摘要：电刷作为动电传输的机构在电机上有着广泛的运用。它是与运动部件作滑动接触而形成电连接，是电机的重要组成部件。其运行的好坏对保证电机可靠运行具有重要的意义。许多发电单位包括我厂就曾经受到滑环和电刷问题的困扰，严重时往往造成非计划停机事件。提高电刷运行的可靠性是电机专业人员共同的期望。网络甚至教科书总结的方法，大多人云亦云，水平良莠不齐，有些甚至存在误区。本文结合我厂的解决电刷问题的实际情况的成功案例，对电刷故障的原因进行分析，并探讨对策。
关键词：电刷磨损；电刷环火；单位电流密度；线速度；氧化膜
0 引言
电刷作为动电传输的机构在各种电机中中有着广泛的运用。它是将静止部件与转动部件作滑动接触而形成动电连接的一种导电部件。电刷是电机的重要组成部件，用于换向器或滑环上，作为导入导出电流的滑动接触体，几乎所有的直流电机以及换向式电机都使用电刷传输电能，是构成电机励磁回路的不可或缺的部件。其导电、导热以及润滑性能、机械强度和抑制换向性火花性能的好坏对保证发电机可靠运行具有重要的意义。许多发电单位包括我厂就曾经受到电刷问题的困扰——其中最主要的是：①电刷打火甚至环火，②滑环温度高，③电刷磨损快，④滑环磨损，⑤严重时往往造成非计划停机事件。2012年5月，广东某电厂600MW发电机组，就因为电刷环火导致机组不能正常运行。因此，提高电刷运行的可靠性是电机专业人员共同的愿望，也是各级领导和管理人员共同的期望。可以说，电刷运行的可靠性对电机的稳定运行性有着决定性的影响。
本文结合我厂及对外承担的水轮发电机的运维检修工作中电刷使用情况进行总结分析，具有实际意义。
1 我厂及所辖发电机及电刷概况
笔者所在的陈村水力发电厂是肇始于1970年，有着近50年运行经验的老厂，见证了我国电力发展的辉煌。使用过多种型号的电刷，也遇到过多种电刷故障，曾经在一段时间内故障频发，严重时为了避免造成机组非停机事件，只好降低出力运行。通过多方咨询，查找解决方法，但收效甚微。这些方法，良莠不齐，有些甚至存在谬误。经过我厂技术人员的不断探索，电刷问题逐一得到解决，积累了有益的经验。现就我厂两次成功的滑环和电刷改造的情况进行总结分析，对故障原因进行梳理总结，查找提高电刷运行的直接因素。
我厂有立式水轮发电机7台，现有50MW的发电机3台（1970年投运）、30MW的发电机1台（2004年投运），18MW的发电机2台（1976年投运）；还有620KW以下的卧式水轮发电机5台（1996年-1999年投运）。立式机组使用电刷从最初的国产DS72、DS04、DS52，现在使用D172和D104型电刷，制造厂有上海摩根、新光等厂家，卧式小机组使用J102型电刷先后采用过上海南洋电碳、温州三林电碳的产品，现使用天津一厂家的产品。
同时我们对外承接了江苏沙河电站及浙江溪口电站各2台50MW的抽水蓄能电站的检修工作，该机组为阿尔斯通机组，电刷为罗兰EG34A/PPF。还承担了国网宁国港口湾电站2台30MW的发电机组运维工作，机组为东方电机厂的产品，电刷为国产D252型。
2 电刷使用情况介绍
2.1 滑环温度高
我厂50MW发电机为东电制造，型号TS920/115-44，额定转速136.4 rpm，额定励磁电流1188 A，实际运行电流为800A，截止03年3台机组全部改成静止励磁，并将原来的旋转励磁机改成3000KW的副发电机，主副机都采用D172-25*32*60型电刷，主机单极20只，副发电机励磁电流300A，单极电刷5只。滑环直径为0.8米，滑环室直径1.2米。主副发电机滑环都集中在一个滑环室，直接处于副发电机上方，因副发电机运行，将滑环室温度提高至45℃左右。改造后夏天滑环温度最高达到128℃，不降负荷，温度会继续上升。改造后连续运行3年，滑环依然不能产生氧化膜，滑环表面非常粗糙，经常出现滑环火花甚至环火的情况，为了降低滑环运行温度，减小火花，我们先后采用以下措施：
1）研磨滑环和电刷，增加接触面，改善接触性能，收效不大。每次处理后，一星期甚至2-3天，滑环就开始打火。
