发电机励磁碳刷集电环磨损、发热的原因分析及维护要求

发电机励磁碳刷集电环磨损、发热的原因分析及维护要求林亮浙江火电电厂维护和检修分公司摘

要：碳刷和集电环是发电机动静接触和交换能量的设备，是发电机励磁系统的重要组成部分。本文对哈尔滨电机厂600MW发电机励磁碳刷集电环磨损、发热的原因进行总结和分析，及碳刷和集电环日常运行维护要求。关键词：碳刷集电环

磨损发热

原因分析

维护要求维护应用1．前言大唐乌沙山发电有限责任公司装机容量为4×600MW，4台发电机均为哈尔滨电机厂设计制造，励磁方式为机端变静止励磁，发电机转子额定励磁电压：421.8V额定励磁电流：4128A。集电环外圆周表面设有螺旋散热沟，轴向沿圆周分布有斜向通风孔，以防止气垫现象及加强集电环本身的冷却。每个集电环上轴向布置2个刷盒，圆周分布8处，即每个集电环上共计设置64个碳刷。刷盒为卡装式，可带电插拔，刷盒上设有恒压弹簧，可径向压紧碳刷，使碳刷与集电环保持恒定压力接触。电刷与集电环有独立的通风系统，采用在两个集电环中间加离心式风扇、密闭循环通风冷却。碳刷是发电机动静接触和交换能量的设备，碳刷和集电环运行的好坏，直接关系到发电机的运行安全。所以日常正确的对集电环和碳刷监视、维护，控制碳刷和集电环的磨损、发热现象产生，并及时消除，是保证发电机长期稳定安全的运行的重要工作之一。2．碳刷和集电环磨损原因分析2.1纯机械磨损。碳刷和集电环表面相接触，由于弹簧压力作用和材料弹性变形的缘故，使直接接触部分互相嵌入。当相对滑动时，当然有摩擦作用而形成磨损。如果碳刷颗粒细软，则碳粉易被沾在集电环表面，使集电环成为具有亮滑的石磨镜面，碳刷的磨面也很光滑，两者的机械磨损都较小。但如果碳刷质量不佳，颗粒粗硬，或甚至含有少数如金刚砂之类的硬质颗粒，则必然会对集电环表面进行刮割，使后者出现金属光泽或纹路，碳刷本身磨面也会出现硬粒脱落后而划出的纹道，这就使机械磨损大大增加。2.2在电流作用下的电气磨损和机械磨损。在电流作用下，不仅有机械磨损，还有电气磨损。所谓电气磨损，指的是由于电弧高温和放电等因素的作用，使极面材料受到损坏的情况。而由于电气磨损影响极面，所以也会对机械磨损的程度产生影响。由于电流通过碳刷和集电环的接触面，且其直接传导的部位不断变动，电流密度又很大，使一些点温度很高；又由于电弧的高温作用，会使两侧极面局部熔化、脱落，金属会变成金属蒸汽，碳刷则结构松化，受氧化腐蚀而脱落，此即电气磨损的表现。但是，极性不同，磨损情况是不一样的。在电弧作用下，阳极（正极）表面局部灼热而蒸发出“金属蒸汽”，使阳极表面损蚀，这叫“阳极蒸发”；阴极（负极）因受正离子撞击和高温作用发射电子，使阴极表面也遭受破坏，这叫“阴极粉化”。由于阳极蒸发和阴极粉化的作用，碳刷和集电环由于电流方向不同会出现极性差别。

2.2.1当电流由碳刷流向集电环时，此时碳刷为正极，集电环为负极，则结果是：碳刷面上发生微小程度的阳极蒸发，碳粒、石墨离子迁移到集电环表面，碳刷有电气磨损。集电环表面有轻微的阴极粉化，并附着碳粒、石墨，成润滑、光泽的镜面。由于集电环表面平滑，机械磨损较小。这时碳刷电气磨损大，机械磨损轻微，集电环的电气磨损和机械磨损都很小。

2.2.2当电流由集电环流向碳刷时，此时碳刷为负极，集电环为正极，则结果是：碳刷面上发生阴极粉化，电气磨损小。集电环表面发生阳极蒸发。大量金属蒸发，使其表面损蚀严重，同时，这些金属粒子也易附于碳刷磨损面上，反过来会使换向器表面严重磨损，出现条痕。这种情况下，集电环表面粗糙，呈金属光亮，面间机械磨损大。这时当碳刷为负极时，碳刷电气磨损小，机械磨损大，集电环的电气磨损、机械磨损都很大。2.2.32.2.4弹簧压力，对磨损也有影响。压力过小，碳刷和集电环表面接触不稳定，容易引起电弧，使电气磨损增大。压力过大，刷面的硬粒对集电环表面刮割严重，又会使机械磨损增加。因此，弹簧压力要适中。2.2.5控制磨损均匀。对于集电环，因为正环电流由碳刷流向集电环，碳刷正极性，集电环负极性，故正环磨损小；同理，负环磨损大，故两环极性应经常调换。大修时常倒换正、负环的连接铜排，就是这个道理。3．碳刷运行中发热的原因分析3.1碳刷电阻值增大。碳刷使用过程中电阻值（包括自身电阻、刷辫与碳刷接触电阻和散流电阻）逐渐增大；集电环氧化膜太厚，使碳刷接触电阻大大增加，一方面使碳刷本身发热；另一方面使励磁电流分流到其它回路电阻小的碳刷上。同时使其他碳刷的电阻发热增加。3.2

