發電機組勵磁碳刷事故分析和對策

常少杰

摘要： 碳刷是發電機進行正常發電和傳導電流的重要部件之一。因碳刷選取不當或是發電機在運行過程中缺乏對碳刷的維護管理，導致發電機非計劃停運，給企業造成重大的經濟損失，所以說碳刷在發電機中能否正常運行，將直接影響著發電機安全運行。

Abstract： Carbon brush is one of the important parts of the normal power generator and conduction current. The faults of carbon brush or the lack of carbon brush maintenance management in the running process lead to unplanned outage of generators， it causes great economic loss for the enterprise， so the normal operation of carbon brush in the generator will directly affect the safety operation of generator.

關鍵詞： 碳刷；危害；對策；方法

Key words： carbon brush；hazards；countermeasures；method

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0126-02

0 引言

碳刷即電刷。運行中的發電機組碳刷如果維護不到位，或檢查缺失將造成機組降出力，甚至損壞設備及停機事故。發電機勵磁系統中碳刷的運行和維護技術屬于傳統技術，多年來始終被沿襲和使用，但鮮有創新。所以，由于日常對碳刷運行情況關注較少，維護技術水平達不到，造成碳刷異常運行情況越來越多。集團公司系統發電廠由于發電機碳刷與集電環間的打火，有的發展成環火，最終導致刷架和集電環燒損而發生的機組非停事件時有發生，造成較嚴重的經濟損失。有鑒于此，為了確保碳刷安全、穩定、經濟地運行，應該深入研究其運行階段可能存在的故障類型及成因，結合現場運行條件采取可靠的技術措施排除故障，這都需要提升碳刷日常維護技術水平及經驗總結。

1 碳刷故障的危害及典型案例分析

①某電力有限公司3、4號機組的發電機轉子一點接地信號頻繁誤報，始終未找到原因，嚴重影響發電機安全穩定運行。在多次檢查處理過程中，對勵磁系統及發電機轉子的絕緣搖測檢查，沒有發現異常；另外，對保護裝置二次回路絕緣檢測及繼電器復核校驗，均未發現異常。最后，在檢查接地碳刷時，發現碳刷與刷握配合過緊，接地碳刷與轉子大軸長期接觸不良，還有密封瓦處的滲漏油對碳刷的污染，使接地碳刷二次回路誤發接地報警信號。通過清理油污及打磨接地碳刷，徹底解決了信號誤報的問題。

②某公司3號發電機10時20分有功負荷200MW，轉子勵磁電壓232V，勵磁電流1850A。運行值班人員發現3號發電機碳刷處冒火花并有焦糊味，運行人員立即將發電機無功負荷由80MVAR降至18MVAR，再次檢查發電機碳刷發生環火現象，發電機轉子一點接地報警。10時30分，運行值班人員手動打閘，機組解列。機組停運后檢查3號發電機有8組勵磁碳刷握均有不同程度燒損，其中四組已嚴重燒毀；刷握導電部位均有電弧灼傷痕跡，環氧隔板一側過熱燒損，滑環燒損嚴重，部分已碳化，絕緣套邊緣局部燒損，勵磁機冷卻風環受熱變形。通過現場檢查及結合發電機當時運行情況，引起碳刷及滑環燒損的主要因素是碳刷打火，經過分析，而造成碳刷打火的原因可能有四點：1）滑環、電刷、刷握和刷架表面臟污；2）刷握邊緣卡澀、彈簧壓力不勻；3）機組軸系振動較大，帶動滑環一起振動；4）使用不同型號碳刷。出現上述問題后，碳刷接觸電阻會增大，碳刷電流分配不均，引起碳刷打火。碳刷打火后開始發熱，當故障極部分碳刷引線燒斷或受熱變形卡澀退出運行后，正常運行的碳刷將承擔全部轉子電流而出現過載現象，導致其過熱升溫，形成環火，燒損碳刷及滑環等部件。

2 導致碳刷故障的因素

2.1 電磁因素 當調整無功功率或勵磁電流時，冒火碳刷會出現明顯的變化。當勵磁機換向時，碳刷與換向片接觸處的電阻會增大；整流子或滑環的氧化膜薄厚不均勻，使得碳刷電流時大時小；或者負載突然短路，或者突然增大或減小，使得換向片間的電壓隨之增大或減小，導致機組過載或不平衡，無法正常運轉。另外，碳刷的型號、規格、質量以及碳刷與碳刷之間的安裝距離，都不符合機組運行要求。

