有刷靜止勵磁發電機碳刷滑環磨損嚴重原因分析與對策

陳 波，崔慶峰

（河北鋼鐵集團唐山鋼鐵股份有限公司，河北唐山063000）

1 引言

唐鋼煉鐵廠北區12M W汽輪發電機為有刷靜止勵磁發電機，其額定勵磁電壓188.8V，勵磁電流231A，發電機正負極各有四個碳刷和滑環，勵磁電流由四個碳刷滑環送入轉子線圈。相對于無刷勵磁發電機，有刷勵磁在動態穩定性、故障處理、滅磁時間常數及功能調試等技術特性上具有很大優勢，但是碳刷與滑環磨損嚴重、火花等級超標，甚至造成環火一直是影響有刷勵磁發電機運行工況的重要因素。碳刷火花等級超標會造成碳刷及滑環的不正常磨損，減少碳刷和滑環的使用壽命。碳刷及滑環發熱誘發刷架的燒熔，嚴重時造成發電機的失磁停機事故，同時火花等級超標、碳刷滑環不正常磨損嚴重影響發電機的無功輸出能力。

2 影響發電機勵磁碳刷滑環磨損的因素

發電機勵磁碳刷滑環磨損主要來源于兩個方面，一是機械因素引起的磨損，二是電氣因素引起的磨損。

2.1 機械因素引起的磨損

在彈簧壓力作用下，碳刷和滑環表面緊密接觸。當兩者相對滑動時，由于摩擦作用而形成磨損。影響該磨損的因素主要有以下幾種：

2.1.1 碳刷材質與規格

按碳刷材料的不同，可分為：石墨碳刷、電化石墨碳刷、金屬石墨碳刷。石墨碳刷質地軟，潤滑性能較好，摩擦系數低，但因含雜質較多而易使整流器受損。電化石墨碳刷由石墨、焦炭等作原料，近2500℃以上高溫處理而制成。其性能優良，故使用范圍廣。金屬石墨碳刷是在石墨中滲入銅及少量錫、鉛等金屬粉末混合而制成，具有優良的導電性，載流量大，但是其材質較硬，因此相對的對于滑環的磨損也就更大一些。

另外，碳刷的規格是否與刷架相匹配也是影響其磨損的一個因素。碳刷與刷架之間間隙過小，可能造成碳刷卡在刷架中，彈簧無法壓緊碳刷；間隙過大，碳刷則會在架內產生擺動，不僅出現噪音，更重要的是出現火花，對整流子或集電環產生破壞性影響。

2.1.2 碳刷刷架壓力

刷架壓力過小，碳刷和滑環表面接觸不穩定，容易引起電弧，使電氣磨損增大。壓力過大，刷面的硬粒對滑環表面刮割嚴重，又會使機械磨損增加。因此，彈簧壓力要適中。同時每個碳刷壓力要均勻，當刷架壓力不均時，碳刷與滑環接觸程度出現差異，引起接觸電阻變化，勵磁電流在四個碳刷上分配變得不均勻，容易引起碳刷發熱甚至產生火花，加大碳刷滑環的磨損。

2.2 電氣因素引起的磨損

在電流作用下，不僅有機械磨損，還有電氣磨損。所謂電氣磨損，指的是由于電弧高溫和放電等因素的作用，使極面材料受到損壞的情況。而由于電氣磨損影響接觸面，所以也會對機械磨損的程度產生影響。

2.2.1 接觸電阻的影響

碳刷與滑環之間接觸電阻增大，使得接觸面溫度升高，產生火花。當火花等級超過標準值時，火花灼傷碳刷與滑環表面，接觸面出現黑痕，變得凸凹不平，加劇了機械磨損。嚴重時會燒焦碳刷與刷架。

接觸電阻增大是多方面原因引起的。

碳刷與滑環接觸不均勻，滑環表面光潔度差，轉子幌度過大，轉子振動過大，接觸面碳粉堆積嚴重等原因會導致碳刷與轉子滑環之間接觸不穩定，接觸面積減小，單位面積通過的電流增大，使接觸面容易局部發熱進而產生火花，灼傷碳刷和滑環，造成不正常的電氣磨損和機械磨損。

2.2.2 陰極蒸發與陽極粉化效應

由于電流通過碳刷和滑環的接觸面，且其直接傳導的部位不斷變動，電流密度又很大，使一些點溫度很高；又由于電弧的高溫作用，會使兩側極面局部熔化、脫落，金屬會變成金屬蒸汽，碳刷則結構松化，受氧化腐蝕而脫落，此即電氣磨損的表現。但是，極性不同，磨損情況是不一樣的。在電弧作用下，陽極（正極）表面局部灼熱而蒸發出“金屬蒸汽”，使陽極表面損蝕，這叫“陽極蒸發”；陰極（負極）因受正離子撞擊和高溫作用發射電子，使陰極表面也遭受破壞，這叫“陰極粉化”。在陽極蒸發和陰極粉化的作用，碳刷和滑環由于電流方向不同會出現極性差別。

