淺談黃葛灝水電站水輪發(fā)電機(jī)滑環(huán)碳刷發(fā)熱的原因分析

1、關(guān)于黃葛灝電站水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷滑環(huán)發(fā)熱的分析預(yù)防和應(yīng)急處理富益電力股份有限公司黃葛灝電站 陳 凌摘 要：碳刷和滑環(huán)是發(fā)電機(jī)動(dòng)靜接觸和交換能量的設(shè)備，是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的重要組成部分。但是運(yùn)行中由于很多原因，時(shí)常出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，嚴(yán)重危及發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。本文通過(guò)分析勵(lì)磁碳刷滑環(huán)發(fā)熱的產(chǎn)生發(fā)展,引起碳刷、滑環(huán)發(fā)熱的因素,結(jié)合幾年來(lái)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),總結(jié)出發(fā)熱的處理及嚴(yán)重發(fā)熱時(shí)實(shí)用可行的兩種應(yīng)急處理方法，實(shí)用中取得了很大成效。進(jìn)一步針對(duì)性地提出了正常運(yùn)行的維護(hù)和注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞：碳刷滑環(huán)  發(fā)熱  分析預(yù)防  應(yīng)急處理1  前言黃葛灝電廠3500千瓦機(jī)組勵(lì)磁方式為靜止

2、型可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)刷架與導(dǎo)電環(huán)合二為一，其材料為鑄鋼，外圓周表面歷次檢修使用不銹鋼焊條堆焊后車(chē)銷(xiāo)處理。每個(gè)導(dǎo)電環(huán)上分別設(shè)置一排碳刷，刷握采用恒壓式，為增加集電環(huán)表面和碳刷的接觸面積，每極布置碳刷12只，電刷與集電環(huán)無(wú)獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，冷空氣直接對(duì)集電環(huán)和電刷進(jìn)行冷卻，也無(wú)專(zhuān)門(mén)收集碳粉的裝置。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子額定勵(lì)磁電壓240V，額定勵(lì)磁電流255A。碳刷是發(fā)電機(jī)動(dòng)靜接觸和交換能量的設(shè)備，碳刷運(yùn)行的好壞，直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全，然而實(shí)際運(yùn)行中，碳刷與滑環(huán)發(fā)熱現(xiàn)象極為普遍，如果不能及時(shí)有效地采取措施加以處理，或者處理不得當(dāng)，將會(huì)擴(kuò)大故障，造成嚴(yán)重發(fā)熱、滑環(huán)燒壞，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)停機(jī)事故；造成不必要的損

3、失。2  碳刷和滑環(huán)發(fā)熱的產(chǎn)生發(fā)展過(guò)程碳刷正常運(yùn)行中的溫度一般在5080，（溫升40左右），碳刷電流分布整體比較平衡，每塊碳刷工作電流在10A50A。刷握彈簧壓力比較均勻，碳刷活動(dòng)自如且無(wú)振動(dòng)卡澀現(xiàn)象。碳刷與滑環(huán)運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量由冷空氣帶走，即發(fā)熱與散熱達(dá)到基本平衡。正常運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)負(fù)荷增加電流增大或個(gè)別碳刷工況變差時(shí)，溫度會(huì)有短時(shí)少量增加或者不增加，系統(tǒng)能夠維持平衡或達(dá)到新的平衡狀態(tài)。但是如果碳刷變短、接觸電阻和附加電阻變大、刷握彈簧壓力變小、碳刷運(yùn)行工況變差，當(dāng)工作電流增加，溫度變化時(shí)系統(tǒng)的平衡能力降低，部分碳刷溫度將升高，從而整個(gè)系統(tǒng)溫度升高，有時(shí)甚至達(dá)到無(wú)法控制狀態(tài)。發(fā)熱時(shí)

