(大唐甘肃发电有限公司八〇三热电厂 甘肃省 732850)
摘要：碳刷过热和冒火是发电机运行中常见的多发的异常现象，运行维护工作量大而效果不佳，给机组的安全运行带来不小的影响，严重时不仅会导致被迫停机，影响系统稳定运行，甚至会烧毁设备，带来巨大的经济损失。本文根据我厂实际情况，吸取了一些其他电厂的运行经验，认真分析查找造成碳刷过热和冒火的原因，拟定出相应对策、方法，提高发电机运行的安全性、稳定性。
关键词:碳刷过热 冒火 措施
[前言]：采用静止硅整流励磁系统的发电机，是通过滑环和碳刷的滑动接触，将励磁电流传到发电机转子绕组中的，因此必须分析接触特性。碳刷的接触特性主要表现为瞬变的接触压降和摩擦系数，而接触压降和摩擦系数又和滑环表面的线速度、接触电阻、碳刷的电流密度以及加于碳刷上的压力等等因素有关，并主要反映在接触面的稳定和各碳刷的均流问题上。由于发电机运行中转子高速旋转，使碳刷和滑环的接触成了安全运行的薄弱环节，碳刷过热及冒火现象很常见，为了及时消除，以免对发电机组安全运行造成直接威胁，故在日常工作中，碳刷和集电环的维护工作量相对较大。若冒火严重可能导致滑环环火，机组被迫停运，不仅造成系统出力下降，而且对发电机组本身也将产生危害。
导致碳刷过热及冒火的原因很多，一般归结为流过的电流过大和碳刷与滑环断续接触，由于碳刷和滑环在传递励磁电流方式时不同于其他静止的部件，所以运行维护也十分重要，下面就从设备的技术特性和人员维护方面进行分析。
针对我厂使用的哈尔滨电机厂生产的QF-50-2型发电机组出现的情况，进行认真分析、研究，监测设备运行状况，拟定出相应对策、处理方法，以期和大家共同探讨，有效地防止发电机碳刷过热及冒火故障的发生。
一、设备的性能分析
我厂的哈尔滨电机厂生产的QF-50-2型发电机组使用的碳刷为上海摩根D172型电化石墨碳刷，配套使用单点卷簧式恒压压簧，碳刷特性参数如表1。
表1 D172碳刷的技术参数
1.1 碳刷的允许速率：
我厂使用的哈尔滨电机厂生产的QF-50-2型发电机组的滑环直径φ380mm，额定转速为3000r/min，滑环表面线速度为：
υ=πDn=3.14×0.38×3000/60＝59.66ｍ/ｓ
其值为额定允许圆周速度的85.23％，虽然低于碳刷厂家提供的允许圆周速度70 m/s，但基本上在上限区域，裕度较小。实际运行维护中，发现碳刷有大量破裂、缺角的现象。
1.2 碳刷的载流量。
发电机每极滑环装有24条碳刷，根据D172碳刷的额定电流密度12A/cm2，截面积为25mm×32mm，当截面与滑环全接触时额定电流为12 A/cm2×8cm2＝96 A发电机额定励磁电流为1451A，所以碳刷如果均匀通过电流则平均每个碳刷通流1451÷24=60.46A，电流密度为7.56 A/cm2，均远小于碳刷的允许值，但是单个碳刷的载流情况受接触面积、压簧压力等因素影响很大，现场观察时发现有碳刷刷辫严重过热变色，结合其它电厂碳刷故障发现，即使正常情况下也有单条碳刷所带负荷电流超过100A的情况，甚至到150A，超额定负荷50%，因此单就允许载流量不能真实反映碳刷的运行情况，所以在分析碳刷的通流情况时使用了平均电流和均流度的概念，以检验计算电刷在运行中实际承受的电流密度是否超过其允许范围，与允许范围相比有没有一定的裕度。
1.3 电刷的平均电流、载流均衡度。
一般情况下，为使集电环上并联工作的碳刷流过的电流基本相同，应采用同一型号和同一尺寸的电刷， 平均电流，即发电机转子运行电流/运行碳刷个数。
均流度：即电流分布变差系数，用每块电刷电流值的标准差σn与电流值的平均值 的百分数来表示，标准差σn为电流值与电流值的平均值 的差的绝对值|x- |。（变差系数的定义、标准及评价选自上海市电力公司教育培训中心编著、中国电力出版社出版的《300MW火力发电机组故障分析》）
根据电流分布变差系数，可得到目前通用的碳刷评价标准：
表2 变差系数对应评价表
由于单条碳刷电流暂时无法测得，故暂无法分析。
