汽輪發電機碳刷電流偏差大原因分析及處理

王俊華

摘 要：本文結合三門峽火電廠發電機的實際運行情況，針對發電機碳刷電流分布不均偏差大的現象，從碳刷刷握材質、恒壓彈簧壓力、運行維護管理及人員維護觀念等方面進行原因分析，并以此為依據采取了相應措施消除電流偏差大現象，對于防止發電機碳刷發生冒火，徹底避免碳刷——滑環燒損引起的發電機失磁，轉子短路事故的發生具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：發電機；碳刷；電流；偏差；冒火；滑環；刷握；恒壓彈簧

中圖分類號：TM312 文獻標識碼：A

0.前言

大型汽輪發電機碳刷和滑環正常情況下，運行比較穩定，維護工作量也較小。但碳刷和滑環是發電機中動靜接觸和交換能量的設備，因受其通流的大小、碳刷的壓力、碳刷與滑環表面的磨損以及本身制造工藝等因素影響，在長期運行中，會發生碳刷電流分布不均勻，造成個別碳刷帶大負荷電流，容易在碳刷和滑環之間發生冒火，若沒有及時發現隱患并進行處理，將有可能形成惡性循環，嚴重時將形成環火造成發電機滑環燒毀、被迫停機的事故。通過認真分析碳刷電流分布偏差大的原因，并采取相應的處理辦法，可以有效地防止發生滑環冒火，避免進一步燒損滑環的惡性事故。

1.設備狀況

三門峽電廠一期#1、2機為東方電機廠生產的300MW汽輪發電機組，型號：QFSN-300-2-20型，發電機為發變組單元接線，于95年11月相繼投產，后經增容升級改造為330MW。發電機勵磁系統是帶有永磁付勵磁機、交流主勵磁機，靜止整流器的“三機勵磁”系統。 主勵磁機輸出的交流電流，由三相全波橋式接線的硅整流柜整流后，經發電機碳刷供給發電機勵磁；交流主勵磁機的勵磁電源由中頻永磁付勵磁機輸出的交流電，經勵磁調節器的可控硅整流橋整流后，經主勵碳刷供給。發電機和主勵碳刷型號均為NCC634；規格為25×32×65。發電機每極36支碳刷，兩極共72支；主勵每極4支，共8支。

2.發電機碳刷電流異常情況

2015年8月，公司運行人員在進行#1、2發電機碳刷維護時多次發現碳刷電流偏差大，部分出現與滑環接觸面的邊角出現碎裂現象。最大的單支碳刷電流達125A，最小電流達5A甚至為0A，經活動調整后有所好轉，但經過幾個小時運行，就又發現電流偏差大的現象又出現了，最嚴重時發生過主勵磁機一極4只碳刷電流有3支碳刷都沒有電流，一支碳刷電流非常大。單支碳刷通過較大的電流會造成碳刷接觸面通流密度增大，根據Q=I2RT，發熱量跟電流的平方成正比，積聚的熱量無法散發出去時，溫度急劇升高，碳刷與滑環接觸面就會產生火花。另外火花的產生后，使碳刷工作環境更加惡劣，從而惡性循環，使碳刷冒火花更嚴重。并且在如此大電流下將造成碳刷刷辮燒斷。碳刷燒斷后其分攤大電流又轉移到其他碳刷上，造成其他碳刷也發生如此情況，形成惡性循環，嚴重時將形成環火造成滑環燒毀、被迫停機的事故。

3.發電機碳刷電流分布不均偏差大原因分析

為防止進一步發演化成碳刷冒火，嚴重的話會引起發電機滑環燒損事故，我們及時對碳刷電流偏差大這一異常現象進行分析討論。

（1）碳刷方面

我公司機組使用的碳刷為摩根公司生產的NCC634 25×32×60型碳刷，在更換碳刷時嚴格按照要求選用的是同廠家、同型號、同批次的產品，一次更換數量不得超過單極總數的10%，并保證新換碳刷的接觸面不小于80%。發生電流分布不均現象后，專門找質量技術部門對使用的碳刷進行了檢測，檢測結果顯示碳刷的電阻率、硬度、接觸壓降、摩擦系數等參數均合格，碳刷外形盡寸均符合要求，故可排除碳刷質量問題。