4、電刷和集電環(huán)溫度高達(dá)100以上，最嚴(yán)重時(shí)達(dá)到200左右。此時(shí)碳刷工作狀態(tài)越來(lái)越差，碳刷電流分布很不均勻，少數(shù)碳刷電流達(dá)到100A，而另一些碳刷電流接近于零。大量碳刷出現(xiàn)不正常的跳動(dòng)或卡澀，并出現(xiàn)大量火花，刷辮燒斷或脫辮，碳刷與滑環(huán)摩擦聲音變得尖銳刺耳。3  引起碳刷、滑環(huán)發(fā)熱的因素 碳刷發(fā)熱量由4部分組成：碳刷自身電阻發(fā)熱Q1、碳刷接觸壓降發(fā)熱Q 2、磨擦發(fā)熱Q3、刷辮與碳刷接觸電阻和散流電阻發(fā)熱Q4。碳刷自身電阻發(fā)熱：Q1I2·R （其中：I流過(guò)碳刷的電流，R碳刷電阻）碳刷接觸壓降發(fā)熱：Q2I·U（其中：U接觸壓降）磨擦發(fā)熱：Q3F·v （其中：F碳刷

5、壓緊力，v碳刷與滑環(huán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度）接觸電阻和散流電阻發(fā)熱：Q4=I2·r (其中: I流過(guò)碳刷的電流, r接觸電阻和散流電阻等效值)碳刷總體發(fā)熱量為:QQ1+Q2+Q3+Q4這四部分在碳刷發(fā)熱總量中所占比例大小,隨著碳刷運(yùn)行階段及狀況的改變而不斷變化。 滑環(huán)的發(fā)熱由3部分組成：滑環(huán)自身電阻發(fā)熱Q11 、碳刷接觸壓降發(fā)熱Q 22 、碳刷熱傳導(dǎo)熱量Q 33。滑環(huán)的總體發(fā)熱量為:QQ11+Q 22+ Q 33在滑環(huán)發(fā)熱總量中，滑環(huán)自身電阻發(fā)熱Q11所占比例甚小,可以互略；所以滑環(huán)的發(fā)熱由碳刷的發(fā)熱量決定，隨著碳刷溫度的整體變化，滑環(huán)溫度隨之將有不同程度的變化。 4 

6、碳刷運(yùn)行中發(fā)熱的起因分析 碳刷電阻值增大碳刷使用過(guò)程中電阻值（包括自身電阻、刷辮與碳刷接觸電阻和散流電阻）逐漸增大；滑環(huán)氧化膜太厚，使碳刷接觸電阻大大增加，一方面使碳刷本身發(fā)熱；另一方面使勵(lì)磁電流分流到其它回路電阻小的碳刷上。同時(shí)使其他碳刷的電阻發(fā)熱增加。 碳刷卡阻碳刷通過(guò)電流后發(fā)熱，刷體膨脹，易卡在刷握，這時(shí)拉動(dòng)刷辮感覺(jué)很緊；部分碳刷由于振動(dòng)、刷握不垂直等原因，會(huì)在刷握一側(cè)的上沿和另一側(cè)下沿產(chǎn)生明顯卡阻，這幾種形式卡阻，用鉗表仍可測(cè)得電流，容易被誤導(dǎo)，但碳刷卻已經(jīng)失效，致使其它碳刷分配的電流增加，發(fā)熱增加。 碳刷壓力減小雖然為恒壓刷握，但各個(gè)彈簧壓力存在差異。用手拉動(dòng)刷握彈簧，可明

7、顯感覺(jué)不同彈簧的壓力差異；而且在碳刷磨短過(guò)程中，彈簧壓力也會(huì)不同程度減少。壓力小到一定程度，接觸不穩(wěn)定，接觸壓降增大，接觸壓降發(fā)熱明顯增加。同時(shí)由于彈簧壓力不足，刷握和碳刷加長(zhǎng)增加了碳刷側(cè)面磨擦阻力，碳刷被阻在握內(nèi)。 碳刷接觸面形成氣膜碳刷在允許最大速度下運(yùn)行，很容易在碳刷接觸面產(chǎn)生氣膜和跳動(dòng)，使流過(guò)碳刷的電流不穩(wěn)定。在滑環(huán)表面開(kāi)凹槽和磨花碳刷接觸面雖然可以破壞氣膜。但卻使碳刷實(shí)際的接觸面積減小。 電流平衡的破壞一般情況下，碳刷與滑環(huán)接觸面的接觸緊力較大，即接觸壓降小，所有碳刷工況相近，每條碳刷的電流大小接近，刷體的平均溫度較低，碳刷間電流相對(duì)穩(wěn)定平衡。運(yùn)行一段時(shí)間后，碳刷的磨損量相近，但出現(xiàn)

