摘要：发电机转子碳刷在运行中发热严重甚至烧毁，是发电厂常见的现象。轻则降低出力或停机处理；重则造成发电机组失磁，破坏电力系统稳定运行或对机组造成危害。本文对转子滑环碳刷的运行常识进行介绍，对转子滑环碳刷在运行中常见故障的原因进行了分析，提出解决转子滑环碳刷发热的处理方法。
关键词：碳刷；氧化膜；发热；原因；处理方法。
一、发电机碳刷的作用和工作原理
碳刷是发电机组的重要部件，若发电机转子碳刷因发热严重烧毁，发电机会进入无励磁运行（失磁），失磁后的发电机会造成电力系统不稳定运行以及对发电机造成损害。
（一）碳刷在发电机组上主要有以下作用：
1、将外部直流电流(励磁电流)通过碳刷而加到转动的转子上；
2、将大轴上的静电荷经过碳刷引入大地(接地碳刷) ；
3、将大轴(地)引至保护装置供转子接地保护及测量转子正负对地电压；
4、改变电流方向(在整流子电机中，电刷还起着换向作用)。
（二）碳刷的工作原理
碳刷在滑环上运行时，在其接触面上形成一层均匀、适度、稳定的氧化膜，这是电机运行良好的主要标志之一。因为这层氧化膜的存在，改变了碳刷与滑环的接触特性、减少了摩擦、降低磨损、延长使用寿命。
有研究发现，外加电压小时，氧化膜绝缘，当电压升高到一定值时，氧化膜被击穿。当击穿后，不管电流如何增加，由于导电点的增加、导电面积的扩大，则接触电压保持恒定。
氧化膜具有非常好的润滑性能，碳刷与滑环接触表面起润滑作用的润滑层主要是石墨膜，这层石墨膜，将碳刷与滑环分开，使摩擦在石墨润滑层间进行，降低了摩擦系数，减少了摩擦热的产生，减少了碳刷的磨损。碳刷的过热故障，很多情况是由于氧化膜被破坏且无法重新建立导致的。
二、发电机转子碳刷运行中常见的发热原因及处理方法
1、通风不良造成的发热
（1）立式水轮发电机组的滑环碳刷一般位于发电机组顶部，卧式水轮机组的滑环碳刷在发电机水平轴线上，滑环碳刷温度除与励磁电流大小有关外，与环境温度影响较大，特别是炎热的夏季。
处理方法：需要改善厂房通风条件或启动厂房通排风系统风机。
在条件不具备的情况下，也可采取临时措施：此时可采取外部强迫降温的方法，譬如降低励磁电流、涂抹凡士林、大功率风扇通风等手段，使滑环温度降到正常范围内，持续一段时间，让碳刷表面氧化膜逐渐形成，使之进入良性循环状态。
（2）由于转子碳刷在机罩内，由于出于安全考虑，厂家在设计时将排风口栅条制造很密，造成通风不良。
处理方法：在满足安全的前提下，且经安全技术部门审批后，可以减少机罩排风口的栅条，或在其顶部或侧部开小孔加强通风。
2、碳粉堆积过厚
碳粉堆积过厚与碳刷质量和滑环光滑度、维护（定期清扫）和油雾有关。
（1）当碳刷质量存在问题滑环表面不光洁等，会造成滑环碳刷磨损快，同时碳粉堆放厚。
处理方法：选择其它品牌和型号的碳刷，对滑环进行打磨或利用检修机会处理。
（2）对于立式发电机组，发电机转子碳刷在其推力油槽上方，由于推力油槽中的油在运行中形成油雾，与碳粉给合形成碳泥，附着在碳刷有刷架上，造成转子绝缘下降和散热不良。
处理方法：a、对于推力油槽装设有吸油污装置的设备，应加强维护保养，使其正常发挥吸油雾的功能，减少油雾对碳刷的影响；b、更换推力油槽盖的密封，减少油雾；c、保持推力油槽油温在在正常范围内运行，减少油雾形成。
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3、由于接触电阻过大或分布不均匀而产生的发热：滑环和碳刷是通过相互滑动接触导通励磁电流的，根据容量及型号的不同，每个滑环上大约分布着数十只碳刷，由于接触电阻的不同，电流分配的差异，会导致发热不均匀，有以下几个原因：
（1）碳刷与滑环表面接触电阻、碳刷与刷辫接触电阻、刷辫与刷架引线接触电阻过大。
处理方法：可通过测量单个碳刷总压降、碳刷接触压降、刷体压降、联结压降、刷辫压降进行相互间对比来检查。同时检查回路中各螺丝是否紧固。检查碳刷接触面的清洁程度，是否存在油污污染。
