火電廠600MW汽輪發電機碳刷打火的原因及處理方法

崔小雷

(大唐國際托克托發電有限責任公司，內蒙古 托克托 010206)

目前，電力系統中的各類同步發電機均采用直流勵磁，向同步發電機轉子勵磁繞組提供直流勵磁電流的裝置稱為勵磁系統。勵磁系統對同步發電機的運行性能和運行安全有重要影響，大型汽輪發電機組均采用勵磁變與勵磁控制系統和滑環-碳刷勵磁的方式。在正常情況下，碳刷在刷握中被彈簧壓緊與滑環緊密接觸，其壓力在拉伸20mm～80mm時，一般為1.4kg～1.9kg之間，且當各彈簧拉伸到80mm時，其相互間的拉力差不超過0.15kg；刷握為四組合盒式刷握，碳刷為摩根碳刷，截面尺寸為25.4×38.1mm2，每臺汽輪發電機為128只；刷握與刷座導電面配研導，要求接觸面積大于80%，接觸面鍍銀；配研后，刷座與刷握打上配對標記，在運行中嚴格配對使用；電環及刷座采用黃銅板H68;導電環及刷座組裝前整體鍍銀，因此，在處理集電環通風溝時一定要注意不能用砂紙或堅硬物摩擦、刮削集電環。就集電環本身來說，因其與發電機同軸，所以，同發電機一起被汽輪機拖動，勵磁變變壓后的電能通過勵磁整流系統將交流電變換為直流電，直流電又通過刷架、刷辮和碳刷將電能通過集電環輸送給勵磁繞組，即供給發電機轉子繞組勵磁。但是勵磁變直流電的送出是通過刷架上的碳刷送出的，因此，實際的運行中就存在著碳刷打火的現象。下面就汽輪發電機勵側碳刷運行中遇到的實際問題，結合筆者10余年的工作經驗，就汽輪發電機勵側碳刷打火的原因及處理方法進行了探討。

某廠目前共12臺汽輪發電機組，各汽輪發電機的勵磁系統均采用勵磁變-整流系統勵磁，就勵側刷架上的碳刷打火而言，雖然碳刷下小部分微弱火花對集電環運行并無危害，但如果火花范圍擴大或程度強烈，則將燒灼集電環和碳刷，使其表面粗糙并留有灼痕，而不光滑的集電環表面與粗糙的碳刷接觸，又會使火花程度加強，因此，實際運行中應避免碳刷打火，使火花不超過一定的等級。一般情況下，正常工作情況下其火花等級不超過1級，強行勵磁時不超過2級火花。這幾臺機組均有過碳刷打火現象只是輕重程度不同。

通過表1可以看出，同步汽輪發電機碳刷打火的危害，那么碳刷打火的原因是什么呢？從以下幾個方面加以分析考慮。

表1 直流電機火花等級

1 電磁方面的原因

1.1 接觸問題

由于勵側集電環被汽輪機拖動同步轉動，電樞繞組切割定子磁場感應出交變電勢，而只有通過集電環和碳刷的共同作用，才能將勵磁系統整流后的直流電送入轉子繞組，因此，實際運行中雖然不存在電樞繞組的換向問題，但是存在著由于碳刷和集電環接觸不良導致碳刷運行中存在打火現象。這里的接觸不良原因有很多，常見的有正集電環和負集電環磨損后高低不平，導致碳刷與集電環的接觸面積不能達到廠家設計要求值；碳刷由于振動有部分脫落，脫落后的碳刷與集電環成多點接觸導致點狀火花產生；碳刷牌號不對或質量不好，導致碳刷在刷握中卡澀，碳刷磨損后不能保證與集電環緊密接觸，間隙過大而打火；刷握品牌不對或刷握與刷架的接觸面積不滿足要求而打火。

1.2 電樞繞組短路

根據實踐經驗分析判斷有兩種情況，一種是繞組存在短路匝在同一支路，另一種是短路匝不在同一支路，由于匝間短路發生后產生環流，使匝間短路部位產生局部過熱，在這種情況下，碳刷打火較為明顯，如長時間過流滿負荷電流運行，則會把集電環表面燒壞，嚴重時出現麻坑，同時，由于有阻尼繞組的存在，使阻尼繞組也會有局部過熱的情況，會對機組出力和調峰造成一定影響，可能會造成發電機增減負荷時產生振動，造成機組振動超標進而產生事故。

1.3 電樞繞組斷路

當電樞繞組線圈局部發生短路時，隨著時間的推移，過熱部位如果在焊接部位且焊接部位受電動力沖擊后有部分扁銅片斷裂，這時候在迅速調峰時就有可能造成電樞繞組過熱燒斷，當電樞繞組斷路后勵磁電流消失，嚴重時會造成汽輪發電機轉子“飛車”。

