汽輪發電機集電環和碳刷的維護與檢修

楊成余

（河南理工大學，河南 焦作 454003）

2003年，河北某發電廠6號機組運行時正極集電環環火嚴重，打閘停機。停機檢查發現，該機組正極集電環外表面(碳刷接觸面)被燒成麻點且變色，內表面靠近導電螺釘附近被嚴重電灼傷，大軸被灼傷彎曲。搶修9天后機組并網投入正常運行。

2008年，河南某電廠2號發電機負極集電環下部出現連續火花，有電弧放電現象，并伴隨濃煙和較大的放電聲，造成機組緊急停機。該事故造成直接經濟損失25萬元，間接經濟損失2 700萬元。

國內電廠發生多次輕重程度不同的集電環環火故障，造成機組降出力或停運。集電環和碳刷故障直接影響發電機的穩定運行，甚至造成重大損失。

1 集電環和碳刷故障的原因

(1) 碳刷刷握與集電環機械磨損。刷握螺栓松動或者卡槽變形，使得刷握最底端與集電環表面發生硬磨擦，產生零星火花。

(2) 碳刷與刷握的間隙過大或過小。若碳刷與刷握之間的間隙過小，則會使碳刷在刷握內上下自由滑動困難，甚至有可能卡住碳刷；若碳刷與刷握之間的間隙過大，則會使碳刷在電機運轉時晃動，與集電環接觸不穩定，甚至使碳刷“啃邊”。以上2種情況不僅會使集電環過熱，而且還有可能使碳刷與刷握側壁產生電流通路，出現碳刷附焊現象。

(3) 碳刷壓力調整不當。若碳刷壓力過小，則會使碳刷與集電環接觸不良，容易產生火花使集電環過熱，嚴重時甚至燒蝕集電環使之出現麻點；若碳刷壓力過大，則會使碳刷與集電環的摩擦力增大，不僅會加劇機械磨損，而且會使集電環因摩擦發熱量較多而產生過熱現象。

(4) 碳刷電流超出規定值。理論上如果各碳刷工況相近，則每個碳刷的電流大小相等，平均分布。但實際上，由于受碳架構造、彈簧壓力、集電環表面氧化膜、氣膜、碳刷長短等因素的影響，各碳刷的電流分布不均，存在個別碳刷電流過大或過小的現象。并且隨著環境溫度的升高，勵磁電流的增加，個別碳刷的電流可能會超出碳刷的允許電流值，從而導致集電環溫度升高。

(5) 碳刷的負溫度效應。碳刷具有負溫度特性，即隨著碳刷溫度的升高，接觸電阻反而降低，且在80～100 ℃時最低，但超過100 ℃時則急劇增加。這對接觸面的穩定和各碳刷間的均流極為不利。當碳刷開始發熱時，因負溫度效應，接觸電阻減少，電流增加，碳刷發熱，直至接觸電阻降至最低，電流升至最大，形成惡性循環，使碳刷加劇劣化。

(6) 碳刷表面無法形成或形成不良的氧化膜，不能起到潤滑作用。氧化膜的形成需要適宜的溫度(一般為70 ℃)、濕度、含氧量。溫度、濕度、含氧量過高或過低，都不利于氧化膜的形成。另外，空氣中的油氣、鐵屑、碳粉等也不利于碳刷表面氧化膜的形成。

(7) 集電環表面不光潔。集電環表面如有鐵銹、毛刺或粘有灰塵、油污、碳粉，將影響碳刷通流，增大接觸電阻，增加電損耗和摩擦損耗，引起溫度過高。長期運行會產生電弧灼傷，使得集電環表面產生麻點和凹槽，致使碳刷與集電環接觸面變小，接觸電阻變大，溫度升高。