2）学习铜陵桂家湖发电厂的方法，以前铜陵桂家湖发电厂125MW的发电机，滑环在运行中温度曾经高达260℃，该厂曾经在滑环表面涂凡士林进行润滑。我们研磨滑环后在滑环表面涂凡士林，增加润滑，结果滑环温度在开机后直线提升。这种方法可能是错误的，或者我们操作方法不当，没有明显的效果。
3）打开滑环室的窗罩，甚至在滑环室上方安装散热风扇，以降低温度，也只能将滑环温度控制在90℃左右，没有获得满意的效果。
4）更换电刷的型号，将新光D172型改成摩根NCC634型，规格不变，摩根NCC634比D172在同样的工况时，运行温度要高10℃左右。
5）与东电协商，重新设计滑环，滑环直径增大至1米，电刷数由20只增加至27只，滑环室直径改成1.6米，在滑环的支撑板上增加径向散热风扇（角铁挡块），加速空气流通。改造后滑环温度下降明显，在最炎热的天气，滑环最高温度也没有超过85℃。将电刷室风罩打开，滑环温度降至最高70度左右。一年后滑环表面产生了光滑的氧化膜。这次改造是成功的。
我们得出以下结论：
1）凡士林只会增加摩擦阻力。参考沙河电站的阿尔斯通抽水蓄能机组，50MW，10对极，300转，电刷为罗兰EG34A/PPF，规格：20*32*60，每个刷握里面两个电刷，其中一个以润滑为主，另一个以导电为主。要对滑环进行润滑，也需要借助电刷来完成。
2）降低滑环的运行温度取决于散热空间和空气流通，在散热空间狭小、热空气不流通时，强风也没有什么散热效果。
3）NCC634电流密度为12A每平方厘米，国产D172电流密度为12A每平方厘米，NCC634性能更软，摩擦阻力更大。
4）有效的氧化膜对电刷的运行非常有利。但氧化膜只在70℃左右形成，散热不良时，光滑的滑环接触面也现成不了氧化膜。温度过高时，滑环表面的电腐蚀将非常严重。
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5）线速度对电刷的温度影响不大，此次将电刷的线速度提升了1.25倍，滑环温度没有明显上升。（网络上有许多论文中罗列认为，滑环线速度越大，滑环也越容易发热。从我们的改造的情况来看，没有根据）
6）不同牌号的电刷不能混用（有许多论文中总结认为：不同牌号、不同厂家的电刷在同一台发电机上运行。因为电刷的参数特性不同，导致电刷所承受的电流不同，承受电流较大的电刷可能会产生火花。在我们改造中看来，没有根据）未必正确，我们在摸索的过程中，将新光D172、摩根D172，夹杂少量的NCC634，发现对温度的变化没有影响，也没有发现电刷温度和火花的变化。
2.2 电刷磨损快，火花严重甚至环火
我们的620KW以下的5台卧式发电机，临海电机厂生产，发电机型号是SF620-6/950和SF500-6/850，采用的是刷架结构，每极2个刷架，4只J102型电刷，规格12.5*25*40，额定励磁电流分别为SF620-6/950：173A（实际135A），SF500-6/850：192A（实际140A），转速为1000r/m，我们统计了2014年8月-12月期间#2小机组的电刷更换情况为平均每个月1.25次，2012年-2014年，5台机出现6次滑环环火的情况，每次都导致了故障停机。经过测量，电刷月磨损量为6mm，考察安徽当涂发电公司600MW，每分钟3000转的火电机组，电刷月磨损才10mm，差距很明显。
我们探索过程如下：
1）加强维护，在电刷尚有长度30mm时即予以更换，同时予以清扫。没有明显的效果。
2）每次火花或环火后，都进行滑环研磨，更换电刷时进行电刷弧度的研磨，以增加接触面，确保接触面积大于电刷截面的75%。
3）最初电刷为上海南洋电碳公司的J102型电刷，电流密度为20A每平方厘米。为了增加电流密度，选用过温州三林电碳公司的产品，含铜量明显高于南洋电碳的产品——电刷呈现金属红色，硬度也要高出许多。南洋的产品用手指可以划出明显的痕迹，而温州的则基本划不出痕迹。结果温州的产品更容易出现滑环环火。6次环火有4次都是由温州三林的电刷所导致。即使没有火花，正常地也加剧了滑环的磨损，新更换滑环在半年内即在滑环表面磨出很深的沟槽。
