（大唐阳城发电有限责任公司 山西晋城 048102）
摘要：简要分析了大型发电机碳刷打火常见原因和一般处理方法，根据原因分析并结合我厂600MW发电机碳刷打火处理实践中采取的解决办法及措施的范例，总结异常处理经验，为制造厂改进生产工艺和使用单位解决此类设备异常问题提供了借鉴经验。
关键词：600MW发电机；碳刷打火；分析；处理
集电环-碳刷装置的火花故障不是一种频发性故障，也不是一种很难分析判断的故障， 但有资料表明，近年来由于环火造成发电机滑环烧毁恶性事故却逐渐增多，通过我公司近期一台600MW发电机碳刷打火的异常处理过程和根据近年来我公司发电机碳刷运行状况，分析了由碳刷、集电环造成发电机滑环火花故障的原因，总结异常处理经验，介绍了防止碳刷及集电环事故的预防措施，为制造厂改进生产工艺和同行业单位解决此类设备异常事件提供借鉴经验。
一、碳刷打火常见原因分析
1、由于通风不良、散热条件恶化因素引起
抽油烟管或碳刷冷却风道堵塞、集电环表面通风沟、通风孔堵塞、循环风扇风量下降等原因，尤其是当运行中集电环表面温度过高时，导致电刷磨损加剧，碳粉急剧增加，有可能会堵塞上述集电环表面的散热通道，从而引起碳刷打火。
2、由于碳刷与集电环接触电阻过大或分布不均匀而产生的发热，主要又分以下几个原因：
（1）电刷与集电环表面接触电阻、电刷与刷辫接触电阻、刷辫与刷架引线接触电阻过大。同时检查回路中各螺丝是否紧固。检查电刷接触面的清洁程度，是否存在油污污染。
（2）电刷压力不均匀或不符合要求。一般非恒压弹簧碳刷新换上压紧弹簧后，碳刷与滑环接触面的接触紧力较大，即接触压降小，所有碳刷工况相近，每条碳刷的电流接近相等，刷体的平均温度较低，碳刷间电流相对稳定平衡。运行一段时间后，碳刷的磨损量相近，但出现了氧化膜、气膜、卡阻等因素，碳刷磨短了或弹簧压力降低了，碳刷接触面的接触紧力减小，碳刷间电流二次再分配，每条碳刷的电流差别增大，处于不稳定平衡状态。这个阶段时间长，逐渐变化，不容易引起警觉。当环境温度升高或励磁电流增加时，随时可造成弱平衡破坏。另外，非恒压碳刷随着碳刷的磨损，弹簧压力也会明显减小，压力小到一定程度，接触不稳定，接触压降增大，发热增加，从而引起碳刷打火。
（3）集电环与转子引线接触电阻过大。
（4）电刷材质不良、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电刷。
（5）碳刷使用过程中电阻值逐渐增大。电阻值的增大使碳刷的电阻发热增加，同时也造成了电刷电流分配的不均匀。
3、由于机械及摩擦等原因造成的过热
集电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。例如我们曾经在运行中发现集电环与碳刷温度高，个别碳刷温度超过100℃，拔出几只碳刷后，温度反而降低，这就是由于机械及摩擦原因导致的过热引起集电环温度升高。机械及摩擦导致发热的情况主要有以下几个方面：
（1）电刷接触面研磨不良或运行中一次更换过多的电刷。
（2）电刷与集电环接触面过小，接触面积一般不应小于单个电刷截面的75％。
（3）电刷在刷盒中摇摆或动作卡阻。碳刷通过电流后发热，刷体膨胀，易卡在刷握，这时拉动刷辫感觉很紧；部分碳剧由于振动、刷握不垂直等原因，会在刷握一侧的上沿和另一侧下沿产生明显卡阻，为防止此类现象发生，在安装时一要保证刷握垂直，另外碳刷与刷握之间的间隙应符合产品的规定，当无规定时，其间隙可为0.10－0.20mm。电刷外形要方正，上下端尺寸误差不得大于0.05mm。