2.2 機械因素 換向器中心不正，轉子不平衡；機組運行時強烈顫振；換向片凸出或換向片間絕緣凸出；碳刷接觸面研磨不光滑，或換向器表面粗糙導致接觸不良；換向器表面臟污；各個換向極下氣隙不均勻；碳刷上彈簧壓力分布不均，大小不一；碳刷在刷握內工作時，因安裝過松導致不正常跳動，或者因安裝過緊導致卡澀，無法靈活移動。調整機組運轉速率可減少顫振，從而能消除火花現象。

2.3 化學因素 機組在充滿腐蝕性氣體或缺氧的環境中運行時，換向器與碳刷接觸的表面上一層自然形成銅氧化物薄膜遭到破壞，本已形成的、近似線性電阻的換向不復存在，在接觸面重新形成氧化膜的過程中換向器火花加劇。換向器（或滑環）被酸性氣體或油脂腐蝕。碳刷及換向器被污染等。

3 碳刷日常運行維護

針對我公司220MW以及300MW發電機碳刷的運行情況，尤其是近段時間因碳刷磨損或碳刷溫度高而頻繁進行更換和調整，從中總結出了以下檢查維護經驗：

3.1 運行檢查 運行人員要加強巡視，定期（不少于每班1次）用紅外測溫儀測量集電環和碳刷的溫度，夏季大負荷期間應縮短溫度測量間隔，一旦發現集電環和碳刷之間出現輕微火花，立即通知維護處理，若出現打火、環火現象，應立即停機處理，避免事故擴大；運行監盤要注意發電機轉子電壓、轉子電流、無功功率、有功功率等參數，發現有突變及時通知專業主管或專業點檢，判斷碳刷是否接觸不良；運行中要始終保持集電環和碳刷通風順暢。維護人員應每天對發電機集電環和碳刷進行兩次檢查（上午、下午各一次，要有記錄），用紅外熱像儀測量集電環和碳刷溫度，新更換的碳刷重點檢查。

3.2 檢修更換 更換碳刷時必須使用同一型號的碳刷，并且碳刷接觸面應大于碳刷截面的80%；一般碳刷頂端低于刷握頂端3cm的碳刷，或碳刷在刷握內有搖擺的情形，應立即更換，碳刷磨損極限剩余長度不低于1/3，運行中更換碳刷，在同一時間內，每個刷架上只允許更換1-2個碳刷；電刷裝入刷握內要保證能夠上下自由移動，電刷與刷握內壁的間隙應在0.1-0.3mm之間，以免電刷卡在刷握之中或因間隙過大產生擺動；一次更換碳刷的數量不得超過單級總數的10%；碳刷彈簧壓力要符合制造廠家的規定（0.015～0.020MPa）各電刷之間的壓力差在平均值的±5%以內，如果彈簧壓力不均，受壓力大的電刷所承擔的電流負荷也大，易于產生電刷灼熱、軟接線氧化、松脫和發生火花。采用直流卡鉗表檢測新碳刷的分流參數，再通過紅外成像儀檢測工作溫度，并做好記錄或做相關調整。優化檢修工藝，提高檢修質量，盡量不因檢修調整失誤導致發電機組運行狀態不良。此外，在機組檢修過程中，應慎重調整刷架和刷握的運轉參數，尤其要嚴格控制刷架的安裝位置及幾何參數，盡量保持原狀態，以確保碳刷的滑入邊和滑出邊始終平行于換向器。

3.3 日常維護 用直流鉗型電流表定期測量（每月兩次，要有記錄）碳刷分流情況，每個碳刷電流控制在20～100A，用紅外熱像儀測量集電環和碳刷溫度（每天兩次），集電環表面（小于或等于120℃）應無過熱現象，刷架溫度應控制在120℃以內，刷體溫度也不超過80℃，重點檢查無電流和室溫碳刷，及時消除電流不平衡、卡澀等故障，使碳刷始終保持平衡狀態。碳刷在刷握內運轉時，可提刷檢查其靈活程度，或者是否存在卡刷或碳刷焊附在刷握壁的現象。不定時、不定期檢查刷辮是否脫辮，是否損壞，導線有無氧化、燒斷股現象，如出現發黑或燒傷應更換。檢查刷握和刷架上有無積垢，每月一次定期用干燥的壓縮空氣吹凈，特別是絕緣件上的碳塵及灰塵，以避免降低勵磁回路的絕緣電阻。每次停機時，必須清理集電環通風溝內的碳塵物，確保風道能夠正常通風散熱，同時密切關注集電環底部碳刷情況，以防其出現故障。