8、了氧化膜（氧化膜應(yīng)均勻并有光澤）、氣膜、卡阻等因素，碳刷磨短或彈簧壓力降低，碳刷接觸面的接觸緊力減小，碳刷間電流重新分配，每條碳刷的電流差別增大。這個(gè)階段時(shí)間長(zhǎng)，且逐漸變化，不容易引起警覺(jué)。當(dāng)環(huán)境溫度升高或勵(lì)磁電流增加時(shí)，隨時(shí)可引起發(fā)熱，造成平衡破壞。 5  發(fā)熱的處理  當(dāng)發(fā)熱處于初期，發(fā)熱溫度不高，如100以?xún)?nèi)，此時(shí)可以采用調(diào)整部分工作不良的碳刷的方法。如更換磨損較短的以及工作電流很小的碳刷；調(diào)整或更換部分彈性較小刷握的彈簧；處理碳刷卡澀等措施，優(yōu)化電流分配，減少發(fā)熱量。 適當(dāng)降低發(fā)電機(jī)的無(wú)功負(fù)荷，減少勵(lì)磁電流，從而降低碳刷的工作電流，減輕發(fā)熱。 出現(xiàn)個(gè)別碳刷

9、斷辮或脫辮，可先減小勵(lì)磁電流；出現(xiàn)環(huán)火，則大量減小勵(lì)磁電流，調(diào)整碳刷電流平衡后更換碳刷。不可強(qiáng)行更換大量碳刷。 外加散熱裝置，增加散熱量。6  發(fā)熱嚴(yán)重時(shí)應(yīng)急處理  當(dāng)溫度升高達(dá)到120以上，采取更換碳刷或調(diào)整刷握的措施已經(jīng)不能降低整體溫度，因?yàn)樾聯(lián)Q碳刷與滑環(huán)接觸面積較少且不光滑，加上在這種惡劣工作環(huán)境下，無(wú)論分配的電流多少，熱傳導(dǎo)使其溫度短時(shí)間很高，因此不能良好工作。另外由于整體溫度較高，所有碳刷、刷握的工作條件很差，溫度短時(shí)不但不能降低，而且將可能繼續(xù)升高。此時(shí)最重要的措施是找出故障起因，降低工作溫度，改善碳刷、刷握的工作條件。 采用拔除故障碳刷的方法a如果正常運(yùn)行中，

10、工作電流和環(huán)境溫度變化不大，而碳刷溫度嚴(yán)重升高，部分碳刷出現(xiàn)振動(dòng)，這種情況主要可能是因?yàn)樯倭刻妓⒐收弦穑ㄈ珉娮柙龃?、彈簧壓力減小、，碳刷卡澀、碳刷斷辨等）。此時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確判斷出引起發(fā)熱的碳刷，將其拔除，消除“害群之馬”。使其他運(yùn)行正常的碳刷重新正常工作，進(jìn)入正常平衡狀態(tài)。這種做法的關(guān)鍵是做出準(zhǔn)確判斷，故障碳刷一般表現(xiàn)為振動(dòng)較大，電流較大，其溫度高于整體溫度。如果不能判斷或判斷不準(zhǔn)確，可以用試驗(yàn)的方法每隔一段時(shí)間依次取出一把碳刷，直至整體溫度出現(xiàn)明顯降低。待系統(tǒng)溫度恢復(fù)正常后，再將所取出碳刷處理良好重新裝上。b效果分析碳刷設(shè)計(jì)上有很大余度，故拔除少量碳刷不影響正常運(yùn)行，拔除故障碳刷一方面去除了發(fā)熱

