摘要：水轮发电机碳刷固定于集电环的刷握上，是励磁装置与转子绕组之间进行电流传递的重要装置，碳刷与滑环的接触性能直接影响水轮发电机的运行情况。黄河万家寨水利枢纽有限公司龙口水电站（以下简称龙口水电站）5号发电机投运不久，转子上滑环（正极滑环）表面磨损严重，给机组的安全稳定运行带来威胁，本文主要针对水轮发电机滑环磨损故障原因分析及处理进行简要分析。
1 定义及简介（总则）
碳刷是电动机、发电机或其他旋转机械的固定部分和转动部分之间传递能量或信号的装置，它一般是纯碳加凝固剂制成，外型一般是方块，卡在金属支架上，里面有弹簧把它紧压在转轴上，碳刷的样子有点像擦铅笔的橡皮条那样，顶上有导线引出，体积有大有小。碳刷作为一种滑动接触件，在许多电气设备中得到广泛的应用。发电机转子碳刷是励磁回路动静接触及能量传递的重要部件。碳刷一般由石墨制成，石墨是非金属导电材料，其电阻系数是铜的400倍，运行过程中产生的高热量及持续滑动摩擦带来的热量及机械损耗使碳刷成为发电机中最容易损坏和维护工作量最大的零件。
2 故障原因分析及处理
2.1原因分析
最初分析认为，故障可能与碳刷性能（电流密度、碳刷硬度及摩擦系数）不佳、运行环境较差等因素有关，机组大修时对上滑环表面进行了打磨、抛光处理，并将原设计碳刷由D104型更换为J204型，但大修结束半年后，上滑环表面再次出现大量麻点、坑槽，且碳刷磨损程度并未减轻。针对这些问题，电厂专门组织技术人员进行了调研及讨论分析，最终认为导致滑环严重磨损的原因主要有：碳刷压簧的设计压力不均衡，且均低于使用时的工作压力；碳刷载流量分配不均，碳刷接触压降偏大，存在过热和火花现象。经实际测量，5号发电机在运行时，滑环正、负极碳刷运行电流存在多处过零点现象，即经过碳刷的电流值为0。待机组停机后，测量发现压簧压力整体低于额定工作压力。碳刷技术性能指标、碳刷压簧压力统计分别见表1、表2。碳刷原设计型号为D104，其硬度偏软，碳刷易磨损、碳粉量大。大量碳粉集聚后，污染了碳刷及滑环的运行环境，破坏了碳刷与滑环的正常接触，影响碳刷的电流分配。
J204型碳刷的硬度比D104型的大，对滑环的磨损也大一些，与滑环的接触效果相对较差。碳刷及滑环均处于相对密闭的环境中，通风不畅、运行温度偏高（红外测温图见图1所示）对安全运行造成不利影响。通过在滑环表面涂抹凡士林，滑环及碳刷运行温度可在短时间内有所降低，但不能解决根本问题。机组运行过程中，滑环室属封闭空间，不
能实现实时监控检查。
2.2处理方案
经研究，制订了以下处理方案，并利用发电机小修机会进行了实施。定做并更换相同规格的滑环。更换导电环并增加其弧长，增加碳刷数量（由10个/极增加为16个/极），以降低单个碳刷载流量，避免因运行工况恶化而出现打火加剧的现象。更换所有压力不合格的压簧，依次采用D104、D172型碳刷，进行不同型号碳刷的性能对比试验，密切监视碳刷及滑环运行状况。在5号发电机上盖板上增设观察窗，以便
于机组运行时进行观察。
2.3处理过程
2.3.1部件的拆装
检修时，按照以下步骤进行部件的拆装工作。
2.3.1.1部件拆卸
拆除发电机顶灯接线；
拆除导电环上的4根励磁电缆，正负极导电环及其支撑杆；
拆除转子绕组与滑环连接铜排；
分解中心孔补气装置相关部件；
拆除导电环；
拆除滑环。
2.3.1.2部件回装
回装新滑环；
新导电环安装；
回装中心孔补气装置；
恢复转子绕组与滑环连接铜排；
恢复励磁电缆、调整刷握；
恢复发电机顶灯接线。
2.3.2更换压簧
用符合碳刷运行要求的新压簧替换原老旧压簧。压簧安装完成后进行压力测试，并做好记录。
2.3.3安装碳刷
为了对比分析不同型号碳刷的运行性能，更换滑环和导电环后，在上滑环（正极）上装设了16个原设计的D104碳刷，在下滑环（负极）上装设了16个D172碳刷。
2.3.4运行监测
新设备投入运行后，利用观察窗目测、红外成像仪监测等手段，对滑环及导电环的运行状况进行仔细监测。
3 处理效果
3.1运行数据
为改造后的碳刷及滑环红外测温图。为5号发电机碳刷及滑环改造后的运行纪录，记录时发电机运行工况：发电机转子电流460.1A，转子电压157.2V，有功功率20.1MW，无功功率0.54Mvar，环境温度15℃，湿度20%。
3.2处理效果
方案实施后，经过1a多的实践检验，滑环及碳刷的运行状态如下：滑环运行良好，无坑槽、无麻点；碳刷及滑环接触面氧化膜均匀、稳定，运行状态良好。上、下滑环碳刷压簧压力均匀适中，均符合设计工作压力的要求。滑环安装后的高压试验数据符合规范
要求：转子绕组绝缘电阻为22.6mΩ（规范要求＜0.5MΩ）；转子绕组直流电阻为289.9mΩ（规范要求＜0.5MΩ）。试用结果表明，D172碳刷在电流分布、磨损量及运行温度方面优于D104碳刷，遂全部更换为D172碳刷。
检修后滑环及碳刷温度均有所降低，其夏季运行温度与原冬季运行温度相近。技改完成1a多以来，5号发电机滑环运行情况良好，再未出现麻点现象，彻底解决了转子上滑环表面的磨损故障。
3.3建议
本次改造虽然解决了滑环的磨损问题，但仍有以下缺陷需要继续整改：滑环室运行环境未得到根本改善，还存在碳粉大量散落的问题。与本电厂内其他4台机组相比，5号机组碳
刷及滑环夏季的运行温度仍相对较高。建议在滑环室内集电环通风循环通道上安装积尘装置，以改善其内部运行环境；建议在滑环表面开设通风槽，增加滑环与碳刷接触面的通风强度，改善散热条件并促进碳粉的散落。
结束语
综上所述，5号发电机组的滑环、碳刷及压簧改造后，发电机滑环及导电环运行情况良好，再未出现麻点、坑槽，相关技术指标正常，解决了发电机组滑环严重磨损问题，保障了机组的安全稳定运行，处理经验可供存在类似问题的电厂参考。
参考文献
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[2]任亚伟.水轮发电机转子碳刷及刷架烧熔原因分析与处理[J].科技与企业，2014（17）：337.
论文作者:林建森
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/19
标签：碳刷论文; 转子论文; 发电机论文; 磨损论文; 机组论文; 水轮发电机论文; 绕组论文; 《电力设备》2017年第17期论文;