330MW汽輪發電機高速集電環電刷過熱原因分析與處理

吳 昊

（廣州恒運熱電（D）廠有限責任公司，廣東 廣州 510730）

某電廠使用東方汽輪機機組，額定負荷330MW，水氫氫方式冷卻，設計采用機端變-靜止可控硅自并勵勵磁方式。額定參數如表1所示。

表1 勵磁系統參數一覽表

本公司采購的碳刷型號是NCC634，其尺寸為25*38.1*102，額定電流密度為10A/cm2，肖式硬度為20，摩擦系數為0.29，接觸壓降為2.50V。

1 集電環作用和原理

發電機勵磁電流經由靜止的碳刷通過旋轉的集電環正級流入轉子繞組，再由集電環負極平均分成32份通過32個負極碳刷導入勵磁整流負極，形成閉合回路。勵磁電流流向順序為：勵磁間直流正極→32個靜止碳刷正極→集電環正極→轉子繞組正極→轉子繞組負極→集電環負極→32個靜止碳刷負極→勵磁間直流負極。其中集電環又稱為滑環，隨轉子同步轉動，它的作用是收集勵磁中的直流電并導入轉子繞組中，為定子繞組創造高速旋轉的感應電磁場。

集電環密封罩均勻分布有通風孔，通風孔與表面呈30°傾角，如圖1所示。在冷卻風扇旋轉過程中，可以在滑環表面形成負壓，對碳刷進行冷卻，并吸走摩擦產生的碳粉，防止滑環集粉，冒火。碳刷安裝在刷架上，通過恒壓彈簧的壓迫，碳刷可以與集電環有效的接觸。如圖2所示。

圖1 集電環冷卻風扇

圖2 碳刷

2 碳刷過熱的影響因素

根據熱平衡原理可知，碳刷的發熱因素有碳刷電流產生的電熱效應以及機械摩擦產生的機械熱；同時碳刷也存在散熱效應，主要為自然散熱方式和冷卻風散熱方式。

式中，P——總的發熱功率；Pi——電流熱功率；Pj——機械產生的熱功率；Ps——散熱功率。

2.1 碳刷的載流大小直接影響到碳刷的熱效應

根據焦耳定律，每個碳刷的發熱功率Pi與通過碳刷的電流以及碳刷的內阻有關。

式中，I——流經碳刷的電流；R——碳刷的內阻。

由公式可知，碳刷的電熱功率與流過碳刷的電流平方成正比關系。

其中：α為載流密度；A為碳刷與滑環接觸面面積。

可以看出，在載流密度為定值的情況下，發熱功率與碳刷和滑環的接觸面積的平方成正比關系。在理論運行過程中，每個碳刷與滑環都有效接觸，則每個碳刷被均勻地分配了相等的電流，它們溫升也是相等的，便不會出現某個碳刷溫度異常升高的現象。而在實際運行中，每個碳刷與滑環的接觸面都不相等，則所分配到的電流也不相同，而且有的相差很大，那么它們的溫升也就不會相等。

2.2 集電環散熱能力的影響

集電環散熱方式分為自然散熱和強迫散熱，自然散熱則表現為刷架、支架等與周圍空氣的自然換熱。強迫散熱則通過強制通風表現：集電環支架均勻分布有通風孔，通風孔與表面呈30°傾角，在調整旋轉過程中，可以在滑環表面形成負壓，對碳刷進行通風冷卻。當通風所帶走的熱量與碳刷的發熱量相等的時候，便形成了一個熱平衡，此時碳刷溫度將會穩定在一個溫升范圍內。負荷低的時候，因為碳刷的發熱量較小，溫升也會相應的減小；而在負荷高的情況下，碳刷的發熱量會大幅提高，那么在通風冷卻能力沒有提高的情況下，溫升則會平衡在一個比較高的范圍。在長期運行中，通風孔的工作環境為溫度高、粉塵濃度高的集電環室。因為粉塵的黏附力與濃度、空氣溫度、空氣濕度成正比關系，與流速成反比關系。而在運行過程中，通風孔會被粉塵附著，導致通風能力下將，流過通風孔的壓力差降低，也會加重粉塵的黏附情況，導致惡性循環。

2.3 機械發熱的影響

在碳刷的發熱中電阻發熱與電流有關，而機械發熱則與摩擦、跳動、擺動等機械因素有關。碳刷的肖式硬度比集電環的合金肖式硬度小很多，幾乎不對集電環造成磨損。但是集電環上偶爾附著的粉塵顆?？赡軐姯h造成一定的磨損，而且對碳刷的磨損更大，所以一部分的機械發熱是由于接觸面的磨損造成的。碳刷的跳動和擺動會使碳刷與集電環的接觸情況惡化，可能會出現接觸面不整潔，邊緣不整齊，甚至于崩角的現象，會更加惡化碳刷的工作環境，使機械發熱和電流熱效應加大，從而帶來碳刷過熱隱患。

2.4 氧化膜的影響

在高速轉動過程中，集電環與碳刷的摩擦也會使接觸面形成氧化膜，可以減小摩擦系數，降低摩擦帶來的熱量。然而當碳刷溫度過高超過90℃時，會影響氧化膜的形成，甚至使接觸面沒法形成氧化膜，這種情況下碳刷的摩擦系數會增大，從而使碳刷的摩擦發熱量增大。同時氧化膜具有一定的電阻，被破壞后接觸面電阻降低，導致碳刷分流大，熱效應大，溫度更高，從而導致惡性循環。