為了便于理解陽極蒸發和陰極粉化效應在勵磁電源兩級造成的影響差別，我們可以把相互接觸的碳刷和滑環單獨看做一個獨立的系統。當電流由碳刷流向滑環時，此時碳刷相當于正極，滑環相當于負極，此時碳刷面上發生微小程度的陽極蒸發，碳粒、石墨離子遷移到滑環表面，碳刷有電氣磨損。滑環表面有輕微的陰極粉化，并附著碳粒、石墨，成潤滑、光澤的鏡面，容易形成一層氧化膜。由于滑環表面平滑，機械磨損較小。

當電流由滑環流向碳刷時，此時碳刷相當于負極，滑環相當于正極，此時碳刷面上發生陰極粉化，電氣磨損小。滑環表面發生陽極蒸發，大量金屬蒸發，使其表面損蝕嚴重，同時，這些金屬粒子也易附于碳刷磨損面上，反過來會使換向器表面嚴重磨損，出現條痕。這種情況下，滑環表面粗糙，呈金屬光亮，接觸面間機械磨損大。

總的來說，與勵磁電源正極相連的碳刷電氣磨損大，機械磨損輕微，相對應的滑環電氣磨損和機械磨損都很小；與勵磁電源負極相連的碳刷電氣磨損小，機械磨損大，相對應的滑環電氣磨損、機械磨損都很大。

3 應對措施

3.1 碳刷與刷架的選擇

根據發電機勵磁電流與滑環的實際情況，選擇合適的碳刷截面積與碳刷材質，以此來降低火花等級和機械磨損。實際應用中還要盡量選擇同一廠家同一批次的碳刷，以減小碳刷差異帶來的不正常磨損。

碳刷的尺寸要與刷架相匹配，碳刷的四個側面與刷架內壁之間必須留有一定的間隙，間隙一般控制在0.1～0.3m m，以碳刷能夠上下自由移動為宜，避免碳刷卡澀或者在刷架內擺動現象。

3.2 調整刷架壓力

調整刷架壓力，保持刷架壓力在碳刷不冒火的最大壓力下。同時盡可能保持各個碳刷受到的彈簧壓力相同或相近。

3.3 減小接觸電阻

影響接觸電阻的因素很多，但是最終都歸結在影響接觸面積上。為了保持碳刷和滑環的接觸良好，可以在碳刷表面開槽，將一個碳刷表面均勻的分成幾個獨立的小塊，降低滑環表面不平等因素帶來的影響。經試驗表明，沿滑環運轉方向開槽不僅可以有效提高碳刷滑環接觸的吻合度，減小接觸電阻，而且開槽后，如果產生火花，火花會在槽內縫隙中迅速湮滅，不易發生飛濺，從而降低了火花等級。碳刷開槽數量要適中，如果開槽數量過少，作用效果不明顯，開槽數量過多，降低了獨立碳刷塊的硬度，容易發生斷裂。經實踐摸索，該12M W機組最終確定碳刷開槽數量為2。

另外幌度和表面不平度是滑環運行的兩個重要參數。在發電機定修期間要注意檢查，一般滑環表面不平度不大于0.05m m，幌度不大于0.05m m。滑環的表面光潔度影響氧化膜的形成，對于光潔度差的滑環要進行車削和打磨。

3.4 平衡陰極蒸發和陽極粉化效應

由于陽極蒸發和陰極粉化效應的影響，勵磁電源負極一端的碳刷滑環磨損較勵磁電源正極一端的嚴重得多。為了這個差異，可以利用定修機會，將連接碳刷的正負極電纜互換，使得碳刷正負極互換，讓陽極蒸發和陰極粉化效應交替在兩個滑環之間進行，以此來平衡兩極滑環的磨損度，延長滑環使用壽命。

4 結束語

經過實踐摸索證明，上述措施有效降低了該12 M W發電機碳刷火花等級，減小碳刷滑環磨損，增加碳刷滑環使用壽命，并使無功輸出能力由原來的6500k v a r提高到了8000k v a r。但是對于不同發電機，由于容量、冷卻方式、碳刷數量等差異，上述影響因素及對策也有一些差異。在處理發電機碳刷滑環磨損嚴重、火花等級超標問題時還應結合本機組實際情況作出分析和處理。