4 碳刷故障處理及方法

4.1 碳刷冒火時的調整 當碳刷過電流過大或者碳刷卡澀間斷與滑環接觸不良時，就容易出現碳刷冒火現象。應根據不同的打火原因，采取對應的處理措施，才能徹底消除冒火現象。①針對電流過大引起的冒火現象，如果碳刷不卡澀、不冒火，且溫度較低，只須更換碳刷之間的彈簧夾，通過提高不冒火碳刷的工作壓力迫使冒火碳刷的電流轉移，就能基本消除冒火現象；如果碳刷卡澀，但是不冒火，溫度也比較低，就應該將碳刷全部卸下并逐一打磨，使碳刷在刷握內可靈活運轉，這樣也能消除冒火現象；②針對碳刷卡澀、間斷與滑環接觸面冒火現象，先用手觸摸其他碳刷的軟線溫度是否過熱，確認碳刷接帶負荷正常后，將卡澀碳刷卸下，打磨至其在刷握下可靈活運轉的程度再重裝回原位，即可消除冒火現象。

4.2 發電機碳刷溫度高和破損的處理

4.2.1 發電機碳刷溫度高的原因 ①勵磁系統過負荷；②碳刷斷辮或脫辨；③滑環風孔堵塞及冷卻裝置故障；④碳刷與滑環接觸面過小或碳刷本身質量問題。

4.2.2 處理方法 ①根據發電機溫度變化適當調低其無功負荷參數，通過控制勵磁電流降低碳刷的工作電流，直至電機溫度下降到允許范圍；②如過個別碳刷脫辨或斷辮，可將勵磁電流適當調低；如果出現環火，勵磁電流就必須大幅度降低，直至碳刷電流恢復平衡后更換新碳刷，切忌強制性換掉大量碳刷，以防事故影響進一步擴大引起更嚴重的后果；③定期清理通風口，確保風道在發電機運行過程中能快速、及時地散熱；④增大接觸面，更換新碳刷。

4.2.3 碳刷破損處理 ①發現碳刷破損后，應盡快檢查破損點，找出原因并采取處理措施，避免其再次破損，更換碳刷后要注意觀察碳刷運行情況，同時做好碳刷測溫及測電流等工作；②碳刷因質量原因或在打磨時發生破損，要檢查同批碳刷質量問題。打磨時，碳刷弧度或接觸面過小就難以保證碳刷在刷握范圍內靈活運轉，甚至出現顫振，必須重新打磨；③碳刷在振動大的機組中工作常常卡澀或破損，應根據機組振動情況及時調整碳刷的位置或運轉參數，或將碳刷重新打磨，確保碳刷在刷握范圍內靈活運轉。當機組沖轉達臨近界轉速時，需要密切關注碳刷的工作狀態，防止其不正常跳動。

4.3 碳刷跳動時的處理 ①當碳刷斷裂或嚴重破損時，應停機換新碳刷；②檢測刷握彈簧壓力，更換刷握壓簧；③若刷握變形及同時有接觸不良打火現象，先將碳刷上下方向調換，若還有明顯跳動現象要立即更換刷握。

5 取得的效果

通過對碳刷維護及日常檢查標準等的學習掌握，維護檢修人員在碳刷的定期檢查維護及采取有效措施緊急處理碳刷故障也有了長足的進步。近一年來我公司只發生過碳刷過熱超溫現象2起，同比降低83%，未發生碳刷打火等其他故障，真正實現了碳刷狀態檢查管理。

6 結論

碳刷是發電機內一個重要的組件，它的運轉性能直接影響發電機的工作狀態。碳刷運轉時，常常出現顫振、火花和不均勻磨損等不良問題，若不及時維護，就可能導致發電機無法正常工作。本文分析了發電機碳刷常見故障及成因，同時針對每一類故障提出了有效的處理方法，對碳刷日常維護管理及故障處理具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]大唐集團公司.防止發電機、勵磁機集電環和碳刷燒損的反事故措施，2008.

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