有刷靜止勵磁發(fā)電機碳刷滑環(huán)磨損嚴(yán)重原因分析與對策

陳 波，崔慶峰

（河北鋼鐵集團唐山鋼鐵股份有限公司，河北唐山063000）

1 引言

唐鋼煉鐵廠北區(qū)12M W汽輪發(fā)電機為有刷靜止勵磁發(fā)電機，其額定勵磁電壓188.8V，勵磁電流231A，發(fā)電機正負(fù)極各有四個碳刷和滑環(huán)，勵磁電流由四個碳刷滑環(huán)送入轉(zhuǎn)子線圈。相對于無刷勵磁發(fā)電機，有刷勵磁在動態(tài)穩(wěn)定性、故障處理、滅磁時間常數(shù)及功能調(diào)試等技術(shù)特性上具有很大優(yōu)勢，但是碳刷與滑環(huán)磨損嚴(yán)重、火花等級超標(biāo)，甚至造成環(huán)火一直是影響有刷勵磁發(fā)電機運行工況的重要因素。碳刷火花等級超標(biāo)會造成碳刷及滑環(huán)的不正常磨損，減少碳刷和滑環(huán)的使用壽命。碳刷及滑環(huán)發(fā)熱誘發(fā)刷架的燒熔，嚴(yán)重時造成發(fā)電機的失磁停機事故，同時火花等級超標(biāo)、碳刷滑環(huán)不正常磨損嚴(yán)重影響發(fā)電機的無功輸出能力。

2 影響發(fā)電機勵磁碳刷滑環(huán)磨損的因素

發(fā)電機勵磁碳刷滑環(huán)磨損主要來源于兩個方面，一是機械因素引起的磨損，二是電氣因素引起的磨損。

2.1 機械因素引起的磨損

在彈簧壓力作用下，碳刷和滑環(huán)表面緊密接觸。當(dāng)兩者相對滑動時，由于摩擦作用而形成磨損。影響該磨損的因素主要有以下幾種：

2.1.1 碳刷材質(zhì)與規(guī)格

按碳刷材料的不同，可分為：石墨碳刷、電化石墨碳刷、金屬石墨碳刷。石墨碳刷質(zhì)地軟，潤滑性能較好，摩擦系數(shù)低，但因含雜質(zhì)較多而易使整流器受損。電化石墨碳刷由石墨、焦炭等作原料，近2500℃以上高溫處理而制成。其性能優(yōu)良，故使用范圍廣。金屬石墨碳刷是在石墨中滲入銅及少量錫、鉛等金屬粉末混合而制成，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，載流量大，但是其材質(zhì)較硬，因此相對的對于滑環(huán)的磨損也就更大一些。

另外，碳刷的規(guī)格是否與刷架相匹配也是影響其磨損的一個因素。碳刷與刷架之間間隙過小，可能造成碳刷卡在刷架中，彈簧無法壓緊碳刷；間隙過大，碳刷則會在架內(nèi)產(chǎn)生擺動，不僅出現(xiàn)噪音，更重要的是出現(xiàn)火花，對整流子或集電環(huán)產(chǎn)生破壞性影響。

2.1.2 碳刷刷架壓力

刷架壓力過小，碳刷和滑環(huán)表面接觸不穩(wěn)定，容易引起電弧，使電氣磨損增大。壓力過大，刷面的硬粒對滑環(huán)表面刮割嚴(yán)重，又會使機械磨損增加。因此，彈簧壓力要適中。同時每個碳刷壓力要均勻，當(dāng)刷架壓力不均時，碳刷與滑環(huán)接觸程度出現(xiàn)差異，引起接觸電阻變化，勵磁電流在四個碳刷上分配變得不均勻，容易引起碳刷發(fā)熱甚至產(chǎn)生火花，加大碳刷滑環(huán)的磨損。

2.2 電氣因素引起的磨損

在電流作用下，不僅有機械磨損，還有電氣磨損。所謂電氣磨損，指的是由于電弧高溫和放電等因素的作用，使極面材料受到損壞的情況。而由于電氣磨損影響接觸面，所以也會對機械磨損的程度產(chǎn)生影響。

2.2.1 接觸電阻的影響

碳刷與滑環(huán)之間接觸電阻增大，使得接觸面溫度升高，產(chǎn)生火花。當(dāng)火花等級超過標(biāo)準(zhǔn)值時，火花灼傷碳刷與滑環(huán)表面，接觸面出現(xiàn)黑痕，變得凸凹不平，加劇了機械磨損。嚴(yán)重時會燒焦碳刷與刷架。

接觸電阻增大是多方面原因引起的。

碳刷與滑環(huán)接觸不均勻，滑環(huán)表面光潔度差，轉(zhuǎn)子幌度過大，轉(zhuǎn)子振動過大，接觸面碳粉堆積嚴(yán)重等原因會導(dǎo)致碳刷與轉(zhuǎn)子滑環(huán)之間接觸不穩(wěn)定，接觸面積減小，單位面積通過的電流增大，使接觸面容易局部發(fā)熱進而產(chǎn)生火花，灼傷碳刷和滑環(huán)，造成不正常的電氣磨損和機械磨損。

2.2.2 陰極蒸發(fā)與陽極粉化效應(yīng)

由于電流通過碳刷和滑環(huán)的接觸面，且其直接傳導(dǎo)的部位不斷變動，電流密度又很大，使一些點溫度很高；又由于電弧的高溫作用，會使兩側(cè)極面局部熔化、脫落，金屬會變成金屬蒸汽，碳刷則結(jié)構(gòu)松化，受氧化腐蝕而脫落，此即電氣磨損的表現(xiàn)。但是，極性不同，磨損情況是不一樣的。在電弧作用下，陽極（正極）表面局部灼熱而蒸發(fā)出“金屬蒸汽”，使陽極表面損蝕，這叫“陽極蒸發(fā)”；陰極（負(fù)極）因受正離子撞擊和高溫作用發(fā)射電子，使陰極表面也遭受破壞，這叫“陰極粉化”。在陽極蒸發(fā)和陰極粉化的作用，碳刷和滑環(huán)由于電流方向不同會出現(xiàn)極性差別。