1.4 電樞線圈匝間短路或集電環短路

其情況同電樞繞組短路，線圈局部過熱，這種情況會造成碳刷打火嚴重、甚至產生環火燒壞集電環的碳刷。

2 機械方面的原因

①大修后，發電機或汽輪機轉子不到位或中心找不正，引起軸向竄動或徑向振動。②大修后或運行中刷架位置有偏移，使碳刷偏離零位。③發電機或汽輪機底腳或螺絲松動，造成徑向振動或機組其他方面原因造成的振動。④換向片磨損使片間云母突出。⑤碳刷在刷握內松動或壓力不均及壓力太小。⑥碳刷型號不一，調換不當，對于全部碳刷50塊以下每次只許更換～，50塊及以上只許更換～。某廠的600MW汽輪發電機的正集電環64塊碳刷，負集電環64塊碳刷。⑦碳刷使用前磨得弧度不好或碳刷太硬引起跳振。⑧正、負集電環長期運行磨損嚴重，失圓。⑨刷握離換向器距離太大。

3 化學方面的原因

集電環在正常運行時，集電環表面與碳刷間將形成一層薄膜，由于這層薄膜電阻較大能夠有效地阻礙附加電流產生。這層薄膜有4層構成，第一層是整流子銅表面上生成的氧化亞銅。在銅表面，由于整流子與碳刷間有水汽(空氣中攜帶)電流流過時，就會產生電解作用，整流子銅表面生成一層氧化亞銅，它可以減少碳刷與整流子表面的損蝕。第二層是附著在氧化亞銅上的石墨薄膜，這是從碳刷上磨下來的炭粉，起著減少摩擦作用。第三層是石墨薄膜上吸附著的氧氣和潮氣，起潤滑作用。第四層是炭粉和整流子表面間的所有剩余空間充滿著塵埃微粒和空氣，這些微粒使表面間相對滑動摩擦減小，而且當空氣電離時還可能成為導電途徑。

從以上分析可見，集電環與碳刷打火的原因很多，也很復雜，那么針對這一情況我們應采取怎樣的措施呢？主要從以下幾個方面考慮。

3.1 加強平時的保養維護工作，保護氧化膜不被破壞

檢查刷架緊固情況、碳刷的磨損情況及碳刷壓力是否得當，隨時加以調整，整流子表面有無灰塵油垢，云母溝內有無炭粉、銅沫、油垢，如有及時清理，可用皮老虎吹凈。

3.2 停機檢修時，應認真做好檢修工作

主要檢查以下幾方面：①靜子繞組各線包間的接頭，有無松動斷裂；②靜子主極及換向極繞組有無油浸過熱和漆皮變色脫落現象，線圈緊固在鐵芯上應無磨損；③靜子磁鐵無變色過熱，螺絲應無松動；④刷架無裂紋，拆裝位置嚴格對應；⑤轉子表面應無過熱生銹，通風孔無堵塞；⑥電樞繞組端部墊塊應無松弛、斷裂、開焊等現象，觀察層間絕緣是否過熱變色。

4 碳刷的選用

碳刷的作用是引導電樞電流，從這一作用看碳刷接觸電阻應小，以免引起過大的接觸壓降，現今生產的碳刷中，碳-石墨碳刷接觸電阻大，石墨碳刷和電化石墨碳刷次之，青銅-石墨和紫銅-石墨電阻最小。碳刷接觸面處的溫度將影響接觸電阻，溫度升高電阻下降，碳刷具有負溫度系數。

碳刷的型號和牌號選用是一個非常復雜的問題，除了溫度外，環境介質對碳刷接觸電阻也有影響，如：碳刷、換向器的材料、接觸面上的電流密度、施于碳刷的單位壓力都會影響接觸電阻。因此，碳刷的選用對于碳刷是否打火是十分關鍵的部分，在平常的維護和大小修中認真檢查碳刷磨損情況、彈簧壓力大小并及時加以調整，以使集電環與碳刷良好運行，這時非常重要的。

5 結束語

實際運行火電廠600MW汽輪發電機碳刷打火原因很多，而且碳刷打火現象較為普遍，因此，需要我們具體問題具體分析，多方面考慮，找出原因所在加以消除，解決實際問題，同時要加強日常維護工作，隨時觀察碳刷換向器的運行情況，發現問題及時解決，只要我們認真抓好各方面工作，600MW汽輪發電機碳刷打火的現象是可以解決的。