(8) 油霧和粉塵的污染。某些集電環冷卻方式為兩側進風，集電環易受油霧污染，易粘灰塵，導致碳刷因積灰嚴重而卡澀。

(9) 集電環通風孔積灰堵塞。集電環表面存有螺旋散熱溝，鉆有斜向通風孔，并在2個集電環中間加有同軸風扇，向外排風。如果維護不當，容易導致通風孔積灰堵塞，影響集電環的冷卻。如果出風道與入風道離得很近，還會引起出入風道串風，大大降低冷卻效果。

(10) 集電環同心度超標或發電機軸瓦振動過大。集電環同心度超標或者發電機軸瓦振動過大，均會引起碳刷在刷握中跳動，使得碳刷邊角缺損，集電環與碳刷接觸不良，從而導致碳刷溫度升高，甚至發生環火。

2 集電環和碳刷的日常維護項目

碳刷的日常維護通常是在電機運行時進行，要注意做好防止電擊和被轉動機械卷住的措施。

(1) 每日應對碳刷做直觀檢查。觀察是否有火花及火花的大小。如果發現碳刷產生火花，應設法及時處理。

(2) 每日應檢查碳刷有無抖動、跳動現象。如果碳刷有抖動、跳動現象，必須拔出該碳刷所在刷握，檢查碳刷是否損壞、集電環表面磨損是否均勻、機組振動是否過大，并及時消除故障。

(3) 每日應用紅外測溫儀測量集電環表面溫度，其溫度應不高于120 ℃；測量碳刷刷體溫度，其溫度應不高于80 ℃。每周應進行1次發電機集電環、碳刷及正負極銅排接頭的紅外成像測溫，記錄當時發電機的有功功率、無功功率、勵磁電流、環境溫度、碳刷和集電環的溫度情況，并進行劣化趨勢分析。有條件的企業，可以增設集電環碳刷溫度、隔音罩內環境溫度、冷卻風扇出風溫度在線監測裝置，將溫度值遠傳至集控室監控畫面，并設置高溫報警裝備。

(4) 每日應用直流鉗形電流表測量每個碳刷的電流，將每個碳刷的電流控制在20～100 A，及時消除電流不平衡現象，保證碳刷電流在允許載流量范圍內。

(5) 每日應檢查碳刷的磨損情況。當碳刷磨損到其頂部僅高出刷盒頂部約3 mm或碳刷有剝落現象時，應及時更換碳刷；同時要控制每次更換的碳刷數量，每天最多更換每個刷架上20 %的碳刷，并做好詳細記錄。記錄內容包括：更換碳刷的位置，新更換碳刷的生產廠家、型號、采購批次、直阻，更換后碳刷的電流值，更換周期。同一集電環上使用的碳刷必須是同廠家、同型號、同批次的產品。碳刷更換必須由有經驗的電氣專業人員執行，工作人員應戴絕緣手套或橡膠手套，站在絕緣膠皮(墊)上，不得同時接觸集電環的兩極或一只手接觸碳刷而另一只手接觸金屬外殼。碳刷應在套有細砂紙的磨弧專用工具(按集電環、碳刷架裝置仿制的工具)上適當研磨后，才能投入使用，并且不宜采用金剛砂紙研磨碳刷，以防金剛砂顆粒嵌入螺旋通風槽內，擦傷碳刷和集電環表面。新更換的碳刷要保證20～100 A的電流，以保證良好的工作狀態。

(6) 每周應檢查碳刷的活動情況，保證碳刷能夠在刷握中上下自由移動，碳刷與刷握內壁的間隙應控制在0.1～0.3 mm之間?？捎锰崽妓⒌姆椒▉頇z查判斷碳刷在刷握內有無卡澀現象。如有卡刷和碳刷焊附現象，應立即拔出碳刷，對其進行研磨并清理刷握內壁的積灰積塵，使碳刷能夠上下自由移動。

(7) 每周應檢查碳刷刷辮是否有固定螺栓松動、導線變色、燒傷或斷股現象，并及時更換發黑、燒傷或斷股的碳刷。當刷辮的螺栓受發熱或振動的影響而發生松動時，應立即緊固。