為了便于理解陽極蒸發(fā)和陰極粉化效應(yīng)在勵磁電源兩級造成的影響差別，我們可以把相互接觸的碳刷和滑環(huán)單獨看做一個獨立的系統(tǒng)。當(dāng)電流由碳刷流向滑環(huán)時，此時碳刷相當(dāng)于正極，滑環(huán)相當(dāng)于負(fù)極，此時碳刷面上發(fā)生微小程度的陽極蒸發(fā)，碳粒、石墨離子遷移到滑環(huán)表面，碳刷有電氣磨損。滑環(huán)表面有輕微的陰極粉化，并附著碳粒、石墨，成潤滑、光澤的鏡面，容易形成一層氧化膜。由于滑環(huán)表面平滑，機械磨損較小。

當(dāng)電流由滑環(huán)流向碳刷時，此時碳刷相當(dāng)于負(fù)極，滑環(huán)相當(dāng)于正極，此時碳刷面上發(fā)生陰極粉化，電氣磨損小。滑環(huán)表面發(fā)生陽極蒸發(fā)，大量金屬蒸發(fā)，使其表面損蝕嚴(yán)重，同時，這些金屬粒子也易附于碳刷磨損面上，反過來會使換向器表面嚴(yán)重磨損，出現(xiàn)條痕。這種情況下，滑環(huán)表面粗糙，呈金屬光亮，接觸面間機械磨損大。

總的來說，與勵磁電源正極相連的碳刷電氣磨損大，機械磨損輕微，相對應(yīng)的滑環(huán)電氣磨損和機械磨損都很小；與勵磁電源負(fù)極相連的碳刷電氣磨損小，機械磨損大，相對應(yīng)的滑環(huán)電氣磨損、機械磨損都很大。

3 應(yīng)對措施

3.1 碳刷與刷架的選擇

根據(jù)發(fā)電機勵磁電流與滑環(huán)的實際情況，選擇合適的碳刷截面積與碳刷材質(zhì)，以此來降低火花等級和機械磨損。實際應(yīng)用中還要盡量選擇同一廠家同一批次的碳刷，以減小碳刷差異帶來的不正常磨損。

碳刷的尺寸要與刷架相匹配，碳刷的四個側(cè)面與刷架內(nèi)壁之間必須留有一定的間隙，間隙一般控制在0.1～0.3m m，以碳刷能夠上下自由移動為宜，避免碳刷卡澀或者在刷架內(nèi)擺動現(xiàn)象。

3.2 調(diào)整刷架壓力

調(diào)整刷架壓力，保持刷架壓力在碳刷不冒火的最大壓力下。同時盡可能保持各個碳刷受到的彈簧壓力相同或相近。

3.3 減小接觸電阻

影響接觸電阻的因素很多，但是最終都?xì)w結(jié)在影響接觸面積上。為了保持碳刷和滑環(huán)的接觸良好，可以在碳刷表面開槽，將一個碳刷表面均勻的分成幾個獨立的小塊，降低滑環(huán)表面不平等因素帶來的影響。經(jīng)試驗表明，沿滑環(huán)運轉(zhuǎn)方向開槽不僅可以有效提高碳刷滑環(huán)接觸的吻合度，減小接觸電阻，而且開槽后，如果產(chǎn)生火花，火花會在槽內(nèi)縫隙中迅速湮滅，不易發(fā)生飛濺，從而降低了火花等級。碳刷開槽數(shù)量要適中，如果開槽數(shù)量過少，作用效果不明顯，開槽數(shù)量過多，降低了獨立碳刷塊的硬度，容易發(fā)生斷裂。經(jīng)實踐摸索，該12M W機組最終確定碳刷開槽數(shù)量為2。

另外幌度和表面不平度是滑環(huán)運行的兩個重要參數(shù)。在發(fā)電機定修期間要注意檢查，一般滑環(huán)表面不平度不大于0.05m m，幌度不大于0.05m m。滑環(huán)的表面光潔度影響氧化膜的形成，對于光潔度差的滑環(huán)要進行車削和打磨。

3.4 平衡陰極蒸發(fā)和陽極粉化效應(yīng)

由于陽極蒸發(fā)和陰極粉化效應(yīng)的影響，勵磁電源負(fù)極一端的碳刷滑環(huán)磨損較勵磁電源正極一端的嚴(yán)重得多。為了這個差異，可以利用定修機會，將連接碳刷的正負(fù)極電纜互換，使得碳刷正負(fù)極互換，讓陽極蒸發(fā)和陰極粉化效應(yīng)交替在兩個滑環(huán)之間進行，以此來平衡兩極滑環(huán)的磨損度，延長滑環(huán)使用壽命。

4 結(jié)束語

經(jīng)過實踐摸索證明，上述措施有效降低了該12 M W發(fā)電機碳刷火花等級，減小碳刷滑環(huán)磨損，增加碳刷滑環(huán)使用壽命，并使無功輸出能力由原來的6500k v a r提高到了8000k v a r。但是對于不同發(fā)電機，由于容量、冷卻方式、碳刷數(shù)量等差異，上述影響因素及對策也有一些差異。在處理發(fā)電機碳刷滑環(huán)磨損嚴(yán)重、火花等級超標(biāo)問題時還應(yīng)結(jié)合本機組實際情況作出分析和處理。