汽輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)和碳刷的維護(hù)與檢修

楊成余

（河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003）

2003年，河北某發(fā)電廠6號(hào)機(jī)組運(yùn)行時(shí)正極集電環(huán)環(huán)火嚴(yán)重，打閘停機(jī)。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，該機(jī)組正極集電環(huán)外表面(碳刷接觸面)被燒成麻點(diǎn)且變色，內(nèi)表面靠近導(dǎo)電螺釘附近被嚴(yán)重電灼傷，大軸被灼傷彎曲。搶修9天后機(jī)組并網(wǎng)投入正常運(yùn)行。

2008年，河南某電廠2號(hào)發(fā)電機(jī)負(fù)極集電環(huán)下部出現(xiàn)連續(xù)火花，有電弧放電現(xiàn)象，并伴隨濃煙和較大的放電聲，造成機(jī)組緊急停機(jī)。該事故造成直接經(jīng)濟(jì)損失25萬(wàn)元，間接經(jīng)濟(jì)損失2 700萬(wàn)元。

國(guó)內(nèi)電廠發(fā)生多次輕重程度不同的集電環(huán)環(huán)火故障，造成機(jī)組降出力或停運(yùn)。集電環(huán)和碳刷故障直接影響發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至造成重大損失。

1 集電環(huán)和碳刷故障的原因

(1) 碳刷刷握與集電環(huán)機(jī)械磨損。刷握螺栓松動(dòng)或者卡槽變形，使得刷握最底端與集電環(huán)表面發(fā)生硬磨擦，產(chǎn)生零星火花。

(2) 碳刷與刷握的間隙過(guò)大或過(guò)小。若碳刷與刷握之間的間隙過(guò)小，則會(huì)使碳刷在刷握內(nèi)上下自由滑動(dòng)困難，甚至有可能卡住碳刷；若碳刷與刷握之間的間隙過(guò)大，則會(huì)使碳刷在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)晃動(dòng)，與集電環(huán)接觸不穩(wěn)定，甚至使碳刷“啃邊”。以上2種情況不僅會(huì)使集電環(huán)過(guò)熱，而且還有可能使碳刷與刷握側(cè)壁產(chǎn)生電流通路，出現(xiàn)碳刷附焊現(xiàn)象。

(3) 碳刷壓力調(diào)整不當(dāng)。若碳刷壓力過(guò)小，則會(huì)使碳刷與集電環(huán)接觸不良，容易產(chǎn)生火花使集電環(huán)過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至燒蝕集電環(huán)使之出現(xiàn)麻點(diǎn)；若碳刷壓力過(guò)大，則會(huì)使碳刷與集電環(huán)的摩擦力增大，不僅會(huì)加劇機(jī)械磨損，而且會(huì)使集電環(huán)因摩擦發(fā)熱量較多而產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象。

(4) 碳刷電流超出規(guī)定值。理論上如果各碳刷工況相近，則每個(gè)碳刷的電流大小相等，平均分布。但實(shí)際上，由于受碳架構(gòu)造、彈簧壓力、集電環(huán)表面氧化膜、氣膜、碳刷長(zhǎng)短等因素的影響，各碳刷的電流分布不均，存在個(gè)別碳刷電流過(guò)大或過(guò)小的現(xiàn)象。并且隨著環(huán)境溫度的升高，勵(lì)磁電流的增加，個(gè)別碳刷的電流可能會(huì)超出碳刷的允許電流值，從而導(dǎo)致集電環(huán)溫度升高。

(5) 碳刷的負(fù)溫度效應(yīng)。碳刷具有負(fù)溫度特性，即隨著碳刷溫度的升高，接觸電阻反而降低，且在80～100 ℃時(shí)最低，但超過(guò)100 ℃時(shí)則急劇增加。這對(duì)接觸面的穩(wěn)定和各碳刷間的均流極為不利。當(dāng)碳刷開(kāi)始發(fā)熱時(shí)，因負(fù)溫度效應(yīng)，接觸電阻減少，電流增加，碳刷發(fā)熱，直至接觸電阻降至最低，電流升至最大，形成惡性循環(huán)，使碳刷加劇劣化。

(6) 碳刷表面無(wú)法形成或形成不良的氧化膜，不能起到潤(rùn)滑作用。氧化膜的形成需要適宜的溫度(一般為70 ℃)、濕度、含氧量。溫度、濕度、含氧量過(guò)高或過(guò)低，都不利于氧化膜的形成。另外，空氣中的油氣、鐵屑、碳粉等也不利于碳刷表面氧化膜的形成。