（4）刷握与集电环表面间隙过大。由于电刷材质较脆，当刷握与集电环表面间隙过大时，运行中电刷不能整体接触集电环，与集电环呈斜面接触，容易造成电刷崩裂的情况。刷握与集电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。
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4、 由于碳刷在运行过程中产生跳振或由于机组的轴振引起
滑环由于长时间磨损，碳刷压力不均匀以及刷盒安装角度不与滑环垂直，造成圆度和锥度超标，造成碳刷在运行过程中产生跳振现象，从而引起碳刷打火。
二、一起发电机碳刷打火处理实例
我公司600MW三相交流隐极式同步发电机采用机端自并励励磁方式，额定励磁电流4128A，碳刷每极16组，共32组（32个刷握），每8组一个区，编号依照西南、东南、东北、西北依次定义为A、B、C、D区，每个区刷握标号从左至右从上至下分别按照1-8标号。目前正极为B、C区，负极为A、D区。每组刷握4只碳刷，标号从左至右分别按照1-4标号。原先使用的是D172碳刷，后来更换为电刷基体中鳞片石墨量偏高、自润滑性能好的上海摩根NCC634碳刷，同时采用恒压弹簧方式。
2016年12月01日，该发电机运行中发现碳刷D31、D52、D64有轻微火花现象，维护人员立即将打火碳刷依次取下并对接触面用金相砂纸打磨后重新装上，当时滑环温度72度，处理后打火现象暂时消除，有待观察。12月02日，D区D7、D8等刷握的碳刷仍然有打火情况，于是对D区长度较短的碳刷共计22只进行了更换并将D区所有32只碳刷压簧由1.4kg压力全部更换为1.6kg，部分打火严重的D7、D8刷握碳刷压簧更换为1.8kg的，更换后打火现象并不能完全消除，仍有断续，滑环温度升高到75度左右；12月03日D区打火现象仍未消除，考虑到D区压簧压力普遍比同为负极的A区大（A区仍为原来的1.4kg），D区总电流也比A区大300A左右，因此决定将A区的碳刷压簧也全部更换为1.6kg压力的；更换完毕，在较短的时间内滑环温度由75度升高到82度，同时碳刷打火的频次和强度有所增大，打火有恶化倾向，暂且通过频繁打磨碳刷接触面临时消除火花。03日下午，经过认真分析近日来的运行数据和处理措施，我们认为盲目加大压簧压力的做法是欠妥的，结果导致了滑环温度升高及滑环表面光洁度变差，碳刷与滑环接触面的氧化膜破坏或形成不良，打火的频次和强度增大，进而形成恶性循环。我们立即将D区、A区所有碳刷压簧换回到原先的1.4kg，采取以下措施降低滑环温度并恢复滑环光洁度，创建氧化膜形成和正常工作的条件：
1、依次拔下D区D3、D4刷握(单、双号各选一只)，用绝缘木块缠白布再缠金相砂纸对滑环表面进行打磨处理，破坏原有氧化膜并打磨滑环表面因频繁打火形成的麻点。
2、打磨完毕立即取下砂纸用绝缘木块缠白布再浸四氯化碳对滑环表面进行全面清洁和冷却。
3、依次对D区D1至D8刷握拔下后进行碳刷表面打磨、四氯化碳清洁刷握及刷架，降温后重新装回。
4、依照第1-3步骤对负极A区刷握、碳刷及刷架进行同样处理。
处理完毕后滑环温度降至70度，打火现象消失，1小时后仅有个别碳刷轻微打火，将打火碳刷取下打磨接触面，温度高的同时用四氯化碳清洁冷却刷握及刷架后重新装回。个别碳刷轻微打火现象一直持续到12月15日才完全消除，至此，氧化膜形成良好，碳刷电流负担均匀并形成新的平衡，打火异常现象完全消除。
三、碳刷打火的预防措施
1、碳刷表面氧化膜形成和正常工作的条件