4）QC公关：
在查找方法均无效果的情况下，2014年8—12月对此问题展开QC公关，
翻阅相关资料，分析如下：造成滑环环火的原因是该类机组存在摆度较大，电刷偶有接触不良，其它电刷的电流密度立即增大，而电刷原额定单位电流密度为20A，现场使用实际使用时电流密度已达到13.8A，有一个电刷接触不良，其它三个电刷因承当电流，单位电流密度上升至18.5A，甚至超过额定电流密度。为了降低电流密度，采用J102型，截面25*32，按月磨损量6mm，决定采用70mm的长度使更换周期在6个月左右。滑环直径25cm不变，重新设计滑环、滑环室，安装投运后，发现电刷的月磨损量降至0.85mm，70mm可以运行4年。首台QC改造的发电机从2015年1月连续运行27个月，没有一次故障停机，也没有火花，除了其它设备检修而对滑环进行停电清扫外没有一次停机清扫。考虑在运行中换电刷，可以10年甚至永远不停机。
结论：这是一次非常成功的QC项目开展，直接经济效益5台机每年可以节约5万余元；安全效益更加显著。
1）造成电刷磨损的最直接的原因，是电刷单位电流密度，占电刷磨损原因的70%左右，单位电流密度由13.84A降低至3.6A，降低了3.844倍，而磨损量由每个月6mm降低至0.85mm，降低了7.05倍。可见电刷的单位电流密度过高，会加速电刷的磨损。
2）电刷的硬度对火花和磨损也有明显的影响。过硬不仅电刷容易磨损，甚至磨损滑环，由于电刷硬度提高，往往会降低接触性能。降低电流密度或增加电刷导电能力的时候，不得明显增加电刷的硬度。
3）电流密度对电刷火花有直接的影响，在发电机设计电刷个数的时候，尽可能将电流密度控制在额定值的一半左右。一定不能在接近额定值附近运行。特别是机组振摆度较大，电刷可能会出现跳跃的情况下更是如此。
4）电刷实际电流密度比额定电流密度小很多的时候，碳粉的厚度对火花没有直接影响，碳粉累积过多造成绝缘降低至产生接地时，才能对火花产生影响。比如我们这次QC，额定20A/平方厘米，实际3.6A/平方厘米，滑环附近碳粉很厚，没有产生火花。
2.3、消除电腐蚀。
我厂纪村电站发电机为TS550/80-28型立式水轮发电机，额定功率17MW，天发厂制造，1976年投运。2017年改造，将定转子都由B级绝缘提升为F级绝缘。额定功率由17MW扩容至18MW。额定励磁电流555A，实际励磁电流450A，正负极都是12个电刷，型号摩根D104-25*32*60，由于系统中谐波和机组电腐蚀的综合影响，负极中间电刷最先出现火花，然后火花越来越大，直至环火。用金相砂纸和白布将滑环表面研磨一下，火花立即消失，考虑电流密度足够，将12只电刷改成11只，其中一只更换成摩根NCC634-25*32*60，利用摩根的柔软和摩擦力大的特点起润滑和摩擦的作用，消除电腐蚀对滑环表面产生的不平整，彻底将火花消除。
在这种情况下，我们也可以考虑改变电刷的型号，不同的电刷适用场合也不一样。根据电刷的用途，有的型号适用于整流困难，具有机械震动和行复合的轧钢电动机，有的型号适用于低电流密度，有的适用于高电流密度，应该有对抗电腐蚀也特别效果的型号。
3、结束语
以上是我厂在发电机电刷使用中成功的经验介绍，在可靠性和经济效益方面效果明显，今后我们还将继续对发电机电刷问题进行跟踪观察，尤其是滑环的阴极腐蚀进行跟踪分析，继续为提高电刷的可靠性做出贡献。
参考文献：
［1］ 甘雨生、魏斌、罗爱珍 发电机碳刷法人原因接解决方法。电力安全技术 2004-12-25
［2］发电机电刷发热及预防 贵州电力技术 2015第18卷
论文作者:朱理贵
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/1
标签：电刷论文; 电流论文; 发电机论文; 密度论文; 磨损论文; 火花论文; 机组论文; 《电力设备》2018年第30期论文;