(8) 每周應檢查集電環表面、刷握、刷架上有無過多的碳粉，每月應用干燥的壓縮空氣清理集電環、刷架裝置附近特別是絕緣部件上的碳粉及積塵，以避免降低勵磁回路的絕緣電阻。并且，所用的壓縮空氣必須經過干燥、除油處理。如果集電環表面過于臟污，可用干凈的白布蘸四氯化碳擦拭，使其保持潔凈光亮。

(9) 每周應使用壓縮空氣和吸塵器清理1次隔音罩內的雜物和積塵，并且隔音罩內的座式軸承下絕緣墊片表面及周圍也不允許附著碳塵、灰塵和油污等。檢修維護人員應加強對發電機油檔的檢修維護，避免出現滲漏油現象，以減少對集電環的污染。

(10) 機組運行期間，每月應測量1次發電機軸電壓。

(11) 應加強對供貨廠家的資質審查，選用業績優秀、質量優良的廠家。每次碳刷的采購數量要滿足在2年內碳刷更換采用同廠家、同型號、同批次產品的要求。有關人員應共同對碳刷備件進行驗收，驗收時要抽檢10 %碳刷的電阻值。除保證日常更換外，其余的大批碳刷備件應貯存在物資部倉庫內，貯存環境的溫度、濕度等應符合要求，以防止碳刷備件受潮損壞。倉庫保管人員、運行人員應每月對碳刷備件進行抽檢，以掌握碳刷備件的貯存狀態是否正常。

3 集電環和碳刷停機時重點檢查項目

(1) 每次機組停運期間，均應清理集電環螺旋通風溝、斜向通風孔內的碳粉和積塵，以免影響通風效果。

(2) 為使正、負集電環的磨損均勻，每隔一段時間(至少1次/年)交換發電機的集電環極性。如果因系統設計無法實現集電環的極性交換，可在汽機房勵磁母線正、負極分叉處增加1套勵磁封母極性互換裝置，通過改變封母連接方式實現發電機集電環的極性定期互換。改造前、后一次系統接線如圖1和圖2所示。圖2虛線部分為勵磁封母極性互換裝置，可通過改變母線聯結片改變母線連接方式。

(3) 停機時應檢查刷架各處的固定螺栓是否緊固、底板有無變形，集電環表面有無劃痕、灼痕，集電環有無變形偏心。對于集電環表面的凸凹點，要視集電環損蝕的程度采取相應的方法。對于灼傷深度小于1 mm、損傷面積在20 %下的輕度損蝕，可先用細銼與油石打磨，然后用0號拋光砂布清除毛刺與麻點(用專用木瓦輔助)，最后用白布蘸少許四氯化碳溶液對集電環表面精拋光；對于劃傷或灼傷較嚴重的凸凹點，可用重新精車的方法進行處理，保證同軸度、圓度、圓柱度≤0.02 mm，粗糙度≤0.4μm。

(4) 每次機組檢修期間，應分別測量正、負極集電環，集電環與發電機端蓋之間，集電環與發電機勵側末端軸承之間等部位轉子軸的晃動值。

(5) 在機組大、小修時，應進行集電環的硬度檢驗和表面探傷。

4 運行中碳刷發熱或環火的處理方法

圖1 改造前的一次系統接線

圖2 改造后的一次系統接線

(1) 若出現個別碳刷斷辮或脫辮時，可先適當降低發電機的無功負荷，減小勵磁電流。出現環火時，應大量減小勵磁電流，從而降低碳刷的工作電流，減輕碳刷的發熱。

工藝流程。原料→挑選→除梗去核→破碎→酶法液化→調整成分→酒精發酵→粗過濾→醋酸發酵→過濾、澄清→殺菌→調配、裝瓶→殺菌、成品。

(2) 先調整電流較小的碳刷，不動故障碳刷。一般情況下，故障碳刷電流比較大，通過調整、打磨其他碳刷，使電流重新分配，可使故障碳刷電流下降，從而使故障碳刷溫度下降，環火消失。