(7) 集電環(huán)表面不光潔。集電環(huán)表面如有鐵銹、毛刺或粘有灰塵、油污、碳粉，將影響碳刷通流，增大接觸電阻，增加電損耗和摩擦損耗，引起溫度過(guò)高。長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生電弧灼傷，使得集電環(huán)表面產(chǎn)生麻點(diǎn)和凹槽，致使碳刷與集電環(huán)接觸面變小，接觸電阻變大，溫度升高。

(8) 油霧和粉塵的污染。某些集電環(huán)冷卻方式為兩側(cè)進(jìn)風(fēng)，集電環(huán)易受油霧污染，易粘灰塵，導(dǎo)致碳刷因積灰嚴(yán)重而卡澀。

(9) 集電環(huán)通風(fēng)孔積灰堵塞。集電環(huán)表面存有螺旋散熱溝，鉆有斜向通風(fēng)孔，并在2個(gè)集電環(huán)中間加有同軸風(fēng)扇，向外排風(fēng)。如果維護(hù)不當(dāng)，容易導(dǎo)致通風(fēng)孔積灰堵塞，影響集電環(huán)的冷卻。如果出風(fēng)道與入風(fēng)道離得很近，還會(huì)引起出入風(fēng)道串風(fēng)，大大降低冷卻效果。

(10) 集電環(huán)同心度超標(biāo)或發(fā)電機(jī)軸瓦振動(dòng)過(guò)大。集電環(huán)同心度超標(biāo)或者發(fā)電機(jī)軸瓦振動(dòng)過(guò)大，均會(huì)引起碳刷在刷握中跳動(dòng)，使得碳刷邊角缺損，集電環(huán)與碳刷接觸不良，從而導(dǎo)致碳刷溫度升高，甚至發(fā)生環(huán)火。

2 集電環(huán)和碳刷的日常維護(hù)項(xiàng)目

碳刷的日常維護(hù)通常是在電機(jī)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行，要注意做好防止電擊和被轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械卷住的措施。

(1) 每日應(yīng)對(duì)碳刷做直觀檢查。觀察是否有火花及火花的大小。如果發(fā)現(xiàn)碳刷產(chǎn)生火花，應(yīng)設(shè)法及時(shí)處理。

(2) 每日應(yīng)檢查碳刷有無(wú)抖動(dòng)、跳動(dòng)現(xiàn)象。如果碳刷有抖動(dòng)、跳動(dòng)現(xiàn)象，必須拔出該碳刷所在刷握，檢查碳刷是否損壞、集電環(huán)表面磨損是否均勻、機(jī)組振動(dòng)是否過(guò)大，并及時(shí)消除故障。

(3) 每日應(yīng)用紅外測(cè)溫儀測(cè)量集電環(huán)表面溫度，其溫度應(yīng)不高于120 ℃；測(cè)量碳刷刷體溫度，其溫度應(yīng)不高于80 ℃。每周應(yīng)進(jìn)行1次發(fā)電機(jī)集電環(huán)、碳刷及正負(fù)極銅排接頭的紅外成像測(cè)溫，記錄當(dāng)時(shí)發(fā)電機(jī)的有功功率、無(wú)功功率、勵(lì)磁電流、環(huán)境溫度、碳刷和集電環(huán)的溫度情況，并進(jìn)行劣化趨勢(shì)分析。有條件的企業(yè)，可以增設(shè)集電環(huán)碳刷溫度、隔音罩內(nèi)環(huán)境溫度、冷卻風(fēng)扇出風(fēng)溫度在線監(jiān)測(cè)裝置，將溫度值遠(yuǎn)傳至集控室監(jiān)控畫(huà)面，并設(shè)置高溫報(bào)警裝備。

(4) 每日應(yīng)用直流鉗形電流表測(cè)量每個(gè)碳刷的電流，將每個(gè)碳刷的電流控制在20～100 A，及時(shí)消除電流不平衡現(xiàn)象，保證碳刷電流在允許載流量范圍內(nèi)。