1.4 碳刷的接触电阻：
滑环与碳刷是通过滑动接触来传递功率的，碳刷与滑环的接触面上，很容易形成一层氧化膜，如果氧化膜形成不好，会使接触电阻增大，接触压降增大，碳刷通流变差，引起碳刷过热、冒火，继而使整个滑环温度升高、过热，如此恶性循环、连锁反应，可能形成滑环环火，严重时烧毁刷辫、刷握。这时候的接触电阻，与厂家产品资料上提供的正常运行工况下的接触压降、电阻率等因素形成的接触电阻是完全不同的。
碳刷在使用过程中电阻也会变化，将新购D172碳刷用电桥法测量其电阻值为0.019～0.025Ω，电阻分散性不大，使用一段时间后更
换下来的碳刷，测得电阻值为0.009～0.052Ω，可见经过使用后碳刷的电阻分散性变大了，部分碳刷电阻增大也是导致碳刷发热量增加的原因。
工作环境温度过高可导致压簧弹性变差、压力降低、断裂或卡槽、变形、移位等情况，所以应保证压簧有较好的工作环境。此外，碳刷跳动太大或材质不良、刷辫与碳刷联接部分松动也会造成接触电阻的增加。同时由于碳刷的“负温度特性”应当控制碳刷温度不超过100℃，防止碳刷电流过大，加速碳刷劣化。
1.5 碳刷的振动。
机组振动及滑环偏心、碳刷架不牢固、机械性能差，以及滑环表面不光滑、有“气垫”现象，由于研磨不良、压簧压力不均匀、碳刷碎裂等因素造成碳刷抖动等原因，都会造成碳刷和滑环接触不良，实际接触面积减少，从而使集电环、电刷温度升高，所以应及时消除振动和偏心。
二、运行维护方面
从设备性能分析得出结论：碳刷与滑环接触面积越大、电流分布越均衡越好。但是碳刷与滑环的接触，毕竟是一个动态的过程，所以日常运行工作中应对此环节予以重视。
2.1 碳刷电流、温度测量。
励磁电流大，或者电流分布不均匀，回造成单个碳刷电流过大，而碳刷载流过大，或者摩擦系数大、通风散热不好，都会造成碳刷和滑环温度升高，所以机组运行中建议配备直流钳型表测量碳刷的电流，用红外线测温仪测量碳刷和滑环的温度，同时负荷较大期间、无功和电压波动时适当缩短测量间隔。作好运行工况记录，以便于分析总结，及时发现和消除设备缺陷和改进工作方式方法。
2.2 压簧压力测量。
压簧由于受热，卡涩等可能造成压力变化，所以压簧的压力要符合制造厂家的规定，使碳刷承受压力均匀。应定期检查、更换压簧，防止个别碳刷过流、过热或产生火花、刷辫烧焦、烧断现象的发生。
2.3 碳刷的研磨。
人工研磨难以保证碳刷在刷握内四周间隙适当，所以碳刷选配时要根据刷握的规格而定。必须进行研磨时尽量减少研磨的次数和面数，细心研磨使碳刷表面光滑，在刷握内活动自如不卡涩。研磨与滑环接触的表面应在接近滑环半径的弧面上进行，有条件的可制作和碳刷、滑环工作状态相符相近的工具，进行机械研磨，尽量增大接触面积。
2.4 维护碳刷的顺序。
调整和更换碳刷时，应当先测量碳刷电流，按照电流、温度由小到大逐个进行处理，应从温度低、不冒火、不卡涩的碳刷开始，因为这种碳刷没有电流流过或电流较小。禁止由电流大、冒火严重的入手，否则电流分布将更加恶化。新换电刷保证其有效接触面积不小于电刷截面的75%。
2.5 平衡滑环工作环境，互换滑环极性，延长使用寿命。
滑环传输的是直流电，理论上讲，工作在负极的滑环处于发射电子的状态，运行时间越长，释放电子越多，滑环表面也会不光滑，实地检查也证明了这一点，所以，为了延长负极滑环的寿命，应该按照发电机运行时间，平衡正负极滑环的工作环境，互换滑环极性。
2.6 如措施无效应考虑更换碳刷型号
参考文献:
[1] 《300MW火力发电机组故障分析》 上海市电力公司教育培训中心编著、中国电力出版社出版
[2] 《发电机碳刷冒火原因及解决方法》 牛继成
[3] 《发电机励磁碳刷事故分析和对策》 彭远崇
论文作者:张克澜
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/19
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