碳刷卡阻。碳刷通过电流后发热，刷体膨胀，易卡在刷握，这时拉动刷辫感觉很紧；部分碳刷由于振动、刷握不垂直等原因，会在刷握一侧的上沿和另一侧下沿产生明显卡阻，这几种形式卡阻，用钳表仍可测得电流，容易被误导，但碳刷却已经失效，致使其它碳刷分配的电流增加，发热增加。3.3

碳刷压力减小。虽然为恒压刷握，但各个弹簧压力存在差异。用手拉动刷握弹簧，可明显感觉不同弹簧的压力差异；而且在碳刷磨短过程中，弹簧压力也会不同程度减少。压力小到一定程度，接触不稳定，接触压降增大，接触压降发热明显增加。同时由于弹簧压力不足，刷握和碳刷加长增加了碳刷侧面磨擦阻力，碳刷被阻在握内。3.4

碳刷接触面形成气膜。碳刷在允许最大速度下运行，很容易在碳刷接触面产生气膜和跳动，使流过碳刷的电流不稳定。在集电环表面开凹槽和磨花碳刷接触面虽然可以破坏气膜。但却使碳刷实际的接触面积减小。3.5

电流平衡的破坏。一般情况下，碳刷与集电环接触面的接触紧力较大，即接触压降小，所有碳刷工况相近，每条碳刷的电流大小接近，刷体的平均温度较低，碳刷间电流相对稳定平衡。运行一段时间后，碳刷的磨损量相近，但出现了氧化膜（氧化膜应均匀并有光泽）、气膜、卡阻等因素，碳刷磨短或弹簧压力降低，碳刷接触面的接触紧力减小，碳刷间电流重新分配，每条碳刷的电流差别增大。这个阶段时间长，且逐渐变化，不容易引起警觉。当环境温度升高或励磁电流增加时，随时可引起发热，造成平衡破坏。3.6外界环境影响。集电环和碳刷装置靠近发电机瓦密封不好，存在油雾。影响集电环碳素薄膜的形成，降低碳刷的导电性能。致使集电环圆周的螺旋沟和通风孔积碳粉，影响集电环及碳刷的冷却，加强集电环与碳刷之间磨擦温度升高发热。4．碳刷和集电环运行维护要求4.1日检查。每日的工作班组应对碳刷做直观的检查。观察是否有火花及火花的大小，集电环和碳刷装置的温升及噪声情况等。如发现碳刷火花、过多的碳粉或碳刷振动，应按周检查要求进行维修。停机时，应检查构成滑动接触的各部件的工作是否正常，氧化膜是否过厚或过薄，氧化膜是否均匀并有光泽，集电环的表面状态是否良好，通风沟是否堵塞，碳刷接触面是否光亮或者有划痕、灼痕，碳刷体在刷盒内上下滑动是否灵活，弹簧压力是否均匀，其压力值的大小是否符合技术要求等。如出现火花，应设法进行处理。碳刷发生火花的原因和消除方法见表1。表1

