大型發(fā)電機勵磁碳刷超溫分析及處理

摘 要：文章針對大型發(fā)電機勵磁碳刷超溫問題，系統(tǒng)分析了碳刷發(fā)熱產(chǎn)生的機理以及碳刷超溫的各項因素，根據(jù)原因分析有針對性的提出處理措施，為大型發(fā)電機碳刷超溫維護處理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：勵磁碳刷；超溫；處理方法

1 概述

大型發(fā)電機組多采用靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，勵磁系統(tǒng)輸出勵磁電流至碳刷，通過與發(fā)電機滑環(huán)的摩擦接觸，勵磁電流送至發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路中，正常情況下發(fā)電機轉(zhuǎn)子以3000r/min速度高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動摩擦部位為安全運行的薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)場碳刷振動以及碳刷超溫現(xiàn)象非常常見，若冒火嚴重可能發(fā)生滑環(huán)環(huán)火，導(dǎo)致發(fā)電機停機，造成重大的損失。

2 系統(tǒng)介紹

文章以220kV出線，600MW火力發(fā)電機組為例，分析其勵磁碳刷超溫機理及處理方法，設(shè)備主要參數(shù)如表所示。

3 發(fā)電機碳刷超溫機理分析

NCC634牌號碳刷，摩擦系數(shù)小，電阻系數(shù)適中，自潤滑能力強，抑制火花性能優(yōu)良[1]，正常運行中碳刷電流分布整體比較均衡，溫度一般在50～80℃，滑環(huán)與碳刷摩擦產(chǎn)生的熱量由通風系統(tǒng)帶走。異常情況下，因通風不良、接觸電阻增大或碳刷刷握異常等問題，將導(dǎo)致碳刷溫度上升超溫。碳刷發(fā)熱一般由三部分組成：碳刷接觸壓降發(fā)熱，碳刷自身電阻發(fā)熱和磨擦發(fā)熱。即：

3.1 碳刷接觸壓降發(fā)熱

Q1=I？駐E（I-流過碳刷的電流，？駐E-接觸壓降）。根據(jù)現(xiàn)場實測，碳刷的接觸壓降？駐E一般2V左右，則估算的接觸壓降損耗為：Q1= I？駐E=4366×2=8732W，當接觸壓降提高時，Q1將同步提高。

3.2 碳刷自身電阻發(fā)熱

Q2=I2R（I-流過碳刷的電流，R-碳刷電阻和接觸電阻總和）。不考慮接觸電阻情況下，在現(xiàn)場對NCC634碳刷電阻值進行測量，單根碳刷阻值在0.2歐姆附近，在發(fā)電機額定無功出力且64只碳刷均流情況下，I=4366/64=68.2A，則估算的電氣損耗為：W2=I2R=68.222× 0.2=930.2W，考慮接觸電阻的影響，發(fā)熱量將成基數(shù)倍增長。

3.3 磨擦發(fā)熱

Q3=F·V（F-碳刷壓緊力，V-碳刷與滑環(huán)的相對運動速度）。正常情況下，勵磁系統(tǒng)采用恒壓刷握，壓緊力相對固定，此部分熱量變化較小，但在熱量統(tǒng)計時也應(yīng)考慮此部分發(fā)熱對碳刷超溫的影響。

碳刷總體發(fā)熱量為：Q=Q1+Q2+Q3，發(fā)電機正常運行時碳刷將產(chǎn)生比較可觀的發(fā)熱量，異常情況下發(fā)熱量將持續(xù)增加，熱量的持續(xù)累積將使碳刷和集電環(huán)溫度超過100℃，甚至到達150℃以上，超過或接近滑環(huán)及碳刷溫度限值（120℃），此種狀態(tài)下滑環(huán)絕緣套筒將會老化加劇，壽命縮短，嚴重時絕緣受損，發(fā)生發(fā)電機滑環(huán)燒毀或轉(zhuǎn)子接地等事故。

4 發(fā)電機碳刷超溫因素的分析

基于上述超溫機理可以看出，對于碳刷發(fā)熱問題，影響的因素包括碳刷電流的變化、碳刷電阻、接觸電阻值的增大以及碳刷壓緊力等方面。目前，根據(jù)現(xiàn)場情況，總結(jié)歸納出超溫的因素主要包括以下幾方面：

