白冬
（哈尔滨电机厂有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150040）
摘要：由于大型发电机励磁系统的碳刷运行与维护技术是传统技术，多年来工艺和技术水平无实质性突破。所以，各方对发电机励磁系统关注不够，投入有限，进而导致励磁系统事故频频发生。结合这些年检修、维护经验，就发电机滑环故障进行一些分析。
关键词：励磁滑环；烧毁；预防措施。
引言：
近年国民经济持续的快速发展，扩大了本已严峻的供电需求缺口，各种新建大型发电机组如“雨后春笋”般拔地而起。随着新机组的大量投运，机组的检修、维护工作也随之展开。近一段时间来连续发生了多起大型发电机组，因碳刷或转子滑环故障引发的停机事故，给企业造成较大经济损失。
1 励磁滑环故障分析
对汽轮发电机组来说，滑环及碳刷一直是一个薄弱环节。一方面，它是静止部件（碳刷）和转动部件（滑环）的直接接触部位，是励磁整流部分向转子绕组输送电流的关键部件；另一方面，对汽轮发电机组来说，其额定励磁电流很大，同时发电机各个部件材料选型的富裕度很小，甚至也有可能接近了其设计饱和值，这可能就是汽轮发电机组滑环及碳刷事频频发生的原因之一，同时还有以下几点原因：
1.1 电磁因素：无功或励磁电流调整时，碳刷的火花有明显变化。在励磁机运行时，碳刷与滑环接触不良，接触电阻过大；滑环的氧化膜薄厚不均匀，引起碳刷电流分布不平衡；或者负载突然变化，以及突发的短路导致滑环的电压分布异常；机组过载和不平衡；碳刷选型不合理，碳刷间距不等；碳刷质量问题等等。
1.2 机械因素：滑环中心不正，转子不平衡；机组振动大；碳刷接触面研磨不光滑，或滑环表面粗糙而造成接触不良；滑环表面不清洁；碳刷上弹簧压力不均匀或大小不适宜；碳刷在刷握里太松而发生跳动，或太紧了碳刷在刷握里卡住了等。
1.3 化学因素：机组运行在有腐蚀性的气体中，或机组运行空间缺乏氧气，滑环与碳刷接触的表面上一层自然形成铜氧化物薄膜遭到破坏，本已形成的、近似线性电阻接触不复存在，在接触面重新形成氧化膜的过程中滑环火花加剧。滑环被酸性气体或油脂腐蚀。
2 机端变自并励的形式滑环故障原因分析
现在新建机组大都采用机端变自并励的形式，由自励磁变压器出来的交流电经整流后，通过发电机转子滑环和碳刷接入转子绕组。下面以采用机端变自并励的形式汽轮发电机组滑环烧毁事故来分析具体原因。机端变自并励的形式滑环结构如下图：
2.1 由于该类型发电机正负极集电环间风扇是采用向内吸风方式，如上面滑环结构示意图所示，同时，由于发电机励端油密封瓦漏油现象，容易将碳粉、油污等物体吸入，造成风道严重堵塞。滑环及碳刷运行中产生的热量不能排出去，致使碳刷及滑环的温度升高，使碳刷打火，电弧的高温会造成碳刷氧化，导致接触不良引起电压波动。当碳刷温度升高时，其热量直接传递到弹簧上，弹簧温度升高，造成弹簧的压力发生变化，同时其特性也发生变化，使其材质变脆，发生断裂，发生滑环烧毁事故。
2.2 恒压弹簧压力变小使其接触面积减小，接触电阻变大，导致各个碳刷间的电流分布不均匀，当压力小的弹簧其由于碳刷压力降低，接触面积减小，碳刷接触电阻急剧增大，碳刷发热尤其严重，同时由于原来正常运行的碳刷上分得了更多的电流，致使碳刷也开始发热，其弹簧特性及压力也会逐渐变化，如此恶性循环，导致“多米诺”骨牌式的连锁反应。整个滑环及碳刷温度迅速升高由于，其发热导致更多的碳刷冒火和拉弧。电弧由小到大，逐渐扩大加强，在滑环的高速旋转下，形成环火，弧光使滑环处温度急剧升高，会将碳刷烧软、烧熔，高温和电流分配不均导致的大电流会使刷辫烧断。滑环环火会导致刷握、铜支架对滑环拉弧而烧熔。电弧和高温会造成绝缘套筒以及绝缘隔板的炭化，滑环和转子大轴之间的绝缘遭到破坏，加上平时碳粉的积聚，以及电弧导致的空气电离和金属熔渣。在冷却风的作用下，滑环内沿对转子大轴和风扇座拉弧，造成转子大轴和风扇座上的烧伤，发生滑环烧毁事故。
