大型发电机励磁碳刷超温分析及处理

摘 要：文章针对大型发电机励磁碳刷超温问题，系统分析了碳刷发热产生的机理以及碳刷超温的各项因素，根据原因分析有针对性的提出处理措施，为大型发电机碳刷超温维护处理提供借鉴。

关键词：励磁碳刷；超温；处理方法

1 概述

大型发电机组多采用静态励磁系统，励磁系统输出励磁电流至碳刷，通过与发电机滑环的摩擦接触，励磁电流送至发电机转子回路中，正常情况下发电机转子以3000r/min速度高速旋转，转动摩擦部位为安全运行的薄弱环节，现场碳刷振动以及碳刷超温现象非常常见，若冒火严重可能发生滑环环火，导致发电机停机，造成重大的损失。

2 系统介绍

文章以220kV出线，600MW火力发电机组为例，分析其励磁碳刷超温机理及处理方法，设备主要参数如表所示。

3 发电机碳刷超温机理分析

NCC634牌号碳刷，摩擦系数小，电阻系数适中，自润滑能力强，抑制火花性能优良[1]，正常运行中碳刷电流分布整体比较均衡，温度一般在50～80℃，滑环与碳刷摩擦产生的热量由通风系统带走。异常情况下，因通风不良、接触电阻增大或碳刷刷握异常等问题，将导致碳刷温度上升超温。碳刷发热一般由三部分组成：碳刷接触压降发热，碳刷自身电阻发热和磨擦发热。即：

3.1 碳刷接触压降发热

Q1=I？驻E（I-流过碳刷的电流，？驻E-接触压降）。根据现场实测，碳刷的接触压降？驻E一般2V左右，则估算的接触压降损耗为：Q1= I？驻E=4366×2=8732W，当接触压降提高时，Q1将同步提高。

3.2 碳刷自身电阻发热

Q2=I2R（I-流过碳刷的电流，R-碳刷电阻和接触电阻总和）。不考虑接触电阻情况下，在现场对NCC634碳刷电阻值进行测量，单根碳刷阻值在0.2欧姆附近，在发电机额定无功出力且64只碳刷均流情况下，I=4366/64=68.2A，则估算的电气损耗为：W2=I2R=68.222× 0.2=930.2W，考虑接触电阻的影响，发热量将成基数倍增长。

3.3 磨擦发热

Q3=F·V（F-碳刷压紧力，V-碳刷与滑环的相对运动速度）。正常情况下，励磁系统采用恒压刷握，压紧力相对固定，此部分热量变化较小，但在热量统计时也应考虑此部分发热对碳刷超温的影响。

碳刷总体发热量为：Q=Q1+Q2+Q3，发电机正常运行时碳刷将产生比较可观的发热量，异常情况下发热量将持续增加，热量的持续累积将使碳刷和集电环温度超过100℃，甚至到达150℃以上，超过或接近滑环及碳刷温度限值（120℃），此种状态下滑环绝缘套筒将会老化加剧，寿命缩短，严重时绝缘受损，发生发电机滑环烧毁或转子接地等事故。

4 发电机碳刷超温因素的分析

基于上述超温机理可以看出，对于碳刷发热问题，影响的因素包括碳刷电流的变化、碳刷电阻、接触电阻值的增大以及碳刷压紧力等方面。目前，根据现场情况，总结归纳出超温的因素主要包括以下几方面：

4.1 运行过程中电阻值增大

鉴于现场环境以及使用时间等因素影响，随着碳刷和刷辫间的接触电阻增大，碳刷的电阻值逐渐增大，碳刷自身电阻发热将增大；另外滑环氧化膜过厚，使得碳刷与滑环之间的接触电阻大大增加，使得碳刷自身发热量将递增，为了维持机组无功的正常输出，电流将分流到其他阻值小的回路上，造成其他碳刷的发热量上升。

4.2 电流平衡被打破

正常运行时，碳刷在恒压弹簧的压紧力作用下，刷握与滑环接触面的接触紧力较大，接触压降较小，碳刷本体的温度相对较低，碳刷间电流维持平衡状态。异常情况下，因为氧化膜被破坏、碳刷磨损变短或弹簧压紧力变小等原因，可能导致碳刷间弱平衡破坏，碳刷间电流二次再分配，个别碳刷电流迅速增大，造成温度急剧上升，刷体膨胀卡死后，电流将转移到其他碳刷，恶性循环发展，甚至出现滑环环火恶性事件。电流平衡被打破的因素主要有以下几点：

4.2.1 日常检查维护工作不到位

当运行中的碳刷磨损量达1/3时，在刷握弹簧的作用下，碳刷虽然还能与集电环接触，但此时压紧力将大大降低，此时该碳刷与集电环的接触电阻将基数倍的递增，影响整个励磁电流的分布，必须及时进行碳刷更换工作。此外在维护时，应定期使用直流钳表测量碳刷电流，分析各碳刷电流分布情况。根据工况的不同，碳刷电流一般调整为40～90A之间，刷体温度控制在90℃以下，个别碳刷电流偏差较大，应单独取下进行研磨调整，使各个碳刷电流基本平衡，保持碳刷工作状态良好。