碳刷发生火花的原因和消除方法出现火花可能的原因和性质消除方法碳刷研磨不良，其接触面积过少重新研磨碳刷碳刷型号不符合规定，或不同型号碳刷用在同一集电环上更换制造厂指定的或经过试验合格的碳刷刷架位置不对调整刷架位置，使其轴线与集电环的轴线平行刷握与集电环之间的间隙不符合规定调整其间隙使其符合要求（3～4mm）碳刷和引线，引线和端子间连接松动，发生局部火花拧紧碳刷和引线弹簧发热变软失去弹性，碳刷压力不均更换弹簧（碳刷在刷握中应能自由活动，碳刷压力应为0.015～0.02Mp）碳刷磨损后长度过短更换碳刷碳刷在刷握内摇摆或积垢不能在刷握内自由活动，火花随负荷增加而增大检查碳刷在刷握内能否自由活动，更换摇摆和滞涩的碳刷，清理刷握积灰集电环磨损不均或表面不平，跳动过大及机组振动过大引起碳刷振动，火花随振动变化查明振动原因并消除，在停机时检查集电环的状态4.2周检查。每周对碳刷做一次全面的检查，通常这些操作是在发电机运行时进行的，要小心注意安全，检查项目如下：4.2.1碳刷的活动情况。用提刷的方法检查鉴定碳刷在刷盒内上下活动是否自由，有无卡刷和碳刷焊附在刷盒壁的现象（碳刷与刷盒配合的间隙太小会产生卡刷现象。碳刷受力不合理时，会产生电刷焊附现象，当碳刷正在工作时上下微动，碳刷与刷壁只见爱你的额接触电阻逐渐降低到一定程度时，由于热和电的作用，碳刷就粘附在刷盒上面失去了上下活动的能力），当发生有卡刷和碳刷焊附现象时，应立即研磨碳刷和清理刷盒内壁，使碳刷恢复上下活动的能力。4.2.2弹簧压力状况。所有的恒压弹簧维持相同的压力是保证碳刷稳定工作和各碳刷之间电流均匀分布的重要因素。4.2.3碳刷振动状况。运行中造成振动的因素很多如集电环磨损不均，碳刷松弛，机组振动等，尤其是集电环不光滑或存在偏心。都将会引起碳刷振动，此时必须将其从刷握中拔出检查是否有损坏情形，查明颤振原因并消除。为有效减小振动，刷握最低点距离集电环4.2.4碳刷的连接状况。检查碳刷是否有脱辫现象，装配时的固紧部件是否松动现象，导线是否氧化及是否有烧断股线现象等。如出现发黑或烧伤等现象，则应该更换碳刷。碳刷的接触面要力求和集电环表面相吻合。在运行期间由于发热或振动的影响而使刷握、刷辫的螺钉发生松动时，应立即予以紧固。4.2.5碳刷电流分配和温度变化状况。配备直流钳形电流表和远红外测温仪，测量和掌握集电环表面无过热现象，其温度应不高于120℃；每个碳刷电流控制在20～100A，刷体温度控制在不大于80℃，及时消除电流不平衡、气膜、氧化膜、卡阻等因素，保证碳刷在良好平衡状态工作。4.2.6碳刷磨损状况。当运行中如果碳刷有摇摆、剥落现象或磨损到其顶部仅高出刷盒顶部约3mm时，应更换新的碳刷，消除碳刷太短、电阻值变大、卡阻、阶梯形四面体等现象。4.2.7碳刷更换。更换碳刷应在机组启动前进行，如机组在运行中，更换时应视情况适当降低无功；一般情况下，在同一时间内，更换不能超过总数10％的碳刷，且新旧型号必须一致，不同型号的碳刷不能用到同一个集电环上；更换碳刷应由有经验的人员执行。工作人员应站在绝缘垫上，不得接触两极或一手接触碳刷一手接地。碳刷使用前要进行适形研磨（磨弧），然后才允许投入使用，磨弧专用工具按集电环、碳刷架装置仿制。新更换的碳刷要保证与集电环的接触面应大于75％4.2.8隔音罩（励磁设备保护罩）内环境状况。可用压缩空气4.3停机检查.每次停机期间，应清除集电环通风沟、孔内的碳尘物，以免影响通风效果。同时应特别注意检查集电环底部（运行中不易检查）的碳刷情况。为了使两集电环的磨损均匀，每隔一段时间（至少每年一次）将发电机的集电环极性交换。如集电环有凹凸点及变形偏心，应进行处理。对集电环表面的凹凸点，轻者用细纱布打磨（用专用木瓦辅助），对于有划伤或灼伤造成较严重的凹凸点。用重新精车的方法处理。5.日常维护应用乌沙山电厂现使用的摩根D172型的碳刷，碳刷电流密度8.06A/C㎡（8－9A/cm），每个碳刷的长为2.5cm、宽为3.2cm，接触面积为8C㎡，额定电流为64－72A，恒压弹簧的压力值为12N－15N。以下是2010年7月29日1号发电机的检查记录表2表21号发电机励磁碳刷检查表机组负荷:588.6MW励磁电流：3490A励磁电压：346V日期：10.7.29记录人：发电机负极碳刷发电机正极碳刷碳刷组别第一组第二组第一组第二组碳刷次序1234123412341234电流(A)55484327544958405041395243214043温度(℃)49504740444646484147435042434448碳刷组别第三组第四组第三组第四组碳刷次序1234123412341234电流(A)52403836455648593937155136444743温度(℃)44454747474661454643414342434940集电环温度7577碳刷火花无无上表2只是截取检查表的部分，从其中可以看出正极碳刷第二组2号、第三组3号和负极第一组4号电流偏小，负极第四组3号碳刷温度高现象。检查正极2号、3号负极4号碳刷有点短，负极第四组3号碳刷有点卡涩，检查恒压弹簧压力在正常范围13N，集电环温度正常，进行更换和处理碳刷。处理后的情况见表3表31号发电机励磁碳刷检查表机组负荷:592MW励磁电流：3322A励磁电压：327V日期：10.8.3记录人：发电机负极碳刷发电机正极碳刷碳刷组别第一组第二组第一组第二组碳刷次序1234123412341234电流(A)51474850504755434946415041493942温度(℃)44414745434449474347404944484645碳刷组别第三组第四组第三组第四组碳刷次序1234123412341234电流(A)53434039465045554035464942454445温度(℃)45404749454443474346404740434740集电环温度7276碳刷火花无无6．结论发电机励磁碳刷和集电环磨损、发热直接关系着发电机的安全