(3) 拔除故障刷握。刷握下邊緣距集電環表面的距離一般約2 mm，下邊緣一般為薄鋼板，由于刷握長期運行，薄鋼板受熱變形，可能與集電環產生硬摩擦，形成環火。對于此類故障，應沿圓周挨個拔除刷握，逐一觀察環火有無變化，如果環火無變化則將刷握插回去，繼續拔下一個，直到故障消失，并處理故障刷握下邊緣鋼板變形的情況。

(4) 優化碳刷電流分配，減小故障碳刷通過的電流值。當碳刷發熱或環火處于初期，碳刷發熱溫度不高(在100 ℃以內)時，可先不動打火的碳刷，而是先調整磨損變短的、工作電流很小的、彈性較小的碳刷，通過調整碳刷，使電流均勻分配。實踐證明，同一圓周上正負極碳刷極性互換，也可暫時消除碳刷打火現象。

(5) 檢查恒壓彈簧壓力值是否在推薦的范圍(對D172型碳刷的壓力值為12～15 N)內。所有恒壓彈簧維持相同的壓力是保證碳刷穩定工作和各碳刷之間電流均勻分布的重要因素。明顯的壓力差異往往會表現為碳刷不同的磨損率，在運行中應根據碳刷及集電環的磨損情況檢查和判斷彈簧的工作狀況，并使壓力盡可能均勻。如果恒壓彈簧壓力不足，應予以更換。一些刷握的彈簧鉚在刷握上，更換彈簧必須更換整個刷握，會造成浪費，應將刷握結構改造為可更換彈簧的結構。停機檢修時，測量各彈簧壓力，若壓力偏差較大，也應進行更換。

(6) 清潔集電環表面，清除集電環表面毛刺。機組運行時，可拔出一塊刷握，用干凈白布包緊在電木前面，蘸四氯化碳溶液，頂在集電環上，清理表面積污。沿軸向依次拔出各刷握，挨個清理集電環表面。將頻閃儀速度調至與轉子轉速一致，可觀察到集電環表面的粗糙情況，如果表面有毛刺或輕微麻點，可用水磨石或0號砂布予以清除。

(7) 清理隔音罩進、出通風口，保持風道通暢，增加散熱量。必要時，可采取外部強迫降溫的方法，如安裝大功率風扇通風或加裝空氣噴頭，采用干燥無油的壓縮空氣強制降溫，使集電環溫度降到正常范圍內。同時要注意避免通風口處軸瓦滲漏油、周圍蒸汽泄漏以及大量粉塵聚積。

(8) 涂抹凡士林。取下刷握，將凡士林涂在碳刷接觸面或者用潔凈的軟毛刷蘸取少量的凡士林，涂在集電環表面，但要做到少量、多次、均勻。由于凡士林的潤滑作用，碳刷與集電環接觸良好，同時凡士林滴熔時可吸收少量熱量，帶走集電環表面部分碳粉和灰塵，改善碳刷運行條件，快速降低集電環和碳刷溫度。

(9) 測量勵磁電流的交流分量，判斷是否因交流分量竄入引起碳刷打火。

(10) 當發電機碳刷出現連續火花和放電現象且經處理效果不明顯時，應果斷地打閘停機。

5 結論

認真研究集電環和碳刷的磨損、溫度變化、結構變形、螺栓緊固等情況，制定可執行的維護和檢修方案，做到按時維護，該修必修，修必修好，從而有效抑制發電機集電環和碳刷維護不當引起的過熱、環火等事故，實現發電機長期安全穩定運行。除了上述的維護和檢修方法外，還可通過修訂運行規程相關內容，明確規定集電環和碳刷出現過熱、跳動、火花甚至環火等緊急狀況時的處理方法及進行緊急停機的處理措施，以避免事故擴大。

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