摘要：通过对发电机大轴接地碳刷的两次改造以及运行人员采取的维护措施，避免了因碳刷接触不良导致的各种异常情况，消除了安全隐患，提高了发电机安全运行的可靠性。
关键词：接地碳刷；碳刷改造；碳刷维护；轴电压
一、概述
国电谏壁发电厂七期二台1000MW机组，发电机原厂汽端6号轴承座、励端7号轴承座分别装有5只大轴接地及测量碳刷。其中汽端碳刷为二组，每组二只碳刷，装在转子大轴正上方12点处的一组用于转子一点接地保护测量，装在大轴东侧3点处的一组用于转子轴电流、轴电压参数的测量；励端仅一只碳刷，装在大轴12点处用于测量转子轴电压。
制造厂原碳刷采用EG5U AG20型号双层碳刷，碳刷材质由两部分组成，滑入边选择使用润滑性能好的石墨基电化石墨材质，滑出边选择使用含银电化石墨材质，简单地说这种碳刷使用时转子先通过碳层滑入，再由银层滑出。该碳刷截面尺寸为2 cm×0.8 cm＝1.6cm2，弹簧压力为0.4kg/cm2。刷架及碳刷外形如图所示:
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原6号轴承座刷架与碳刷
二、发电机大轴接地碳刷的作用及接触不良跳火的危害
（一）作用：
1.消除大轴对地的静电电压：发电机在运行中大轴受漏磁作用,产生悬浮电位,由于发电机中各轴承的绝缘不全,在发电机制造安装中由于工艺等原因，气隙总是不那么均匀，另外线圈安装中阻抗也不绝对相同，发电机运行中会在其转子大轴上感应出电压，称为轴电压。由于轴电压的存在，运行中该电压可通过转子两端的轴瓦击穿油膜形成轴电流，烧损轴瓦。因此要将大轴通过接地碳刷接地。具体做法是在发电机励端轴瓦座加绝缘层，在汽端大轴用接地碳刷接地。
2.供转子接地保护装置用：转子绝缘损坏、发生匝间短路时，如果没有接地碳刷的作用，很难检测转子的一点接地，更难避免发生转子多点接地造成层间或相间短路；
3.供测量转子线圈正,负极对地电压用。
（二）接触不良跳火的危害：
1.我厂发电机采用的是水-氢-氢冷却方式, 严禁发电机周围明火,万一经常跳火的发电机端部发生氢气泄露，甚至有可能造成氢气爆炸吗，后果不堪设想；
2.#6轴瓦接地碳刷产生电火花干扰6号轴承座的振动测量元件，使其轴振异常升高；
3.发电机大轴接地碳刷用于消除大轴对地的静电电压，若该碳刷与大轴接触不良很可能造成大轴电压通过转子两端轴承击穿油膜行成轴电流，烧坏轴瓦。
4.我厂发电机转子一点接地保护设置了跳机程序，碳刷长期跳火且与滑环接触不良可能导致转子一点接地保护误报警甚至误跳闸，对机组的安全运行构成了严重的威胁。究其原因，主要是转子大轴接地碳刷与大轴接触不良，较高的转子轴电压没有完全释放，其多次谐波窜入转子接地保护回路中，使保护测量值产生波动引起。
三、异常情况分析及处理
两台1000MW机组自2011年投产运行后,大轴接地碳刷发生了多次异常情况。
2012年5月，#13机组#6轴瓦轴振逐步升高，且上下波动幅度较大。就地测#6轴瓦振动、温度正常，就地听音正常，但检查发现#6轴承座的发电机大轴接地碳刷时常发生跳火现象，且时有爆鸣状火花。对发电机接地碳刷滑环清理并更换接地碳刷后振动稍有好转，但过不了多久振动再次加剧。据此分析很可能是由于电火花干扰6号轴承座的振动测量元件，使其轴振异常升高。
2012年7月1日 16:05，#13机组“发电机转子一点接地报警”，就地检查转子系统未发现明显异常，按相关规定解除转子一点接地保护。随后检查发现用于转子一点接地装置测量的碳刷有跳火现象，于是开抢修工作票进行发电机接地碳刷的清理。完成后保护班对励磁系统检查正常后复归光字牌，投入转子一点接地保护。发电机#6轴瓦接地碳刷与大轴接触不良是接地报警的主要原因，能否完全消除此缺陷是对转子接地正常投用的前提条件，运行人员对碳刷的维护也是重要的原因。
根据这些现象，我们结合实际情况分析，这两次异常情况都是碳刷接触不良跳火而导致的。而碳刷跳火一般有以下几种情况：
1.碳刷过短导致其压簧伸长、压力下降，碳刷与滑环接触不够紧密；