(5) 每日應(yīng)檢查碳刷的磨損情況。當(dāng)碳刷磨損到其頂部?jī)H高出刷盒頂部約3 mm或碳刷有剝落現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換碳刷；同時(shí)要控制每次更換的碳刷數(shù)量，每天最多更換每個(gè)刷架上20 %的碳刷，并做好詳細(xì)記錄。記錄內(nèi)容包括：更換碳刷的位置，新更換碳刷的生產(chǎn)廠家、型號(hào)、采購(gòu)批次、直阻，更換后碳刷的電流值，更換周期。同一集電環(huán)上使用的碳刷必須是同廠家、同型號(hào)、同批次的產(chǎn)品。碳刷更換必須由有經(jīng)驗(yàn)的電氣專(zhuān)業(yè)人員執(zhí)行，工作人員應(yīng)戴絕緣手套或橡膠手套，站在絕緣膠皮(墊)上，不得同時(shí)接觸集電環(huán)的兩極或一只手接觸碳刷而另一只手接觸金屬外殼。碳刷應(yīng)在套有細(xì)砂紙的磨弧專(zhuān)用工具(按集電環(huán)、碳刷架裝置仿制的工具)上適當(dāng)研磨后，才能投入使用，并且不宜采用金剛砂紙研磨碳刷，以防金剛砂顆粒嵌入螺旋通風(fēng)槽內(nèi)，擦傷碳刷和集電環(huán)表面。新更換的碳刷要保證20～100 A的電流，以保證良好的工作狀態(tài)。

(6) 每周應(yīng)檢查碳刷的活動(dòng)情況，保證碳刷能夠在刷握中上下自由移動(dòng)，碳刷與刷握內(nèi)壁的間隙應(yīng)控制在0.1～0.3 mm之間?？捎锰崽妓⒌姆椒▉?lái)檢查判斷碳刷在刷握內(nèi)有無(wú)卡澀現(xiàn)象。如有卡刷和碳刷焊附現(xiàn)象，應(yīng)立即拔出碳刷，對(duì)其進(jìn)行研磨并清理刷握內(nèi)壁的積灰積塵，使碳刷能夠上下自由移動(dòng)。

(7) 每周應(yīng)檢查碳刷刷辮是否有固定螺栓松動(dòng)、導(dǎo)線變色、燒傷或斷股現(xiàn)象，并及時(shí)更換發(fā)黑、燒傷或斷股的碳刷。當(dāng)刷辮的螺栓受發(fā)熱或振動(dòng)的影響而發(fā)生松動(dòng)時(shí)，應(yīng)立即緊固。

(8) 每周應(yīng)檢查集電環(huán)表面、刷握、刷架上有無(wú)過(guò)多的碳粉，每月應(yīng)用干燥的壓縮空氣清理集電環(huán)、刷架裝置附近特別是絕緣部件上的碳粉及積塵，以避免降低勵(lì)磁回路的絕緣電阻。并且，所用的壓縮空氣必須經(jīng)過(guò)干燥、除油處理。如果集電環(huán)表面過(guò)于臟污，可用干凈的白布蘸四氯化碳擦拭，使其保持潔凈光亮。

(9) 每周應(yīng)使用壓縮空氣和吸塵器清理1次隔音罩內(nèi)的雜物和積塵，并且隔音罩內(nèi)的座式軸承下絕緣墊片表面及周?chē)膊辉试S附著碳?jí)m、灰塵和油污等。檢修維護(hù)人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)油檔的檢修維護(hù)，避免出現(xiàn)滲漏油現(xiàn)象，以減少對(duì)集電環(huán)的污染。

(10) 機(jī)組運(yùn)行期間，每月應(yīng)測(cè)量1次發(fā)電機(jī)軸電壓。

(11) 應(yīng)加強(qiáng)對(duì)供貨廠家的資質(zhì)審查，選用業(yè)績(jī)優(yōu)秀、質(zhì)量?jī)?yōu)良的廠家。每次碳刷的采購(gòu)數(shù)量要滿足在2年內(nèi)碳刷更換采用同廠家、同型號(hào)、同批次產(chǎn)品的要求。有關(guān)人員應(yīng)共同對(duì)碳刷備件進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收時(shí)要抽檢10 %碳刷的電阻值。除保證日常更換外，其余的大批碳刷備件應(yīng)貯存在物資部倉(cāng)庫(kù)內(nèi)，貯存環(huán)境的溫度、濕度等應(yīng)符合要求，以防止碳刷備件受潮損壞。倉(cāng)庫(kù)保管人員、運(yùn)行人員應(yīng)每月對(duì)碳刷備件進(jìn)行抽檢，以掌握碳刷備件的貯存狀態(tài)是否正常。