氧化膜的形成需要一些条件，当条件不满足时，氧化膜无法形成或形成不良，主要有以下几个原因：
（1）温度过高：碳刷的氧化膜一般在70℃左右较易形成，当滑环、碳刷出现过热故障时，通常温度都在100℃以上，有时可采取外部强迫降温的方法，譬如涂抹凡士林、大功率风扇通风等手段，使集电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）冷却空气中有污染性杂质：空气中的杂质对电刷表面氧化膜的形成将带来不利影响，这些杂质包括：硫化物或卤族元素的腐蚀性气体、空气中油气混合物、粉尘、铁屑、铁锈粉尘、碳粉等其他杂质。另外电刷磨损时，本身会产生碳粉的粉尘杂质，可采用在刷架罩冷却通风循环通道上安装过滤装置来改善刷架罩内的空气质量。
（3）空气湿度太低或含氧量太低：电刷表面氧化膜的形成需要空气中有一定的水分含量，即空气湿度不能太低，但也不能太高。另外，氧化膜的形成主要与空气中的氧气发生氧化作用而产生，当含氧量过低时也不利于氧化膜的形成。氧化膜无法形成或形成不良除与上述因素有关外，表面光洁度还有电刷过度研磨、使用溶剂（清洗剂）进行擦拭、集电环不良以及碳刷材质不合格等原因。
2、严格控制电刷及刷架产品的质量
目前，同一品牌的电刷，都是在各个不同的地方、不同的工厂加工的。这就要求我们在进货过程中对产品质量严格把关，对生产厂家的工艺和质量检测手段及程序进行了解。
3、生产运行中加强对集电环及电刷的维护管理
将消除碳刷火花的被动管理形式改为控制碳刷电流分配和温度的主动管理形式。加强电刷、集电环系统的专职维护制度，提高点检及维护人员的技术水平。点检或维护人员配备钳形电流表和测温表，测量和掌握每个碳刷电流和温度，碳刷电流控制在10～90A，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、卡阻等因素，保证碳刷在平衡状态工作。消除碳刷太短、电阻值变大、卡阻、阶梯形四面体等现象。
4、避免碳刷在运行中出现跳振现象
有时因为机组振动或滑环表面光洁度不良而造成碳刷跳动，后果一是容易造成碳刷边角脆裂，二是造成碳刷单边磨损犯卡过热，此时可采取在碳刷和压簧之间加装楔形垫片，使碳刷的受力方向与发电机旋转方向相反，可避免碳刷在运行中出现跳振现象，但是在机组振动良好或滑环氧化膜形成之后，应分批将加装的楔形垫片一一取下，并更换上新的碳刷。
5、确保滑环和碳刷清洁
对于运行中因消音罩轴封或轴瓦密封轴封间隙调整不合适或漏油，致使滑环和碳刷上附着油污和粉尘，在平时应该勤维护和吹拂清扫，并对滑环冷却风道的滤网定期清扫，确保滑环和碳刷清洁。
6、保证滑环的圆度和锥度合格
如果运行过程中碳刷出现跳振情况，待停机时检查滑环的圆度和锥度是否合格，如果超标要进行车削处理。
参考文献
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[2]余家喜，王丹，发电机滑环发热分析处理，[J].青海电力.2007.01.
[3]侯友衡，发电机碳刷打火原因和预防措施，国网能源开发有限公司秦皇岛发电有限责任公司.
[4]朱建伟，发电机滑环碳刷发热的分析及处理，[J].科技信息.2012.14.
论文作者:李志伟
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/2
标签：碳刷论文; 电刷论文; 集电环论文; 发电机论文; 电流论文; 接触面论文; 温度论文; 《电力设备》2017年第35期论文;