4.1 運行過程中電阻值增大

鑒于現(xiàn)場環(huán)境以及使用時間等因素影響，隨著碳刷和刷辮間的接觸電阻增大，碳刷的電阻值逐漸增大，碳刷自身電阻發(fā)熱將增大；另外滑環(huán)氧化膜過厚，使得碳刷與滑環(huán)之間的接觸電阻大大增加，使得碳刷自身發(fā)熱量將遞增，為了維持機組無功的正常輸出，電流將分流到其他阻值小的回路上，造成其他碳刷的發(fā)熱量上升。

4.2 電流平衡被打破

正常運行時，碳刷在恒壓彈簧的壓緊力作用下，刷握與滑環(huán)接觸面的接觸緊力較大，接觸壓降較小，碳刷本體的溫度相對較低，碳刷間電流維持平衡狀態(tài)。異常情況下，因為氧化膜被破壞、碳刷磨損變短或彈簧壓緊力變小等原因，可能導(dǎo)致碳刷間弱平衡破壞，碳刷間電流二次再分配，個別碳刷電流迅速增大，造成溫度急劇上升，刷體膨脹卡死后，電流將轉(zhuǎn)移到其他碳刷，惡性循環(huán)發(fā)展，甚至出現(xiàn)滑環(huán)環(huán)火惡性事件。電流平衡被打破的因素主要有以下幾點：

4.2.1 日常檢查維護工作不到位

當運行中的碳刷磨損量達1/3時，在刷握彈簧的作用下，碳刷雖然還能與集電環(huán)接觸，但此時壓緊力將大大降低，此時該碳刷與集電環(huán)的接觸電阻將基數(shù)倍的遞增，影響整個勵磁電流的分布，必須及時進行碳刷更換工作。此外在維護時，應(yīng)定期使用直流鉗表測量碳刷電流，分析各碳刷電流分布情況。根據(jù)工況的不同，碳刷電流一般調(diào)整為40～90A之間，刷體溫度控制在90℃以下，個別碳刷電流偏差較大，應(yīng)單獨取下進行研磨調(diào)整，使各個碳刷電流基本平衡，保持碳刷工作狀態(tài)良好。

4.2.2 碳刷選型不當

不同廠家或同廠家不同型號碳刷在碳刷電阻以及規(guī)格尺寸上均不一樣，碳刷的日常磨損量也不一樣，不同型號碳刷運用在同個勵磁系統(tǒng)中碳刷電流差異會較大，無法實現(xiàn)均流的效果，容易超溫，因此在碳刷選用上尤為重要的是替換的碳刷必須為同型號、同廠家的備件。

4.2.3 碳刷調(diào)整、更換頻次不正確

碳刷在運行過程中磨損需要定期進行更換，由于新、舊碳刷的阻值以及與滑環(huán)的滑動配合等特性不一致，一次性更換碳刷過多，引起了電流在刷盒及電刷間的不均分布[2]，則將打破原來已形成的平衡狀態(tài)，部分碳刷電流增大，出現(xiàn)碳刷發(fā)熱、打火現(xiàn)象。因此更換碳刷的數(shù)量宜采用少量多次，逐步替換的原則。對文章所提發(fā)電機組在同一時段內(nèi)，每次更換應(yīng)以不超過總量的五分之一為宜，即不超過十二只。

4.2.4 其他原因

大型發(fā)電機組的軸系都較長，振動較難控制在最優(yōu)狀態(tài)，滑環(huán)本身跳動，造成與碳刷之間接觸不良；滑環(huán)通風溝槽或表面內(nèi)積碳粉，無法可靠接觸；滑環(huán)表面溝槽磨損嚴重造成冷卻效果欠佳，以上原因都將造成碳刷超溫。

4.3 碳刷刷握本身原因?qū)е?/p>

機組運行中，由于發(fā)電機振動的影響以及碳刷自身發(fā)熱，將導(dǎo)致刷握調(diào)節(jié)螺栓松動；同時在熱脹熱縮作用下，恒壓彈簧將徑向膨脹。假設(shè)刷握與集電環(huán)距離調(diào)節(jié)不好導(dǎo)致間隙過小，在此情況下會造成刷握與集電環(huán)之間摩擦，碳粉的氧化膜將被破壞，嚴重時碳刷會打火，并且破壞已建立的弱平衡狀態(tài)，使碳刷溫度升高。