（2）碳刷压力不均匀或不符合要求，可能有碳刷过短、弹簧由于过热变软老化失去弹性等原因。
处理方法：可使用弹簧秤检查碳刷压力。恒压弹簧应完整无机械损伤，压力应符合其产品的规定，同一极上的弹簧压力偏差不宜超过5％；非恒压的碳刷弹簧，有规定时压力应符合其产品的规定，当无规定时，应调整到不使碳刷冒火的最低压力，一般为140－250g/cm2，同一刷架上每个碳刷的压力应均匀。
（3）滑环与转子引线接触电阻过大。
处理方法：应对滑环与转子引线间的紧固螺丝进行加固。
（4）碳刷材质不良、导电性能差、使用的型号不符合要求或者使用了不同型号的碳刷。
处理方法：同一电机上应使用同一型号、同一制造厂的碳刷，对于外观检查有明显差异的碳刷应更换。
4、由于机械及摩擦等原因造成的过热：滑环与碳刷过热故障中，很大一部分是由于机械及摩擦等原因导致的过热，如果在开机时还未加励磁，就已经发现滑环与碳刷温度高那就基本可以肯定是由于机械及摩擦原因导致的。机械及摩擦导致发热的情况很复杂，主要有以下几个方面：
（1）碳刷接触面研磨不良或运行中一次更换过多的碳刷。
处理方法：运行中需要更换发电机转子碳刷时，在同一时间内，每个刷架上只允许一个碳刷退出运行。每次更换的碳刷个数不得操作总数的1/3。换上的新碳刷应事先在与滑环直径相同的模型上研磨好，且新旧牌号须一致。如果在大修时一次更换的碳刷很多，应当在机组空转运行时，为碳刷表面形成氧化膜留够充足的时间。
（2）碳刷与滑环接触面过小，接触面积一般不应小于单个碳刷截面的75％。
（3）碳刷在刷握中摇摆或动作卡涩。碳刷在刷握内应能上下自由移动，其间隙应符合产品的规定，当无规定时，其间隙可为0.10－0.20mm.碳刷外形要方正，上下端尺寸误差不得大于0.05mm.
（4）刷握与滑环表面间隙过大。由于碳刷材质较脆，当刷握与滑环表面间隙过大时，运行中碳刷不能整体接触滑环，与滑环呈斜面接触，容易造成碳刷崩裂的情况。刷握与滑环表面的间隙应符合产品技术要求，当产品无规定时，其间隙可调整为2－3mm.调整间隙时，可使用一层2－3mm厚的橡胶垫附在滑环表面，将刷握抵到橡胶垫上，然后上紧定位螺丝，取出橡胶垫。
三、应用实例
1.实例1
黑河塘电站（2*43MW）装设有两台立式混流式发电机组，长期来其碳刷发热、碳刷和碳粉形成碳泥影响绝缘，2015年对设备进行了以下改造，取得了良好的效果：
（1）在发电机励磁机罩上方开了4个孔，并采取安全防护，使其风良好；
（2）公司对其中一台机组推力油槽密封进行了改造，减少了油雾，防止油雾和碳粉形成碳泥；
（3）更换原来型号的碳刷，统一更换为摩根D172碳刷。
（4）利用机组大修时，对转子滑环在车床上进行光滑处理。
2.实例2
双河电站（3*27MW）装置了三台立式混流式发电机组，2009年投产后，2号机组发生过碳刷烧毁，1号和3号机组碳刷发热严重。采取以下措施，效果明显：
（1）每隔间隔取掉机罩排风口栅条，并在机罩上方对称开了两个15*30公分长的孔，解决了散热问题；
（2）将原厂家配置的碳刷更换为摩根厂家的碳刷。
（3）加强日常检查维护。
四、结束语
随着科技的日新月异，设备的智能化，很多水电厂实现了“无人值班”或是采用“少人值守”的模式，这更加考验发电厂运行维护人员的解决问题的能力，要求运行维护要懂得设备的原理结构，还应具备有相应维护技能，要有分析问题和解决问题的能力，才能在今后的工作更好的保证设备的安全正常运行。
论文作者:赵攀
论文发表刊物:《电力设备》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/10
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