4.2.2 碳刷选型不当

不同厂家或同厂家不同型号碳刷在碳刷电阻以及规格尺寸上均不一样，碳刷的日常磨损量也不一样，不同型号碳刷运用在同个励磁系统中碳刷电流差异会较大，无法实现均流的效果，容易超温，因此在碳刷选用上尤为重要的是替换的碳刷必须为同型号、同厂家的备件。

4.2.3 碳刷调整、更换频次不正确

碳刷在运行过程中磨损需要定期进行更换，由于新、旧碳刷的阻值以及与滑环的滑动配合等特性不一致，一次性更换碳刷过多，引起了电流在刷盒及电刷间的不均分布[2]，则将打破原来已形成的平衡状态，部分碳刷电流增大，出现碳刷发热、打火现象。因此更换碳刷的数量宜采用少量多次，逐步替换的原则。对文章所提发电机组在同一时段内，每次更换应以不超过总量的五分之一为宜，即不超过十二只。

4.2.4 其他原因

大型发电机组的轴系都较长，振动较难控制在最优状态，滑环本身跳动，造成与碳刷之间接触不良；滑环通风沟槽或表面内积碳粉，无法可靠接触；滑环表面沟槽磨损严重造成冷却效果欠佳，以上原因都将造成碳刷超温。

4.3 碳刷刷握本身原因导致

机组运行中，由于发电机振动的影响以及碳刷自身发热，将导致刷握调节螺栓松动；同时在热胀热缩作用下，恒压弹簧将径向膨胀。假设刷握与集电环距离调节不好导致间隙过小，在此情况下会造成刷握与集电环之间摩擦，碳粉的氧化膜将被破坏，严重时碳刷会打火，并且破坏已建立的弱平衡状态，使碳刷温度升高。

4.4 通风不良造成碳刷发热不能全部散出

通风不良主要是因为冷却风道、集电环表面通风沟及通风孔堵塞，循环风扇风量下降[3]。当运行中集电环表面温度过高时，导致碳刷磨损加剧，碳粉积聚增加，堵塞集电环表面的散热通道。

5 励磁碳刷超温的处理措施

（1）当碳刷温度未超过90℃时，可采取调整部分工作状态不佳的碳刷的办法。对电流小、磨损较大的碳刷的进行更换；调整或更换弹性压力较差刷握弹簧，实现电流均匀分配。

（2）减少发电机无功负荷，降低励磁电流，减少流过碳刷的工作电流，降低发热量。

（3）出现个别碳刷断辫时，也可立即调整发电机发出无功负荷以降低励磁电流，待碳刷电流比较均衡后再更换碳刷备件，不可强行更换大量备件。

（4）检查清理通风口，确保风道畅通。当温度超过100℃时，如采取更换碳刷或调整刷握的方法，因新碳刷正常情况下为方形且表面相对粗糙，开始时与弧形滑环点状接触，接触面较少，无论其流经的电流多少，通过热传导都将使碳刷温度升高，已经不能降低整体温度，此时通风冷却效果尤为关键，通过降低工作温度，改善碳刷、刷握的工作条件。

（5）涂抹凡士林。凡士林是一种烷系烃或饱和烃类半液态的混合物，其熔点在46-54℃之间，可用于机器润滑。将凡士林涂抹碳刷上能够起到很好的润滑作用，降低振动，同时其熔点较低的特性在较高温度下熔化后能够带走部分热量，并且将溶于其中的碳粉和灰尘一起清除，改善碳刷的工作环境，因此该方法能够较快的降低整体温度。机组运行中，可用软刷涂抹少量干净的凡士林，轻刷于滑环表面，或直接取下刷握将凡士林涂抹于碳刷的顶部，涂抹时按均匀、少量、多次的原则。此方法对振动引起碳刷发热和减小碳刷振动有较好效应。

（6）判断问题碳刷的方法。运行中，如果工作条件变化较小，而碳刷温度升高较多，可能是因个别碳刷缺陷引起（如弹簧压力变小、碳刷断辫、电阻增大等），这种情况下应能准确判断出引起发热的故障碳刷并将其更换，使其它碳刷不受影响，能够重新进入正常平衡状态。此做法的关键是做出准确判断，故障碳刷与其它碳刷相比，一般表现为电流或振动较大、有时其温度高于整体温度。如无法准确判断，可用采用试验的手段，间歇性依次取出刷握，观察整体温度变化情况，明显降低可判断为该取出碳刷故障。

（7）加强日常运行监视和维护工作。定期测试每个碳刷温度、电流并做好记录和分析；对电流偏差较大的碳刷及时进行调整更换；利用机组停运机会及时清理滑环和通风系统。

6 结束语

发电机励磁碳刷滑环超温现象运行中时有发生，文章详细的介绍了大型发电机励磁碳刷发热的机理，在此基础上，重点对碳刷超温原因进行分析，并结合实际工作经验对超温问题如何处理进行详细阐述，上述措施的综合运用，对于有效降低发电机碳刷温度，消除碳刷打火现象，保证了机组的安全运行，可以作为参考和借鉴。

参考文献

[1]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京：2009.

[2]王晓庆，毛云姣，邓亚军.发电机滑环电刷发热的原因分析及处理方法的分析[J].科技创新与运用，2013.

[3]宋强义，曹凤波.汽轮发电机集电环、碳刷发热原因分析[J].东北电力技术，2010，31（4）：32-34.

作者简介：张伟明（1982-），男，本科，工程师，毕业于哈尔滨工业大学，现在福建省鸿山热电有限责任公司工作。