碳刷溫度異常偏高分析及臨時處理辦法

黃世超，李 超

(雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都 615000)

0 引言

發電機碳刷是發電機勵磁回路的重要組成部分，起到將勵磁電流從固定元件輸送至轉動部件的連接作用。為了保證發電機碳刷、滑環的安全、穩定運行，避免設備的過熱損壞，一般將碳刷溫度控制在90 ℃以下[1]。

碳刷溫度異常偏高分為兩種情況，一種為個別碳刷溫度異常偏高，大部分碳刷溫度正常，造成此現象的原因一般為勵磁電流分布不均衡，個別碳刷流過的勵磁電流偏大導致；另一種為碳刷溫度整體偏高，造成此現象的原因一般是碳刷個數偏少，導致每個碳刷正常流過的勵磁電流偏大。由于不同異常現象的原因不同，需要采用不同的方法處理[2]。

1 異常現象

某電廠發電機組自投運以來，多年運行中發現在汛期滿負荷運行工況下，發電機碳刷整體溫度在110 ℃左右，明顯高于設備穩定運行要求，結合設備現有條件，采取了單極加裝3個碳刷實現分流降溫的措施，取得了一定的效果，碳刷溫度下降至105 ℃且保持穩定。

某年汛期機組滿負荷期間，3#機組出現了碳刷溫度分布不均的現象，部分碳刷溫度由105 ℃下降至90 ℃，另一部分碳刷溫度則上升至125 ℃，個別碳刷溫度甚至高達180 ℃并伴有間歇性打火現象[3]。

2 檢查及分析

2.1 碳刷溫度測量及記錄

使用紅外測溫儀對機組碳刷逐個開展全方位溫度測量，并將溫度數據按標記的順序記錄在表格內，對于各碳刷的最高溫度位置進行注釋，同時在表格內記錄存在間歇性打火現象的碳刷編號。

測量發現，碳刷的溫度最高點普遍集中于刷辮處，而存在打火現象的碳刷溫度最高點則是打火點處。根據數據記錄及現場碳刷分布，發現處于勵磁回路負極的碳刷溫度整體高于正極碳刷，出現打火現象的碳刷分布于同一水平高度的位置。

2.2 碳刷檢查

依據記錄表、按照每次只拆除一個碳刷的要求逐個拆除存在打火現象的碳刷并移送至滑環室外。將碳刷與刷握解體后分別進行檢查，檢查發現此類碳刷表面凹凸不平，已失去平整度。其中，最開始出現打火現象的碳刷刷握表面有輕微的劃痕。

依據記錄表、按照每次只拆除一個碳刷的要求逐個拆除高溫碳刷并移送至滑環室外。將碳刷與刷握解體后分別進行檢查，檢查發現此類碳刷表面相對平整，表面曲度與滑環一致，無明顯劃痕，但是碳刷的刷辮已失去光澤，呈灰黑狀，部分碳刷的刷辮已脆化，一拉即斷。

為進行對比分析，按上述要求拆除了部分低溫碳刷，解體檢查發現此類碳刷表面平整，部分區域曲度與滑環一致，表面無劃痕，碳刷完好；測量發現，低溫碳刷均為檢修時新更換的碳刷。

2.3 原因分析

通過設備結構分析可知，電流從固定件集電環經刷握傳送至碳刷并輸送至轉動件滑環上。結合碳刷、刷握的結構(見圖1)分析，電流從刷握傳送至碳刷的途徑有兩條，一條為經刷辮傳輸，另一條為經刷握、碳刷接觸面傳輸。測量發現，刷辮傳輸電流為主導方式，占比90%以上。因此碳刷溫度最高點一般為刷辮位置，與溫度測量結果一致。

圖1 碳刷及刷握結構

結合檢查情況和檢修記錄分析，初步判定碳刷溫度兩極分化異常原因為檢修時一次性更換的碳刷數量較多且新更換的碳刷未進行表面曲度打磨，導致新更換的碳刷與滑環成線接觸而不是面接觸形式，接觸面偏小引起單個碳刷的電流偏小；而原有的碳刷經過磨損，與滑環成標準的面接觸，接觸面積大導致單個碳刷的電流偏大；由此導致不同碳刷的溫度出現兩極分化的現象。