3 集電環(huán)和碳刷停機(jī)時(shí)重點(diǎn)檢查項(xiàng)目

(1) 每次機(jī)組停運(yùn)期間，均應(yīng)清理集電環(huán)螺旋通風(fēng)溝、斜向通風(fēng)孔內(nèi)的碳粉和積塵，以免影響通風(fēng)效果。

(2) 為使正、負(fù)集電環(huán)的磨損均勻，每隔一段時(shí)間(至少1次/年)交換發(fā)電機(jī)的集電環(huán)極性。如果因系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)集電環(huán)的極性交換，可在汽機(jī)房勵(lì)磁母線正、負(fù)極分叉處增加1套勵(lì)磁封母極性互換裝置，通過(guò)改變封母連接方式實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)集電環(huán)的極性定期互換。改造前、后一次系統(tǒng)接線如圖1和圖2所示。圖2虛線部分為勵(lì)磁封母極性互換裝置，可通過(guò)改變母線聯(lián)結(jié)片改變母線連接方式。

(3) 停機(jī)時(shí)應(yīng)檢查刷架各處的固定螺栓是否緊固、底板有無(wú)變形，集電環(huán)表面有無(wú)劃痕、灼痕，集電環(huán)有無(wú)變形偏心。對(duì)于集電環(huán)表面的凸凹點(diǎn)，要視集電環(huán)損蝕的程度采取相應(yīng)的方法。對(duì)于灼傷深度小于1 mm、損傷面積在20 %下的輕度損蝕，可先用細(xì)銼與油石打磨，然后用0號(hào)拋光砂布清除毛刺與麻點(diǎn)(用專(zhuān)用木瓦輔助)，最后用白布蘸少許四氯化碳溶液對(duì)集電環(huán)表面精拋光；對(duì)于劃傷或灼傷較嚴(yán)重的凸凹點(diǎn)，可用重新精車(chē)的方法進(jìn)行處理，保證同軸度、圓度、圓柱度≤0.02 mm，粗糙度≤0.4μm。

(4) 每次機(jī)組檢修期間，應(yīng)分別測(cè)量正、負(fù)極集電環(huán)，集電環(huán)與發(fā)電機(jī)端蓋之間，集電環(huán)與發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)末端軸承之間等部位轉(zhuǎn)子軸的晃動(dòng)值。

(5) 在機(jī)組大、小修時(shí)，應(yīng)進(jìn)行集電環(huán)的硬度檢驗(yàn)和表面探傷。

4 運(yùn)行中碳刷發(fā)熱或環(huán)火的處理方法

圖1 改造前的一次系統(tǒng)接線

圖2 改造后的一次系統(tǒng)接線

(1) 若出現(xiàn)個(gè)別碳刷斷辮或脫辮時(shí)，可先適當(dāng)降低發(fā)電機(jī)的無(wú)功負(fù)荷，減小勵(lì)磁電流。出現(xiàn)環(huán)火時(shí)，應(yīng)大量減小勵(lì)磁電流，從而降低碳刷的工作電流，減輕碳刷的發(fā)熱。

工藝流程。原料→挑選→除梗去核→破碎→酶法液化→調(diào)整成分→酒精發(fā)酵→粗過(guò)濾→醋酸發(fā)酵→過(guò)濾、澄清→殺菌→調(diào)配、裝瓶→殺菌、成品。

(2) 先調(diào)整電流較小的碳刷，不動(dòng)故障碳刷。一般情況下，故障碳刷電流比較大，通過(guò)調(diào)整、打磨其他碳刷，使電流重新分配，可使故障碳刷電流下降，從而使故障碳刷溫度下降，環(huán)火消失。

(3) 拔除故障刷握。刷握下邊緣距集電環(huán)表面的距離一般約2 mm，下邊緣一般為薄鋼板，由于刷握長(zhǎng)期運(yùn)行，薄鋼板受熱變形，可能與集電環(huán)產(chǎn)生硬摩擦，形成環(huán)火。對(duì)于此類(lèi)故障，應(yīng)沿圓周挨個(gè)拔除刷握，逐一觀察環(huán)火有無(wú)變化，如果環(huán)火無(wú)變化則將刷握插回去，繼續(xù)拔下一個(gè)，直到故障消失，并處理故障刷握下邊緣鋼板變形的情況。

