淺談發電機滑環碳刷系統常見故障原因及應對措施

江浩

摘 要： 碳刷和滑環是發電機系統中轉動與靜止部分接觸進行能量交換的設備，是發電機勵磁系統的重要組成部分，也是發電機在運行中易出現問題的薄弱環節。滑環與電刷的接觸是靜止與轉動的關系，若維護不當，在運行中存在摩擦勢必造成電刷振動、滑環表面溫度過高等現象，從而進一步造成滑環損壞。

關鍵詞： 打火;溫度高;振動;惡性循環;氧化膜

1 緒論

由于發電機滑環和碳刷是自并勵勵磁方式發電機重要導流部件，是電流從靜止部件流向旋轉部件的過渡裝置，極易產生各種故障現象。在維護過的多臺發電機的滑環系統中總結，多次經歷發電機滑環及碳刷溫度高、碳刷打火、電流分配不均勻等現象。本文針對這些常見現象，初步分析其原因及采取應對措施，為同行們在日常的發電機維護中提供參考。

2 發電機滑環碳刷系統工作原理和正常運行狀態

同步發電機轉子繞組通入直流電后產生磁場，而直流勵磁電流是通過電刷、滑環與引線進入轉子繞組的。滑環與電刷的接觸是靜止與轉動的關系。電刷在正常運行中的溫度一般在50℃～80℃，溫升在40℃左右，碳刷采用恒壓彈簧形式安裝在刷握內，電刷活動自如無卡澀現象，彈簧壓力均勻在0.2Kg左右。在轉子滑環的正、負極各裝有相同數量枚的碳刷在碳刷刷架上。在轉子滑環碳刷兩極之間設計有與轉子同軸風扇葉片，旋轉時使碳刷小室形成負壓，利用負壓將碳刷與滑環運行中產生的熱量帶走，使產生熱量和散熱達到平衡狀態;同時碳刷在滑環上的摩擦、自然氧化的作用下，在集電環的接觸面上形成一層均勻、光滑的氧化膜，是一種復合薄膜，由于氧化膜的具備碳元素的導電性，可以有效改善碳刷與集電環的導流特性，同時又具有較好的潤滑性能，顯著降低了碳刷與集電環之間摩擦系數，減少了摩擦熱的產生和碳刷的磨損，碳刷與滑環維持在良好的工作狀態。

3 常見發電機滑環碳刷系統故障的原因分析及危害

實際上碳刷與高速旋轉的滑環（表面運轉速度30～70m/s）表面接觸，通入大電流， 由于碳刷材質、碳刷與滑環接觸壓力變化，接觸電阻和附加電阻變化、滑環表面受到油污污染，滑環表面客觀存在的陽極蒸發和陰極粉化等多種原因，極易破壞部分已形成的氧化膜，造成該部分接觸摩擦增大，表面溫度高，溫度變化時平衡能力降低，部分電刷溫度急劇升高，會造成該部分碳刷與滑環接觸電阻先由大變小，造成電刷電流分布不均勻，極端時，有的碳刷電流為0，有的為平均電流的2-4倍。通過電流越大溫度越高，溫度越高便會使電刷與滑環接觸電阻進一步減小，惡性循環使整個滑環系統溫度升高，碳刷打火，嚴重時滑環溫度能達到200℃～300℃，碳刷火花等級趨于劣化，最終將會導致刷辮燒斷，產生環火，造成非停和機組設備損壞事故。本集團就有機組滑環環火事故案例。

4 發電機勵磁滑環碳刷系統常見故障的處理措施

如何避免滑環和碳刷故障的發生，在運行過程中需定期測量發電機勵磁碳刷及滑環的溫度并做好記錄，超溫碳刷及時更換。每周測量一次發電機每根勵磁碳刷電流，對偏離計算平均值的碳刷破壞其已形成的鏡面接觸面，使其能重新形成合格的氧化膜。事實證明，預防是最好的應對措施，做好定期工作成效顯著。

4.1 機組運行過程中

對于勵磁碳刷出現打火現象、滑環碳刷溫度高、電流分布不均勻等故障現象，特別是碳刷打火，該現象對滑環碳刷系統威脅最大，往往是其他各種常見的不利因素疊加而產生的后果，嚴重時燒壞滑環。首先要保護好滑環和碳刷之間產生的氧化膜，它具有非常好的潤滑性能和導流性能，碳刷與集電環接觸表面起潤滑作用的石墨膜，將碳刷與集電環分開，使摩擦在石墨潤滑層間進行，提高導流效率，降低了摩擦系數，降低了碳刷的磨損，這要求我們保持滑環和碳刷的清潔，碳刷定期清理刷握，避免油污污染，對部件滲油部位進行清理;檢查碳刷材質是否合格，找專門檢測技術部門檢驗碳刷的電阻率、硬度、接觸壓降、摩擦系數，外形尺寸可使用卡尺測量，更換非同型號、同廠家、同批次碳刷，碳刷材質極其重要，本人經歷過非同批次碳刷引起碳刷打火，統一批次后正常;刷握檢查，刷握材質要求為鑄鋁黃銅、鑄硅黃銅、鑄鉛黃銅、鑄鋁黃銅或黃銅板，因這些材料強度和耐溫值較高，不易發生變形，若材質不合格將會造成碳刷在刷握里間隙過大或過小;均壓彈簧檢查，碳刷電流分布不均勻的另一個原因就是碳刷恒壓彈簧壓力偏低，建議采用恒壓彈簧單圈達到1Kg，因長時間工作環境溫度高會造成彈簧本體彈性變差，壓力降低;若滑環溫度過高，緊急情況下，可使用絕緣木塊上墊上折疊好的多層白紗布，在白紗布上涂少量凡士林，潤滑滑環螺紋溝表面，該方法只可在單極依次進行處理，效果明顯，本人處理過達到300℃的滑環，能迅速安全地把滑環溫度降下來。

4.2 在機組停運檢修時的檢查處理

機組停運時，應對滑環進行徹底清理，包括對滑環表面、滑環下部通風孔道，滑環與大軸之間絕緣進行清理，碳刷刷辮螺絲進行緊固，因通風孔道影響散熱，而螺絲的緊固程度影響接觸電阻;檢查滑環表面是否存在溝痕、灼傷現象，故障點可使用金相砂紙進行打磨處理;若投運年限較長的發電機組，需仔細檢查是否有單極損傷現象，由此現象應進行集電環極性倒換，平衡正負極的磨損量，有利于消除運行中的火花現象，避免滑環環火事故發生。

5 結語

本文對火力發電機組滑環碳刷系統中常見故障，如碳刷打火，碳刷及滑環溫度過高，電流分布不均勻，單極損傷現象等進行了粗淺的分析，介紹了常規在運行中和檢修時的檢查處理措施，如何做好預防工作避免滑環及碳刷故障等，為火力發電機組中出現類似問題提出了解決方案，供火力發電廠檢修維護人員參考。

參考文獻：

[1]陳倉，曹浩軍.發電機集電環環火事故分析及預防[J].熱力發電，2009，38（10）：85-87.