2.3 当碳刷及滑环温度升高时，碳刷本身的特性也会发生变化，其硬度降低，和滑环接触部位也会出现不规则的形状。如缺角、掉渣等现象。这样，一方面，其和滑环的接触部位减小，接触电阻增大。另一方面，当其和高达3000RPM的滑环接触时，也容易引起碳刷及弹簧片的跳动。这种频繁的跳动也会加剧弹簧特性的改变甚至造成弹簧的断裂，发生滑环烧毁事故。
2.4 由于碳刷本身的诸多特性，如“负温度效应”即当碳刷温度升高时，在一定范围内，碳刷电阻值反而降低，当温度达到80-100℃时，碳刷电阻值最低，加速了碳刷的过热.当超过100℃时，碳刷电阻值又会急剧增加，对碳刷间的电流分布是极为不利的。另外，据有关资料介绍，当滑环高速运行时，碳刷下面的气流有将碳刷抬起的趋势，当滑环线速度达到70m/s，碳刷的工作压力为0.157Mpa时碳刷下面的最大空气压力约等于0.40Mpa。由于各个碳刷和滑环的接触情况都不会完全一样，所以碳刷抬起的程度也不一样，即碳刷接触电阻不一样，造成各个碳刷间的电流分布不均匀引起环火，发生滑环烧毁事故。
从以上事故原因分析来看，滑环风道严重堵塞致使碳刷及滑环的温度升高，使碳刷打火产生电弧和碳刷与滑环之间的接触不良使接触面积减小，接触电阻增大，以至整个滑环及碳刷温度迅速升高产生电弧，是采用机端变自并励的形式汽轮发电机组滑环烧毁事故主要原因。
3 预防措施
3.1 定期清理滑环及风道附近的碳粉和灰尘等脏物，保持滑环系统清洁，绝缘良好。勤检查恒压弹簧压力，发现恒压弹簧压力达不到规定压力或断裂、变形时，应及时更换以免造成碳刷与滑环接触不良。
3.2 定期检查、更换碳刷。在更换碳刷前，细心研磨碳刷使其面面光滑，电刷在刷握内应有0.1- 0.2毫米的间隙，在刷握内上下活动自如。刷握的下边缘和换向器工作表面之间的距离为2-3毫米，距离过小，会碰撞滑环表面，易受损、距离过大电刷跳动易产生火花。争取实现碳刷接触面大于碳刷截面的80%。勤更换，但一次更换碳刷不宜过多，一次更换碳刷的数量不得超过单极总数的10%，碳刷顶端低于刷握顶端3mm的碳刷应尽快更换，每次更换碳刷时必须使用同一型号的碳刷。
3.3 对于滑环上凸起与凹陷等设备问题，要利用机组检修的机会进行车削、车磨。加强检修质量，避免由于检修质量不良造成轴瓦润滑油外泄，甩到集电环上，增大碳刷与集电环之间的接触电阻。安装刷架时，角度和几何位置要保证在原状态，碳刷的滑入边和滑出边必须要与换向器平行。
碳刷作为发电机本体的重要部件，运行人员应加强对碳刷的日常运行检查维护，将消除碳刷火花的被动管理改为控制碳刷电流分配和温度的主动管理，在生产现场配备测温表和直流钳表，运行值班员定期测量每个碳刷的温度及碳刷电流，碳刷电流控制在均衡情况下，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，保证碳刷在强平衡状态工作。
4 结束语
综上所述，近些年来百万机组已成为新建机组首选，但是励磁滑环方面并没有新的技术运用。只要在运行中定期工作按时进行，就可以保证发电机滑环安全、稳定运行。
作者简介
白冬 黑龙江哈尔滨 单位：哈尔滨电机厂有限责任公司
论文作者:白冬
论文发表刊物:《电力设备》2016年第7期
论文发表时间:2016/7/4
标签：碳刷论文; 机组论文; 电流论文; 弹簧论文; 转子论文; 温度论文; 发电机论文; 《电力设备》2016年第7期论文;