(4) 優(yōu)化碳刷電流分配，減小故障碳刷通過(guò)的電流值。當(dāng)碳刷發(fā)熱或環(huán)火處于初期，碳刷發(fā)熱溫度不高(在100 ℃以內(nèi))時(shí)，可先不動(dòng)打火的碳刷，而是先調(diào)整磨損變短的、工作電流很小的、彈性較小的碳刷，通過(guò)調(diào)整碳刷，使電流均勻分配。實(shí)踐證明，同一圓周上正負(fù)極碳刷極性互換，也可暫時(shí)消除碳刷打火現(xiàn)象。

(5) 檢查恒壓彈簧壓力值是否在推薦的范圍(對(duì)D172型碳刷的壓力值為12～15 N)內(nèi)。所有恒壓彈簧維持相同的壓力是保證碳刷穩(wěn)定工作和各碳刷之間電流均勻分布的重要因素。明顯的壓力差異往往會(huì)表現(xiàn)為碳刷不同的磨損率，在運(yùn)行中應(yīng)根據(jù)碳刷及集電環(huán)的磨損情況檢查和判斷彈簧的工作狀況，并使壓力盡可能均勻。如果恒壓彈簧壓力不足，應(yīng)予以更換。一些刷握的彈簧鉚在刷握上，更換彈簧必須更換整個(gè)刷握，會(huì)造成浪費(fèi)，應(yīng)將刷握結(jié)構(gòu)改造為可更換彈簧的結(jié)構(gòu)。停機(jī)檢修時(shí)，測(cè)量各彈簧壓力，若壓力偏差較大，也應(yīng)進(jìn)行更換。

(6) 清潔集電環(huán)表面，清除集電環(huán)表面毛刺。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，可拔出一塊刷握，用干凈白布包緊在電木前面，蘸四氯化碳溶液，頂在集電環(huán)上，清理表面積污。沿軸向依次拔出各刷握，挨個(gè)清理集電環(huán)表面。將頻閃儀速度調(diào)至與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一致，可觀察到集電環(huán)表面的粗糙情況，如果表面有毛刺或輕微麻點(diǎn)，可用水磨石或0號(hào)砂布予以清除。

(7) 清理隔音罩進(jìn)、出通風(fēng)口，保持風(fēng)道通暢，增加散熱量。必要時(shí)，可采取外部強(qiáng)迫降溫的方法，如安裝大功率風(fēng)扇通風(fēng)或加裝空氣噴頭，采用干燥無(wú)油的壓縮空氣強(qiáng)制降溫，使集電環(huán)溫度降到正常范圍內(nèi)。同時(shí)要注意避免通風(fēng)口處軸瓦滲漏油、周?chē)羝孤┮约按罅糠蹓m聚積。

(8) 涂抹凡士林。取下刷握，將凡士林涂在碳刷接觸面或者用潔凈的軟毛刷蘸取少量的凡士林，涂在集電環(huán)表面，但要做到少量、多次、均勻。由于凡士林的潤(rùn)滑作用，碳刷與集電環(huán)接觸良好，同時(shí)凡士林滴熔時(shí)可吸收少量熱量，帶走集電環(huán)表面部分碳粉和灰塵，改善碳刷運(yùn)行條件，快速降低集電環(huán)和碳刷溫度。

(9) 測(cè)量勵(lì)磁電流的交流分量，判斷是否因交流分量竄入引起碳刷打火。

(10) 當(dāng)發(fā)電機(jī)碳刷出現(xiàn)連續(xù)火花和放電現(xiàn)象且經(jīng)處理效果不明顯時(shí)，應(yīng)果斷地打閘停機(jī)。

5 結(jié)論

認(rèn)真研究集電環(huán)和碳刷的磨損、溫度變化、結(jié)構(gòu)變形、螺栓緊固等情況，制定可執(zhí)行的維護(hù)和檢修方案，做到按時(shí)維護(hù)，該修必修，修必修好，從而有效抑制發(fā)電機(jī)集電環(huán)和碳刷維護(hù)不當(dāng)引起的過(guò)熱、環(huán)火等事故，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。除了上述的維護(hù)和檢修方法外，還可通過(guò)修訂運(yùn)行規(guī)程相關(guān)內(nèi)容，明確規(guī)定集電環(huán)和碳刷出現(xiàn)過(guò)熱、跳動(dòng)、火花甚至環(huán)火等緊急狀況時(shí)的處理方法及進(jìn)行緊急停機(jī)的處理措施，以避免事故擴(kuò)大。

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