11、嚴(yán)重的碳刷，抵制了溫度進(jìn)一步升高，另一方面消除或降低了產(chǎn)生振動(dòng)的因素。 采用涂抹凡士林的方法a用潔凈的軟毛刷蘸取少量的干凈的凡士林，輕輕地涂于滑環(huán)表面；或者取下刷握將凡士林涂于碳刷頂部。涂抹凡士林時(shí)切記注意安全，要做到少量多次均勻。在很多次出現(xiàn)嚴(yán)重發(fā)熱時(shí)，碳刷與滑環(huán)溫度升到120以上，整體溫度很高，電流分布很不平衡。碳刷有輕微抖動(dòng)現(xiàn)象。我們?cè)谔妓⒑突h(huán)涂抹少量凡士林，經(jīng)過(guò)幾分鐘后溫度由120多度迅速降低到80左右；又過(guò)了幾分鐘降到了60左右，恢復(fù)了正常。由此可見(jiàn)，此種方法是卓有成效值得一試的，尤其是振動(dòng)為引起發(fā)熱主導(dǎo)因素的機(jī)組，可以有效減輕振動(dòng)效應(yīng)。通過(guò)處理，避免了不必要的停機(jī)事故。b功能分析

12、凡士林為油壯物質(zhì)，常用作潤(rùn)滑劑。具有良好的粘附性、抗水性、拉絲性、低溫性和化學(xué)安定性，用于金屬零件、機(jī)器的防銹和橡胗軟化劑。外觀為淡褐色至深褐色均質(zhì)無(wú)塊軟膏，滴熔點(diǎn)為45-80，運(yùn)動(dòng)粘度(100)1030mm2/s。閃點(diǎn)（開(kāi)口）不低于190。由其性能特點(diǎn)可見(jiàn)，涂抹凡士林，使碳刷得到很好潤(rùn)滑，大大降低振動(dòng)，使接觸部位得到良好接觸，同時(shí)滴熔時(shí)也吸收了少量熱量；清除了滑環(huán)上部分碳粉和灰塵。改善了碳刷的工作條件。所以可以很快降低整體溫度。7  正常運(yùn)行的維護(hù)和注意事項(xiàng) 檢查集電環(huán)上的碳刷有無(wú)冒火現(xiàn)象，如出現(xiàn)火花，應(yīng)設(shè)法進(jìn)行處理，碳刷發(fā)生火花的原因和消除方法見(jiàn)表1：表1 碳刷發(fā)生火花的原因和消

13、除方法出現(xiàn)火花可能的原因和性質(zhì)消除方法碳刷研磨不良，其接觸面積過(guò)少重新研磨碳刷碳刷型號(hào)不符合規(guī)定，或不同型號(hào)碳刷用在同一集電環(huán)上更換制造廠指定的或經(jīng)過(guò)試驗(yàn)合格的碳刷刷架位置不對(duì)調(diào)整刷架位置，使其軸線與集電環(huán)的軸線平行刷握與集電環(huán)之間的間隙不符合規(guī)定調(diào)整其間隙使其符合要求（34mm）碳刷和引線，引線和端子間連接松動(dòng)，發(fā)生局部火花擰緊碳刷和引線彈簧發(fā)熱變軟失去彈性，碳刷壓力不均更換彈簧（碳刷在刷握中應(yīng)能自由活動(dòng)，碳刷壓力應(yīng)為0.0150.02Mp）碳刷磨損后長(zhǎng)度過(guò)短更換碳刷碳刷在刷握內(nèi)搖擺或積垢不能在刷握內(nèi)自由活動(dòng)，火花隨負(fù)荷增加而增大檢查碳刷在刷握內(nèi)能否自由活動(dòng)，更換搖擺和滯澀的碳刷，清理刷握積

14、灰集電環(huán)磨損不均或表面不平，跳動(dòng)過(guò)大及機(jī)組振動(dòng)過(guò)大引起碳刷振動(dòng)，火花隨振動(dòng)而變查明振動(dòng)原因并消除，在停機(jī)時(shí)檢查集電環(huán)的狀態(tài) 經(jīng)常檢查碳刷的活動(dòng)情況。用提刷的方法檢查鑒定碳刷在刷握內(nèi)上下活動(dòng)是否自由，有無(wú)卡刷和碳刷焊附在刷握壁的現(xiàn)象（碳刷與刷握配合的間隙太小會(huì)產(chǎn)生卡刷現(xiàn)象；碳刷受力不合理時(shí)，會(huì)產(chǎn)生碳刷焊附現(xiàn)象，當(dāng)碳刷工作時(shí)上下微動(dòng)，碳刷與刷握壁之間的接觸電阻逐漸降低達(dá)到一定程度時(shí)，由于熱和電的作用，碳刷就粘附在刷握壁上而失去了上下活動(dòng)的能力）。當(dāng)發(fā)生有卡刷和碳刷焊附現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即研磨碳刷和清理刷握內(nèi)壁，使碳刷恢復(fù)上下自由活動(dòng)能力。 經(jīng)常檢查刷辮是否完好，碳刷是否有脫辮現(xiàn)象，導(dǎo)線是否氧化及是否有燒