2.碳刷的均压弹簧压力偏小，碳刷与滑环接触压力小，接触电阻增大；
3.发电机轴瓦振动大，导致滑环与碳刷接触不良；
4.滑环不圆导致滑环与碳刷接触不良、接触电阻大；
5.滑环与碳刷的接触面有脏污，导致滑环与碳刷接触不良；
6.碳刷设计不合理或者碎裂，导致其与滑环接触面积过小、接触电阻过大；
7.轴电压过高。
制造厂出厂的碳刷型号是经过反复试验的，理论上不会出现问题，为什么在我们厂就产生接触不良和跳火的现象了呢？我们觉得应该在自身寻找问题的根源。最终经过检查分析、测量对比，我们发现汽轮机#6、#7轴瓦处长期有油汽冒出污染大轴和刷盒，造成滑环和刷盒处长期积累油污，碳刷在刷盒内运动受阻，与大轴之间接触不良；汽轮机轴瓦振动偏大导致碳刷易发生振动。与汽机专业沟通后，虽采取了一些措施，但无法根本解决这些问题。
为保证机组安全，必须消除这5只碳刷的接触不良和跳火现象。运行维护人员采取了一些临时措施：
1.增加碳刷更换频率，碳刷稍有碎裂和脏污就进行更换，新碳刷长度更长使得压簧行程缩短，增加了接触压力和接触效果；
2.更换碳刷前对碳刷与滑环的接触面充分研磨，使碳刷与滑环尽量紧密贴合；
3.每次更换碳刷时检查刷架结构及弹簧松紧度、清理刷架积粉；
4.使用棉布沾取无水乙醇溶液清洗滑环；
5.加强对接地碳刷与转子大轴间接触电阻的监测，定期测量电阻，确保转子接地保护装置的可靠运行。
此后情况虽有所好转，但碳刷破损情况发生频繁，运行维护人员工作量大幅增加，未解决根本问题。
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使用一周的碳刷
由于制造厂选用刷盒尺寸较小、碳刷截面积、弹簧压力均偏小，在我们厂的“恶劣”运行环境下，易产生振动使碳刷破裂且磨损严重；又因发电机汽端密封瓦盖处长期有油汽渗出, 油污及碳粉附着在测量碳刷的刷架上和转轴上,增大了碳刷与转轴之间的接触电阻,易产生火花。最终我们向设管部申请利用停机检修的机会，将刷握改装,增大刷盒的尺寸，即增加碳刷与转轴的接触面。
四、碳刷改造的过程
(一)第一次改造：
我厂四、五期300MW发电机组上采用的是具有良好集电性能的上海摩根NCC634型碳刷，其标配的恒压弹簧压力为1.2kg/cm2，碳刷截面积尺寸为3.2cm×2.5cm＝8cm2，压力及截面积均远大于原碳刷，且我厂对NCC634碳刷有多年运行维护经验。运行人员与设备管理部门进行了多次讨论分析，一致认为将碳刷改型后能够使碳刷与滑环更好地接触，提高其工作稳定性，减少维护工作量，决定优先对#13机组6号轴承座的碳刷尝试更型。经过设备管理部和检修人员对刷架和刷握的改造，最终保留了原刷架, 将原来的小刷握更换为NCC634的刷握,将刷架清洗干净，保证刷握与刷架接触良好，成功将碳刷更换。
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汽端转子接轴刷握改装前 汽端转子接轴刷握改装后
更换好#13发电机汽端6号轴承座的碳刷后，振动恢复了正常。经过一周跟踪观察，轴振正常，碳刷暂时未再产生跳火。后经过同样的过程，将#13、#14发电机组的大轴接地碳刷一一更换。改造工作完成后短期内减少了清理碳刷的次数,减小了运行维护人员的工作量，降低了维护成本，同时操作风险也随之降低。
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励端接轴装置碳刷改装后 原碳刷与改造后的碳刷比较
(二)第一次改造后的运行情况：
第一次改造在短期内取得了成功，但随着机组长周期运行,2014年6月发电机大轴接地碳刷再次产生了问题：
1.运行人员抄表时多次发现发电机轴电压参数异常，数值上下波动较大，有效值从正常的17V左右上升到50V左右，对发电机大轴接地碳刷检查发现碳刷又发生了跳火现象，更换碳刷后参数正常；
2.发电机转子一点接地保护发生间歇性误报警，检查发电机大轴接地碳刷有跳火现象，更换碳刷后报警消除。
