小水電機組勵磁碳刷頻繁更換及打火原因分析與改進

秦維海

摘 ? 要：南方雨水較多，在山區多的地方小水電機組發電業發達，機組利用小時數很長，但很多小水電機組設備都是一些小的電機廠生產，制作工藝相對較差，在運行中會頻繁停下來進行檢修和維護，浪費水能現象嚴重。本文針對某小型水電廠小水電機組勵磁碳刷頻繁更換及打火現象，進行了詳細的原因分析，并根據原因分析得出的結果對滑環電刷加以改進，對小機組穩定運行起到了很好的作用。

關鍵詞：小水電 ?碳刷 ?頻繁更換 ?原因分析

中圖分類號：TV734 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）08（c）-0108-02

某小水電廠位于南方山區，共有三臺500kW小水電機組，三臺機組均為20世紀90年代中期投產發電，每臺機組年均發電7000h左右，為解決山區電力匱乏及有效利用水資源做出了突出的貢獻。三臺機組所采用的勵磁方式均為靜止勵磁方式，給轉子通過脈動的直流電流，機組轉子集電環每極四個電刷，共8個電刷，采用J102電刷，電刷尺寸12.5×25×40mm，并采用單邊彈簧壓電刷形式，機組正常運行時勵磁電流150A左右。

1 ?異?，F象

經過長期對三臺機組每次更換電刷時間和耗用電刷數量的統計、分析，平均每月一臺機組需更換2～3只電刷，一臺機組將近3個月時間左右整臺機組電刷需全部更換一遍，電刷更換頻率太高，維護工作量較大。機組運行期間，每臺機組因集電環電刷溫度過高、電刷打火，產生環火，而且小機組碳粉較多，很多都附著于轉子外表面和勵磁回路各引線和絕緣部件上，引起轉子回路絕緣下降，多次出現過燒毀集電環、發電機組跳機惡性事件。

2 ?原因分析

針對小機組勵磁電刷頻繁更換及打火這個情況，我們專門成立了QC小組進行攻關，從人機料法環5個方面進行分析造成勵磁電刷頻繁更換及打火的原因。

2.1 人的方面

現場所有檢修技術人員都是專業人員，許多畢業于電力學校，而且有多位工作多年的老師傅，對各種類型發電機機組檢修有足夠的工作經驗，特別對處理滑環及電刷方面更有很多積累的寶貴經驗，在業務技術上，現場的工作人員完全有能力處理機組電刷更換頻繁及打火問題的能力。所以確定人的方面為非要因。

2.2 環境方面

小機組因為取水源的特殊位置，機組安裝的位置不是很好，設備運行的環境相對較差，這個很難進行改變，安裝成功后也無法進行移位，設備設計制造時已跟廠家要求考慮安裝位置的特殊情況，廠家也在設計制造上進行了考慮。所以環境方面確定為非要因。

2.3 材料方面

機組所使用的是金屬石墨電刷J102，查電刷技術性能表得知J1O2電刷電流密度20A/cm?、每50小時磨損量為小于0.4mm，根據我們日常對電刷更換的情況統計來看，每臺小機組滑環電刷磨損約15～17mm左右就需要對本只電刷進行更換。如果我們按照單只電刷平均磨損量16mm作為更換電刷的標準，那么每只電刷磨損16mm用的時間：16 mm/0.4mm*50h=2000h，2000h也就約等于83d，基本與我們三個月時間更換同一只電刷時間大致相同，所以實際電刷的運行時間與理論上時間一致的，但我們認為機組廠家在滑環電刷設計上是欠考慮的，未能考慮到機組的長周期運行及電刷頻繁的更換造成人員維護量的增加，所以我們認為可以選用其他滿足此類轉速要求且每50h磨損量更小的電刷來代替目前所使用的J102電刷，應該更能夠減少現場的維護量和延長機組的運行時間。

另外廠家原配的J102電刷全部長度為40 mm，對于這種長周期運行的機組來說，所配置的長度相對較短，平時磨損的長度約16mm，磨損的有效長度過短，勢必造成機組經常性停機而頻繁更換電刷。

機組運行時，勵磁電流為150A，每極共4只電刷，平均每只電刷的電流為150A/4只=37.5A/只，J102電刷電流密度為37.5A/（1.25cm×2.5cm）=12A/cm?，若某一只電刷接觸不良或每只電刷接觸面只有75%，則150A/3/（1.25cm×2.5 cm）=16A/cm?，接近J102電刷電流密度電流額定值。電刷截面積過小，造成每只電刷上通過的電流很易接近電流密度電流額定值，故我們確定選型配置不當為要因。

