這一現象，比例非常高。咨詢運行人員有關碳刷使用情況，得知現更換的碳刷系某公司生產的，已經更換了好幾批，4臺機組前后已換上了約38只。

另外，檢查更換下來的碳刷接觸鏡面存在刮痕，表面出現微小坑洞，碳刷接觸面四周邊緣出現面積不等的殘損。對碳刷進行測量監視，發現5，6列刷握盒彈簧槽的底部(離溫度最高點的滑環表面位置最近)溫度達到125～134 ℃。

2 滑環發熱的相關因素

5號發電機滑環在2009年8月進行了一次紅外線測溫，在當時環境溫度35 ℃的情況下，其最高點的溫度為103 ℃，溫升68 ℃，而在這次環境溫度只有27 ℃的情況下，其相同點溫度達到120℃。為此對發熱的相關因素進行了分析。

2.1 熱量平衡

碳刷正常運行溫度，一般為40～60 ℃，滑環在70 ℃左右。理論上，流過每只碳刷的電流大致一樣，可實際上相差甚大，最大的超過100 A，而最小的不到10 A。碳刷與滑環運行中所產生的熱量由通風系統帶走，要求發熱與散熱達到基本平衡。當發電機加負荷時，勵磁電流也會隨之增大，溫度會有短時升高，但系統能維持在新的平衡點上。

2.2 發熱因素

碳刷發熱主要由4部分組成：碳刷自身電阻發熱、碳刷接觸面壓降發熱、刷辮與刷握接觸電阻發熱和摩擦發熱。當然，這4部分熱量在碳刷發熱中所占的份額不是一成不變的，而是隨著碳刷運行時間及工況的改變不斷變化的。

滑環發熱主要由3部分組成：滑環自身電阻發熱，滑環接觸壓降發熱，碳刷熱傳導發熱。在這3者之中，滑環自身電阻發熱所占比例甚少，可以忽略不計；滑環接觸壓降發熱所占比例也不多，所以滑環的發熱主要由碳刷的發熱所決定，隨著碳刷溫度的不斷變化，滑環溫度也隨之變化。

3 存在問題

3.1 機械磨損

對碳刷詳細檢查發現，碳刷接觸面殘余大量紫銅雜質，增大了滑環表面的機械磨損。從碳刷鏡面可以看出，碳刷磨面上的粗顆粒子易嵌入滑環表面。在高速運轉中，刷面上的硬粒對滑環表面刮傷嚴重，加重了機械磨損，甚至引起摩擦振動，久而久之，造成惡性循環，導致摩擦增大，溫度升高。

3.2 氧化膜的形成

碳刷接觸面在運行中形成氧化膜，氧化膜的潤滑性能降低了摩擦系數，減少了摩擦熱的產生。氧化膜通常在65 ℃時較易形成，當溫度達到100 ℃以上時，即使換上新的碳刷，氧化膜也不易形成。該廠的故障情況與各個碳刷的物理性能不同有很大關系，更換后的碳刷破壞了原有的氧化膜，無法形成新的氧化膜，導致碳刷磨損加劇，溫度繼續升高。

3.3 滑環振動

5號發電機滑環第5列的10只碳刷幾乎都存在振動大的問題，這表明滑環表面可能存在大量粗顆粒以及偏心度可能超標(發電機運行10多年來，表面車削修理數次)。5號機6號瓦振動值最大，達到40 μm，在高速運轉中，影響到滑環壽命。

3.4 滑環與刷架調整存在偏差

由于刷架與滑環是分開檢修的，再加上刷架安裝基本上在檢修的最后階段，而此時工作最緊張，因此可能導致刷架的位置調整存在偏差。

3.5 碳刷與刷握配合問題

碳刷更換時技術標準執行不嚴。按照規程要求，碳刷在刷握內的間隙應為0.1～0.2 mm，如碳刷打磨過多，碳刷在刷握內晃動，易破損，還會造成接觸面過小而發熱；打磨過少，又容易造成碳刷膨脹后卡澀而發熱。從已檢查的情況來看，2種情況都存在。

3.6 電流偏差

(1) 由于不同廠家、不同批次的碳刷混用，致使各碳刷的電阻系數不一樣，造成電流分配不均勻，磨損增大。

(2) 碳刷中心線并非完全垂直于滑環表面，有一定的傾斜角度，目前使用的碳刷頂部也為斜面，致使運行中恒壓彈簧壓力在表面上產生水平與垂直2個分壓力，加之彈簧壓力不一致，導致碳刷與滑環的接觸面不均勻，造成碳刷電流偏差增大，引起發熱與振動。

(3) 滑環冷卻螺旋槽內有積碳粉現象，導致冷卻效果差，滑環與碳刷之間的摩擦溫度升高，從而造成部分碳刷導電能力下降，引起電流偏差。

4 措施和對策

根據以上分析，對溫度較高的5號發電機碳刷進行定時定量的更換，對其他機組碳刷也進行一批更換，并采取了如下幾項措施：

(1) 增加對滑環和碳刷的紅外測溫檢查次數，每個班次對5號發電機滑環和碳刷測溫1次并記錄，同時記錄當時的發電機有功負荷及勵磁電流；

(2) 將碳刷逐步更換為性價比高、品牌好的碳刷，并做好有關更換記錄；

(3) 用紅外線成像技術對4臺發電機的滑環、碳刷進行日常檢查，并對各點溫度進行分析；

(4) 碳刷更換前對備品進行檢查，對20 %的碳刷進行直流電阻測量，電阻大的不用，保證換上去的碳刷質量良好；

(5) 定期對碳刷之間的負載電流分配情況和碳刷的彈簧壓力進行測量和檢查，用儀用壓縮空氣對各臺發電機的滑環和碳刷架等進行吹掃，做好記錄;

(6) 加強對環火、發熱、火花較大的滑環和碳刷的監測，及時匯報并調整無功負荷，對滑環凹凸不平嚴重的及時停機車削，以防事故擴大。

采取以上措施后，發電機滑環和碳刷溫度高的現象基本上得到了解決。

1 耿道波. 發電機勵磁碳刷滑環發熱的分析預防和應急處理分析[J]. 甘肅電力技術，2007(4).