15、斷股線現(xiàn)象等。接觸是否良好，有無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象，如出現(xiàn)發(fā)黑或燒傷等現(xiàn)象，則應(yīng)該更換碳刷。 檢查有無(wú)碳刷顫振的情形。集電環(huán)磨損不均，碳刷松弛，機(jī)組振動(dòng)等原因都將會(huì)引起碳刷顫振，此時(shí)必須將其從刷握中拔出檢查是否有損壞情形，查明顫振原因并消除。為有效減小振動(dòng)，刷握最低點(diǎn)距離滑環(huán)34毫米，既保證足夠間隙余度，又可以減小振動(dòng)現(xiàn)象。 檢查刷握和刷架上有無(wú)積垢，定期用刷子掃除或吹風(fēng)機(jī)吹凈；每次停機(jī)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)清除集電環(huán)表面劃痕溝槽內(nèi)的積垢。 控制碳刷電流分配和溫度變化。配備直流鉗形電流表和遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀，定期測(cè)量和掌握集電環(huán)表面無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象，其溫度應(yīng)不高于120；每個(gè)碳刷電流控制在1050A，刷體溫度控制在不大于80，

16、及時(shí)消除電流不平衡、氣膜、氧化膜、卡阻等因素，保證碳刷在良好平衡狀態(tài)工作。 檢查碳刷的磨損程度。刷塊邊緣是否存在剝落現(xiàn)象，如果碳刷磨損嚴(yán)重或刷塊有剝落現(xiàn)象，就必須更換。正常運(yùn)行中，一般碳刷磨損掉 13，或碳刷在刷握內(nèi)有搖擺的情形，應(yīng)及時(shí)更換，消除碳刷太短、電阻值變大、卡阻、階梯形四面體等現(xiàn)象。8  碳刷更換當(dāng)運(yùn)行中的電刷磨損到其頂部?jī)H高出刷握頂部約3mm時(shí)，應(yīng)更換新的電刷；更換碳刷應(yīng)在機(jī)組啟動(dòng)前進(jìn)行，如機(jī)組在運(yùn)行中，更換時(shí)應(yīng)視情況適當(dāng)降低無(wú)功；一般情況下，在同一時(shí)間內(nèi)，每個(gè)刷架上最多更換1/5的碳刷，且新舊型號(hào)必須一致，不同型號(hào)的碳刷不能用到同一個(gè)集電環(huán)上；更換碳刷應(yīng)由有經(jīng)驗(yàn)的人員執(zhí)行。工作人員應(yīng)站在絕緣墊上，不得接觸兩極或一手接觸碳刷一手接地。碳刷使用前要進(jìn)行適形研磨（磨?。缓蟛旁试S投入使用，磨弧專(zhuān)用工具按集電環(huán)、碳刷架裝置仿制，新更換的碳刷要保證有一定電流，達(dá)到良好工作狀態(tài)。9  結(jié)論發(fā)電機(jī)碳刷和滑環(huán)發(fā)熱現(xiàn)象運(yùn)行中時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。因此，對(duì)集電環(huán)和碳刷的監(jiān)視、維護(hù)并及時(shí)處理其發(fā)生的故障和損傷，是保證發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要工作之一。運(yùn)行中觀察是否有火花及火花的大小，集電環(huán)和碳刷裝置的溫升及噪聲。開(kāi)機(jī)時(shí)，應(yīng)檢查構(gòu)成滑動(dòng)接觸的各個(gè)部件的工作是否正常，氧化膜是否過(guò)厚或過(guò)薄，集電環(huán)的表面狀態(tài)是否良好，碳刷鏡面是否光亮，碳刷體在刷