2.4 設備方面

該電刷配置的電刷卡為半邊單圈彈簧形式，只壓電刷半邊，彈簧壓力小，壓力不均，機組運行中有振動，導致電刷跳躍或電刷卡阻，使之接觸不良，有一個電刷接觸不良，其它電刷的電流密度就增大了，滑環及電刷溫度就會升高。機組運行時滑環溫度應不高于100℃，每個碳刷電流控制在20～50A，刷體溫度控制在不大于80℃，連接線發熱溫度不超過75℃，（溫升40°）以內，因為碳刷的負溫度特性，隨著碳刷溫度的增高，它的接觸電阻反而降低，在80℃～100℃時最低。當溫度超過100°C時，接觸電阻又急劇增加，這對接觸面的穩定和電刷間的均流極為不利。當一只碳刷進入不正常狀態，并開始發熱，由于電刷的負溫度效應，接觸電阻反而減少，這樣，流過此碳刷的電流增加，則該塊碳刷越加的發熱，直至接觸電阻降至最低點，流過的電流最大為止，如此惡性循環，使電刷劣化加速。這種“崩潰”式變化，使原流過此電刷上的電流進行“雪崩”式的重新分配，可能使電刷上的電流負荷差達10倍以上。接觸電阻小的電刷將得到大部分的電流，很可能使它們也發生“雪崩”。這種連鎖反映的后果是非常嚴重的。重點檢查無電流和溫度，及時消除碳刷電流不平衡、卡阻等因素，保證碳刷在良好平衡狀態工作。故確定電刷在運行中壓力不均也為要因。

2.5 制度方面

對于機組勵磁電刷的維護、更換工作均有維護細則參照執行，對于維護更換工藝也進行過培訓。在制度的執行、維護的到位方面沒有問題，所以此條不是要因。

3 ?設計改進

針對QC攻關得出的要因確認結果，我們主要從電刷選型、彈簧等方面對整個機組集電環回路進行設計改進。

一在電刷上我們選擇耐磨性能更好的D172電刷，選用電刷的尺寸為25×32×70mm的電刷，增加了電刷的截面積。D172電刷的性能為電刷電流密度12A/cm?、每50小時磨損量為小于0.2mm，每極計劃配置6只電刷，大大增加了電刷與集電環的接觸面積。通過每只電刷的電流密度為150A/6/（2.5 cm×3.2cm）=3.125A/cm?，比D172電刷電流密度額定值12A/cm?小很多，減少了集電環過熱的可能。

二是更換電刷型號的同時增加了電刷的長度，由原40mm長改進為70mm長，這樣電刷磨損的有效長度可以達到40mm，電刷磨損40mm所用時間：40mm/0.2mm×50h=10000h，近416d，比原先更換電刷時間延長5倍。

三是我們同時選用適合于D172電刷尺寸雙簧恒壓刷握，該壓簧為雙圈，更能保證電刷與集電環的壓力均勻，接觸良好，減少了電刷打火的可能。

四是改變集電環的尺寸。因為增加了電刷的尺寸、改變了刷握的形式，必須同時改變集電環的尺寸，我們在保持原有集電環外罩尺寸和大軸尺寸不變的情況下，重新設計制作了新的集電環，將原集電環平面寬度為20mm現改為35mm。

4 ?實施效果

根據設計改進的要求，我們繪制圖紙在專業發電機配套廠家定制了集電環、刷架，并購買了電刷、刷握進行改裝。第一臺機組與2015年1月14日改裝完成。為確保改造實施的成功，我們嚴格按照滑環電環安裝維護標準執行，安裝時保證集電環表面應光滑、無麻點、無刷印或溝紋。刷架刷握及絕緣支柱應完好，固定牢靠，絕緣電阻測試應滿足GB/T8564的規定，刷握距離集電環2mm～3mm間隙，刷握應垂直對正集電環，彈性良好。電刷與集電環的接觸面，不應小于電刷截面的75%，碳刷壓力均勻，電刷與刷盒壁間有0.1mm～0.2mm間隙，電刷在刷握內滑動靈活，同一刷架上每個電刷壓力調整一致。保證安裝的電刷為同一型號。勵磁引線及電纜應完好無損，接頭連接牢靠，固定夾板完好。日常維護中檢查刷握和刷架上有無積垢，每月一次定期用鼓風機吹掃，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。檢查碳刷是否接觸良好無卡塞，在刷握內能自由活動，定期用紅外成像儀檢測集電環及電刷溫度。

目前改造后已運行50月，期間沒有發生過電刷打火現象，只更換過一次電刷，運行工況良好，只在機組停機時機對集電環、碳刷回路進行了檢修。

參考文獻

[1] GB/T 817—2014，立式水輪發電機組檢修技術規程[S].北京：國家能源局，2014.

[2] 郝林.機組碳刷裝置打火與運行溫度偏高的原因與技術改造[J].城市建設，2012（36）：1.