發電機勵磁碳刷打火原因分析及處理

摘 要：文章對水力發電廠發電機勵磁碳刷打火原因進行詳細分析、深入研究，并有針對性地做出相應處置措施，從而徹底解決碳刷打火問題，提高機組運行穩定性。

關鍵詞：勵磁碳刷；打火；原因分析；處理

1 概述

水輪發電機勵磁系統一般采用可控硅靜止勵磁方式，其中碳刷由自卷式恒壓式彈簧壓迫固定在刷架中，碳刷與滑環通過滑動接觸將勵磁電流由靜止碳刷送入旋轉滑環，再由滑環將勵磁電流分配到發電機轉子繞組中。在機組運行中，碳刷、刷握、滑環接觸面臟污、碳刷磨損過短、碳刷材質不合格、碳刷卡澀、彈簧性能下降、滑環接觸面粗糙、碳刷與滑環非同心運行都有可能造成碳刷打火。

2 碳刷打火原因分析

正常工況下，碳刷溫度一般保持在50-80℃之間運行，溫升約為40℃左右，正常工作電流在20-100A之間。每個碳刷分配的電流比較均衡，承受彈簧的壓力一致且均勻，碳刷在刷握中能自如活動且無卡澀振動現象。

運行中，碳刷發熱是正常的自然現象，但如果碳刷過度發熱且長時間沒有得到及時處理，碳刷與滑環之間或碳刷與碳刷之間就會產生火花，形成碳刷打火現象，打火嚴重時，將會造成碳刷、刷握、滑環燒損。

在實際生產中，造成碳刷發熱主要有3個方面的因素：碳刷與滑環摩擦產生熱量、碳刷自身電阻產生熱量、碳刷接觸壓降產生熱量。

碳刷與滑環摩擦產生熱量：

Q=FvT

碳刷自身電阻產生熱量：

Q=I2RT

碳刷接觸壓降產生熱量：

Q=IET

其中，F為碳刷壓緊力；v為碳刷與滑環的相對運行速度；I為流過碳刷的電流；R為碳刷電阻；E為接觸壓降；T為時間。

在實際運行中，引起碳刷打火主要有以下幾個原因：（1）碳刷、刷握、滑環接觸面臟污。機組運行時，碳刷、刷握、滑環接觸面臟污，碳刷與滑環摩擦產生的熱量不能及時排走，熱量大量聚集造成碳刷過熱，從而引起碳刷打火。當刷柱表面臟污，同時伴隨著碳刷打火，在刷柱與刷柱之間絕緣強度不夠的情況下，容易發生環火現象。（2）碳刷磨損過短。碳刷長時間使用而未及時更換，碳刷磨損變短（如圖1）造成碳刷電阻減小，流過碳刷的電流相應增大，碳刷發熱量增加，當發熱量持續增加，碳刷將發生打火現象。（3）碳刷材質不合格。當碳刷材質過軟，碳刷在機組運行時將會因與滑環摩擦而產生大量碳粉，大量碳粉長時間堆積在刷握中，在油霧化較為嚴重的環境中使碳刷與滑環散熱條件變差，從而引起碳刷過熱造成打火。當碳刷材質過硬，碳刷與滑環之間的摩擦力過大引起碳刷打火，摩擦力持續過大，碳刷、滑環將會受到極大損傷，嚴重時將會燒壞碳刷與滑環。（4）碳刷卡澀。碳刷在刷握中卡澀會造成碳刷與滑環之間不能可靠接觸，卡澀碳刷分配到的勵磁電流將會遠遠降低，甚至會為零。當卡澀碳刷數量增加，正常工作碳刷分配到的勵磁電流將會大大增加，從而使正常工作碳刷可能過熱引起碳刷打火。（5）彈簧性能下降。自卷式恒壓彈簧因長期受熱易發生彈性形變，彈性形變造成彈簧彈性性能下降，從而使彈簧對碳刷的壓力減小，使得碳刷與滑環實際接觸面可能存在間隙，造成碳刷與滑環接觸不良，碳刷接觸電阻增加，勵磁電流分配不均勻度增大，電流分配過大的碳刷將會因過熱而引起碳刷打火。（6）滑環接觸面粗糙。滑環接觸面粗糙（如圖2），碳刷與滑環摩擦力增大，摩擦產生大量熱量使碳刷過熱引起碳刷打火。（7）碳刷與滑環非同心運行。滑環圓度不夠、刷握調整不當都會引起碳刷與滑環非同心運行，非同心運行會增加碳刷與滑環之間的摩擦力，摩擦產生大量熱量使碳刷溫度急劇上升從而引起碳刷打火。

3 碳刷打火處理及注意事項

3.1 全面檢查

機組停運后，對碳刷、刷握、滑環、彈簧進行全面仔細檢查。檢查碳刷、刷握、滑環接觸面臟污情況、碳刷磨損情況、碳刷材質情況、碳刷卡澀情況、彈簧彈性性能情況、滑環表面粗糙情況以及機組運行中，碳刷與滑環相對運行情況。

3.2 分步處理

對碳刷、刷握、刷架、滑環接觸面臟污進行全面清潔處理；對磨損過短的碳刷進行更換；對材質不合格的碳刷進行更換；對彈性性能下降的彈簧進行更換；對卡澀的碳刷進行更換或打磨處理；必要時，通過機組檢修，對滑環圓度及光滑度不符合要求的進行車床切銷，接觸面光滑度處理（如圖3）。

3.3 處理效果

通過對碳刷、滑環、刷握接觸面臟污進行清潔以及對不符合要求的碳刷、彈簧進行更換，碳刷發熱量得到控制，打火情況得以緩解。通過機組檢修對滑環圓度及光滑度進行處理，碳刷打火得以徹底解決。

3.4 注意事項

在碳刷日常維護工作中，應提前做好防止發生短路及接地的安全措施。維護人員工作時必須站在絕緣墊上，穿戴好絕緣手套，使用合格的絕緣工具進行工作。碳刷更換前，應對更換碳刷接觸表面按照滑環接觸面形狀進行打磨，保證碳刷與滑環接觸良好，同時每次更換碳刷數量應不超過單極總數的10%。碳刷更換完成后，應對碳刷進行前后拉動檢查，查看碳刷在刷握中能順暢活動，若碳刷存在卡澀情況，應對碳刷四面用細砂紙進行打磨，保證碳刷在刷握中順暢運行。

4 結束語

在機組運行中，勵磁碳刷打火是發電機常見的故障之一。碳刷打火如果不能及時消除，碳刷溫度會因打火發熱而不斷上升，當溫度上升達到上限值時，碳刷、滑環可能會因過熱而燒毀，最終導致發電機被迫停運。發電機被迫停運不但會影響電力系統平衡與穩定，而且對發電企業經濟效益也會造成極大損失。因此，及時有效的處理碳刷打火非常重要。

參考文獻

[1]李琳.發電機碳刷的日常維護與運行[J].中國電力教育，2010（1）.

[2]張方慶.中小型水電站電氣部分典型故障診斷與處理[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3]張文遠.發電機碳刷及滑環的運行維護[J].山西電力，2002.

[4]胡新軍.發電機滑環碳刷電火花故障處理[J].電力安全技術，2004.

作者簡介：梅森（1987-），男，助理工程師，從事水力發電廠設備運行維護工作。