运行人员根据这一现象紧急制定了临时措施，防止机组误跳闸：
1.暂时解除发电机转子一点接地保护跳闸出口压板，待故障消除后重新投入；
2.加强对6号轴承座发电机接轴碳刷的维护，发现碳刷跳火应及时用无水乙醇清擦滑环、并及时更换或重新研磨碳刷；
3.在大轴下方安装挡板阻挡汽轮机油系统油汽对大轴的污染。
通过运行和检修人员的仔细排查发现，汽端转轴上接轴碳刷接触部位有发白痕迹, 励端无异常, 在机组大修时对该部位检查, 发现转轴表面有轻微磨痕,初步怀疑为恒压弹簧压力问题,但用哪种压力的恒压弹簧是需要结合碳刷等因素进行多方面验证的, 我厂不具备试验条件，且1000MW机组投入运行后必须安全稳定。在综合考虑后，设管部决定对汽端接轴碳刷进行第二次改造，以便彻底解决碳刷跳火的问题。
(三)第二次改造：
第二次改造的目标仍然是增加碳刷与滑环的接触面积，但弹簧压力可稍微降低，防止对大轴滑环表面造成磨损。经过认真选材，采用了65Mn硬料弹簧钢带，该材料硬度和弹性都很好。该钢带宽40mm，厚度0.8mm，钢带表面附一层编织软铜线作为导体与滑环表面接触摩擦。根据现场实际位置，在发电机#5轴瓦处加装了两组该接轴装置，一组作为转子轴电流测量用，另一组作为转子一点接地保护测量用，新增接轴装置与原大轴接地碳刷并列运行。
第二次改造取得了彻底的成功。机组投运后未发生电刷跳火等异常情况，发电机转子轴电压稳定，约12V～15V，观察运行一段时间后, 取消原#6瓦侧大轴接地碳刷，由#5瓦侧新增接轴装置替代原#6瓦侧接轴装置独立运行，将转子一点接地保护跳闸出口压板重新投入。
这次改造的成功，总结出来主要有以下二点原因：
1.65Mn硬料弹簧钢带弹性良好，不再受到汽轮机大轴轻度振动的影响，彻底解决了碳刷的振动问题；
2.编织软铜线作为与滑环接触并摩擦的主体，其接触面积比碳刷更大，最主要的是将原来的单面接触改为了多点接触，在滑环有油污且轻微振动的环境下，多点接触的效果明显好于单面接触。
采用编织软铜带取代碳刷后，磨损周期变长，相对于原来5块碳刷每隔一周左右就需清理更换来说，不但大大减轻了运行维护工作量，而且大大节约了碳刷维护费用。但缺点是更换难度较大，单次更换时间较长。目前更换工作已交由检修人员进行，并新增了电刷维护规定：凡是更换转子一点接地保护用电刷时，需解除转子一点接地保护跳闸出口压板。
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#5轴瓦新增的大轴接地装置和已经取消的#6轴瓦接地碳刷
五、结束语
通过对发电机转子汽端大轴接地碳刷及励端接轴测量碳刷的二次改造，我们积累了运行维护经验，解决了因碳刷异常而造成的一系列不安全情况，总结下来有以下成果：
1.降低了碳刷维护成本，节省二台1000MW机组原碳刷每年的维护费用近50万元；
2.操作风险降低，避免了因碳刷接触不良误发转子一点接地信号或有可能造成的误跳机，转子一点接地保护装置的投入使用也提高了发电机安全运行可靠性；
3.消除了发电机6号轴承座轴振异常升高的情况，确保机组安全运行；
4.消除了大轴接地碳刷跳火可能导致的安全隐患，如氢气爆炸、油膜击穿等。
国外发电成套设备引进国内后，与一些国产技术设备组合使用，难免会出现一些“水土不服”的情况。我们根据自身实际情况创造的适合我厂“厂情”的弹簧钢带与编织软铜线组合的新型“电刷”，彻底适应了我厂汽轮机大轴振动大、油污重的“恶劣”环境，这种成功的经验值得全国所有的发电厂借鉴和推广。
参考文献
[1]国电谏壁发电厂. 《1000MW超超临界机组运行培训教材（电气分册）》.2010.01.
[2]国电谏壁发电厂.《七期集控规程》.2013.12.
论文作者:孙方健,王江
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：碳刷论文; 转子论文; 发电机论文; 轴瓦论文; 机组论文; 电压论文; 测量论文; 《电力设备》2018年第21期论文;