4.4 通風不良造成碳刷發(fā)熱不能全部散出

通風不良主要是因為冷卻風道、集電環(huán)表面通風溝及通風孔堵塞，循環(huán)風扇風量下降[3]。當運行中集電環(huán)表面溫度過高時，導(dǎo)致碳刷磨損加劇，碳粉積聚增加，堵塞集電環(huán)表面的散熱通道。

5 勵磁碳刷超溫的處理措施

（1）當碳刷溫度未超過90℃時，可采取調(diào)整部分工作狀態(tài)不佳的碳刷的辦法。對電流小、磨損較大的碳刷的進行更換；調(diào)整或更換彈性壓力較差刷握彈簧，實現(xiàn)電流均勻分配。

（2）減少發(fā)電機無功負荷，降低勵磁電流，減少流過碳刷的工作電流，降低發(fā)熱量。

（3）出現(xiàn)個別碳刷斷辮時，也可立即調(diào)整發(fā)電機發(fā)出無功負荷以降低勵磁電流，待碳刷電流比較均衡后再更換碳刷備件，不可強行更換大量備件。

（4）檢查清理通風口，確保風道暢通。當溫度超過100℃時，如采取更換碳刷或調(diào)整刷握的方法，因新碳刷正常情況下為方形且表面相對粗糙，開始時與弧形滑環(huán)點狀接觸，接觸面較少，無論其流經(jīng)的電流多少，通過熱傳導(dǎo)都將使碳刷溫度升高，已經(jīng)不能降低整體溫度，此時通風冷卻效果尤為關(guān)鍵，通過降低工作溫度，改善碳刷、刷握的工作條件。

（5）涂抹凡士林。凡士林是一種烷系烴或飽和烴類半液態(tài)的混合物，其熔點在46-54℃之間，可用于機器潤滑。將凡士林涂抹碳刷上能夠起到很好的潤滑作用，降低振動，同時其熔點較低的特性在較高溫度下熔化后能夠帶走部分熱量，并且將溶于其中的碳粉和灰塵一起清除，改善碳刷的工作環(huán)境，因此該方法能夠較快的降低整體溫度。機組運行中，可用軟刷涂抹少量干凈的凡士林，輕刷于滑環(huán)表面，或直接取下刷握將凡士林涂抹于碳刷的頂部，涂抹時按均勻、少量、多次的原則。此方法對振動引起碳刷發(fā)熱和減小碳刷振動有較好效應(yīng)。

（6）判斷問題碳刷的方法。運行中，如果工作條件變化較小，而碳刷溫度升高較多，可能是因個別碳刷缺陷引起（如彈簧壓力變小、碳刷斷辮、電阻增大等），這種情況下應(yīng)能準確判斷出引起發(fā)熱的故障碳刷并將其更換，使其它碳刷不受影響，能夠重新進入正常平衡狀態(tài)。此做法的關(guān)鍵是做出準確判斷，故障碳刷與其它碳刷相比，一般表現(xiàn)為電流或振動較大、有時其溫度高于整體溫度。如無法準確判斷，可用采用試驗的手段，間歇性依次取出刷握，觀察整體溫度變化情況，明顯降低可判斷為該取出碳刷故障。

（7）加強日常運行監(jiān)視和維護工作。定期測試每個碳刷溫度、電流并做好記錄和分析；對電流偏差較大的碳刷及時進行調(diào)整更換；利用機組停運機會及時清理滑環(huán)和通風系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

發(fā)電機勵磁碳刷滑環(huán)超溫現(xiàn)象運行中時有發(fā)生，文章詳細的介紹了大型發(fā)電機勵磁碳刷發(fā)熱的機理，在此基礎(chǔ)上，重點對碳刷超溫原因進行分析，并結(jié)合實際工作經(jīng)驗對超溫問題如何處理進行詳細闡述，上述措施的綜合運用，對于有效降低發(fā)電機碳刷溫度，消除碳刷打火現(xiàn)象，保證了機組的安全運行，可以作為參考和借鑒。

參考文獻

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[3]宋強義，曹鳳波.汽輪發(fā)電機集電環(huán)、碳刷發(fā)熱原因分析[J].東北電力技術(shù)，2010，31（4）：32-34.

作者簡介：張偉明（1982-），男，本科，工程師，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)在福建省鴻山熱電有限責任公司工作。