（2）刷握方面

根據最新的JB/T-2361-2007《恒壓刷握》標準要求，刷握的材料要求為鑄鋁黃銅、鑄硅黃銅、鑄鉛黃銅、鑄鋁合金或黃銅板，通過檢查發現我公司#1、2機刷握使用的材質為生鋁材質，經詢問生產廠家得知，我廠這兩臺300MW生產于20世紀90年代計劃經濟時代，在當時我們國家銅材料相對缺乏，當時國內生產的刷握大多為生鋁材質。生鋁材質的刷握由于強度和耐溫值低，隨著使用時間的增長，特別工作環境溫度高的情況下，刷握會發生變形。拿一個標準的25×32×60mm尺寸的碳刷和一個更換下來刷握做試驗，發現碳刷不能順利的插入刷握內，卡澀相當嚴重，經與運行值班人員了解，每次更換碳刷均需用砂紙對碳刷進行打磨方可將碳刷插入到刷握內，好象上班以來都是這樣做的，大家也形成一種觀念就是更換碳刷就必須進行刷體的打磨。人為打磨碳刷就會因人不同而打磨出來的效果不同，技術水平高的可能打磨的碳刷能做到刷體與握間隙0.2mm左右標準；有人打磨碳刷與刷握間隙較大，在運行中就會出現碳刷與滑環接觸面的邊角被打碎現象；還有人打磨出來碳刷上粗下細，有點象四棱錐體，這樣的碳刷在運行一段時間后就會卡在刷握內而不會有電流或電流較小，維護人在進行碳刷活動調整時，由于活動碳刷一般都拿住刷辮向上提來活動，由于碳刷上粗下細，向上提活動時不存在阻力，所以不容易發現這樣的碳刷存在卡澀現象，這樣就造成有部分碳刷電流過小或沒有電流通過，活動調整后有好轉，但運行一段時間就又出現了電流小的現象。

（3）彈簧方面

碳刷電流分布不均的另一個原因為碳刷恒壓彈簧壓力偏低。我們使用數顯式推壓力計測量出我們廠#1、2機正在使用的雙圈均彈簧的單圈壓力為0.67kg，而碳刷廠家建議采用的恒壓彈簧單圈達到1.0kg壓力的壓簧。均壓彈簧壓力降低的原因可能是長時間工作環境溫度高造成彈簧本體彈性變差，壓力降低；也可能是選用的彈簧本身設計的壓力不夠造成的。

（4）滑環方面

碳刷電流分布不均的第三個可能原因為滑環氧化膜被油氣污染，由于滑環靠近發電機的軸承，如若發電機軸承在運行中發生滲漏油現象，油氣就順著滑環的冷卻風道而進入到滑環表面而污染滑環氧化膜，造面部分碳刷電流可能會降低。通過使用清潔磨石和粗布對滑環表面進行擦拭檢查，不存在油跡，可判定我廠#1、2發電機滑環不存在油氣污染問題

（5）刷架方面

通過檢查發現機組在運行中有部分端部的碳刷與滑環的接觸面超過了滑環的邊緣，這樣在運行一段時間后，就會造面碳刷表面碎裂現象發生。分析這樣的原因為在機組停機檢修時有時會調整刷架，在調整刷架沒有考慮到機組整體軸向位移的變化。機組運行時轉子轉速為3000RPM，由于泊桑效應，轉子長度在靜止時比運行時長，在靜止時定的刷架位置與運行時偏差大，可能會造成在運行時碳刷部分表面超出滑環邊緣，運行一段時間就會發生碳刷表面碎裂現象。

5.處理方法

根據分析的原因有針對性地采取了一些措施進行處理：

（1）排除碳刷質量問題，繼續使用目前生產廠家、同型號、同批次的碳刷產品。

（2）利用停機機會對刷握進行更換，使用符合JB/T 2361-2007《恒壓刷握》標準要求不易變形的銅質刷握。避免發生因人員打磨碳刷不合適造成的碳刷卡澀和碳刷邊角碎裂現象。

（3）對目前使用的恒壓彈簧進行全部更換，選用符合標準要求的單圈壓力達1kg恒壓彈簧。

（4）對運行維護人員進行技術培訓，使人們轉變更換碳刷必須對刷體進行打磨的觀念，符合標準要求的碳刷和刷握間隙在0.2mm～0.4mm，無須打磨碳刷在刷握內也是活動自如，若發生需打磨現象要分析清楚原因，檢查確認刷握是不是發生了變形。

（5）制定滑環清擦的定期工作項目，可以使用清潔磨石或是用木塊墊上牛仔布或白粗布進行擦拭消除滑環上油氣層，可有效改善電流分布。

（6）在進行刷架調整要考慮到轉子在運行和靜止軸向位移的變化，提前做好數據記錄，防止機組運行后出現碳刷接觸面偏出滑環邊緣造成碳刷碎裂現象發生。

通過實施以上措施，我公司#1、2發電機碳刷電流分布不均偏差大問題得到徹底地根治，目前每支碳刷的電流穩定在30A～70A之間，滑環運行溫度穩定。

結語

總之，為了保證大型汽輪發電機碳刷——滑環裝置的正常工作，減少發電機非停次數，提高公司整體經濟效益，一方面需在設備本身方面進行提高，如選用性能質量好的碳刷、刷握和恒壓彈簧。另一方面要規范和提高對碳刷——滑環和運行維護管理工作，及早發現碳刷電流偏差大異常，及時采取措施消除，防止發生碳刷冒火現象，徹底避免碳刷——滑環燒損引起的發電機失磁，轉子短路事故的發生。

參考文獻

[1]宋士強，李福林.發電機集電環維護[J].電機技術，2005（4）：59-60+62.

[2] JB/T-2361-2007，《恒壓刷握》國家機械行業標準[S].