3 碳刷過熱的處理措施

3.1 防止碳刷載流不均勻

在運行過程中，應對碳刷的溫度嚴密監控，定期巡查并用紅外溫度計進行測量，通過對全部碳刷的溫度把控，可以及時發現個別碳刷過熱的情況，如表2所示。從表2可以看出12C碳刷的溫度最高，其溫度達到120℃。取下12號碳刷，發現接觸面（如圖3所示），碳刷與集電環的接觸面不均勻，并出現有邊緣不齊、崩角現象。檢驗得出刷架彈簧壓力正常，但碳刷四周表面有很明顯的摩擦痕跡，可知碳刷的上下滑動受到阻礙，動作不靈活，所以碳刷與集電環的接觸不良好，導致摩擦不均勻，摩擦力增大，有硬性碰撞，機械發熱增大。所以對12號碳刷用砂紙進行細磨：對接觸面契合集電環的弧面打磨；對四周進行表面打磨；對棱角進行圓滑打磨，保證碳刷和刷架的間隙為1~2mm。表面吹灰再次安裝后，溫度下降到67℃。

圖3 12號碳刷磨損情況實物圖

表2 240MW負荷每個碳刷的溫度匯總表

3.2 保證新舊碳刷型號的一致性

新舊碳刷型號的一致性可以保證每個碳刷的載流密度和尺寸相同，根據公式，通過碳刷的電流也相同均勻。則電流的熱效應平均。不同批次的碳刷也會存在導電性能和物理結構不同而導致載流能力和耐磨能力不同。近期新更換的碳刷在運行過程中出現過熱現象較多，磨損，崩角的情況頻繁出現，針對這種情況，我們更換了同型號碳刷，溫度也得到一定的降低。

3.3 對載流能力低的碳刷進行更換，減小“油霧”影響

在分析每個碳刷的溫度時，發現有一些碳刷的溫升不正常的小。而這些碳刷具有以下特征：a.這些碳刷都很長時間沒有更換過；b.這些碳刷的長度都不長，小于1/4。這些碳刷在長期運行過程中，集電環負極與發電機軸承距離小，而發電機軸承處潤滑油以“油霧”的形式微量外漏；集電環冷卻風扇引起的負壓效應，會使這些“油霧”吸附到集電環負極表面，導致接觸面鏡面，從而大大降低其載流能力，分配到的電流遠遠小于平均電流，以致于電流熱效應降低，所以溫升不正常的小。鏡面也大大降低與接觸面的摩擦，所以遠遠低于正常的磨損，故長度長時間不縮短。但這些碳刷的載流降低，大大增加了其他碳刷的載流，導致其他碳刷的電流熱效應增大。針對這些情況，我們對溫升較低的2A碳刷進行更換，2A碳刷也上升到了正常值，同時其他碳刷的溫升也有了一定的下降。

3.4 改善冷卻風通風環境

冷卻通風風量的大小直接影響了碳刷的散熱效率，通風口積灰堵塞，造成通風口的通流面積減小，根據公式

其中v是流速，A是通風口截面積。

風量越大，攜帶粉塵的能力越大，冷卻和清灰的能力就越大。所以保證通風口的清潔也可以降低碳刷的溫升。于是對通風口用壓縮空氣進行清灰處理，減小了冷卻風的流通阻力，同時增大了冷卻風的有效通流面積。提高了碳刷散熱效率。

4 成效檢查

根據理論分析并結合該廠實際運行情況，實施以下臨時措施：（1）對彈簧壓力過低的刷架進行更換，提高碳刷與滑環表面貼合的可靠性。（2）對崩角的碳刷進行更換，對摩擦面不均勻的碳刷進行矯正性的打磨，增大碳刷與滑環表面的接觸面積。（3）對冷卻通風孔、滑環表面以及碳刷進行清灰，使散熱效率大大提升。（4）全面性地對每個碳刷進行紅外線測溫，對溫升不正常低的碳刷進行接觸面打磨，減小碳刷表面油膜影響。在進行了全面的施策之后，再次對#2、#5、#11、#12碳刷進行溫度測量，如表3所示?？梢钥闯觯拜d流能力低，溫升不正常小的2A、11B、11C、11D碳刷，溫度明顯上升至平均水平，而之前過熱的12B和12C碳刷溫度也降至正常。

表3 施策前后碳刷溫度對比情況

5 碳刷過熱的預防措施

通過理論分析與實際情況，現可提出以下幾點預防措施：（1）針對實際情況，集控增配直流鉗表，用于對碳刷分流情況的測量和掌握，主動預防分流不均現象的出現，及時采取相關措施。（2）建立碳刷臺賬制度，對碳刷更換日期和頻次進行動態跟蹤，以便及時發現因無明顯缺陷而長期未換碳刷現象的發生。（3）碳刷更換的長度為1/3，應嚴格執行，防止長度過短導致彈簧壓迫力不足引起的電熱效應和機械熱效應。

6 結論

集電環和碳刷過熱制約機組的帶負荷能力，給電廠帶來經濟損失，嚴重的將危及機組的安全運行和電網的穩定。通過以上對集電環和碳刷過熱的原因分析和應對措施，可以幫助運行人員更高效地找出問題原因和采取有效措施。