由檢查情況分析，碳刷打火的原因初步判斷為某碳刷的刷握底座存在輕微位移，引起刷握前移導致金屬部位與滑環摩擦形成間歇性打火現象，部分金屬碎屑被吸附到滑環表面，滑環轉動期間破壞了同高度的碳刷表面，形成劃痕并引起打火現象。

3 現場處理

因故障出現在汛期，機組處于滿負荷運轉狀態，長時間停機將造成巨大的經濟損失。為降低經濟損失，在臨時短時間停機(不超過8 h)的條件下，采取如下臨時控制措施來維持碳刷溫度在可控范圍，具體如下：

3.1 碳刷更換

對所有碳刷進行檢查，考慮到刷辮斷裂將導致碳刷失去輸送勵磁電流的能力，更換刷辮因過熱導致變色甚至斷裂的碳刷；按滑環曲度使用專用工具進行打磨，確保碳刷表面曲度一致；更換了部分磨損嚴重、長度偏短的碳刷。

3.2 強制通風

強制通風可以加強空氣對流，第一時間帶走熱量，避免熱量堆積形成局部過熱點。為加強通風效果，拆除了發電機集電裝置處的集塵罩，將碳刷徹底暴露在滑環室，促進散熱和碳粉溢出；在滑環室對稱布置了兩臺鼓風機，強制往滑環室內送風，實現冷熱空氣對流循環，達到降低碳刷整體溫度的效果。

3.3 滑環處理

考慮到部分碳刷已出現了打火現象，滑環可能已存在局部損壞。在機組停運期間，對滑環進行細致檢查，發現滑環表面存在堅硬的附著物，通風槽區域存在金屬毛邊。使用銼刀、磨石對滑環表面進行打磨、處理，利用磨石打磨滑環表面的附著物，將附著物從滑環表面清除，確保滑環表面平滑、潔凈；利用銼刀打磨滑環通風槽，清除金屬毛邊并形成導角，確保滑環表面平整，碳粉溢出正常。

3.4 碳刷底座調整

將碳刷底座重新進行位置調整并固定，完成后進行碳刷預安裝，檢查刷握金屬部位與滑環距離合適，無明顯位移。確保刷握金屬部位與滑環無摩擦現象。

3.5 無功負荷轉移

考慮到勵磁電流的大小取決于功率和電壓，其中有功功率、電壓基本不變，適當降低無功功率不影響機組穩定運行要求且能實現勵磁電流下調的目的，將該機組的無功功率部分轉移至其余機組，使勵磁電流從3 100 A下降至3 040 A左右，有效減輕了碳刷過流壓力。

發電機空載運行時，勵磁電流約1 600 A，碳刷溫度約60 ℃。

單個碳刷的平均電流計算公式為：I單個=I勵/n。現場單極碳刷共33個，計算可知，勵磁電流從3 100 A下降至3 040 A后，單個碳刷的平均電流I單個=92 A，下降了約2 A。

碳刷溫度與電流大小關系近似為正比關系，計算可知，單個碳刷電流每增(減)1 A，溫度升(降)約1 ℃。與實測數據基本一致。

4 處理效果

臨時處理完成后，機組投入滿負荷運行狀態，檢查發現，碳刷運行正常，無跳動、間歇性打火等異常現象。使用紅外測溫儀測量發現，各碳刷溫度基本一致，維持在103 ℃左右。基本達到了控制碳刷溫度，避免個別碳刷溫度異常偏高的目的。

5 結語

碳刷溫度偏高受很多因素影響，降低碳刷溫度的關鍵在于最大限度地降低流過該碳刷的勵磁電流。通過轉移無功負荷，更換故障碳刷實現了降低、均衡各碳刷的電流的目的，利用滑環處理消除了碳刷打火帶來的滑環損傷隱患，采取強制通風起到了加快散熱的作用。

由于碳刷過熱現象一般出現在機組滿負荷運行狀態下，長時間停機改造將造成巨額的經濟損失，采取合適的方法在短時間進行小范圍處理，對過熱現象進行控制避免事態擴大、惡化是一條相對合理的途徑。通過采取上述方法最終實現了保障機組安全、穩定運行目的，最大限度降低經濟損失的要求，為其他電廠處理同類問題提供了參考。