摘 要：文章針對大型發(fā)電機(jī)勵磁碳刷超溫問題，系統(tǒng)分析了碳刷發(fā)熱產(chǎn)生的機(jī)理以及碳刷超溫的各項(xiàng)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(jī)碳刷超溫維護(hù)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(jī)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(jī)滑環(huán)的摩擦接觸，勵磁電流送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中，正常情況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以3000r/min速度高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動摩擦部位為安全運(yùn)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(yán)重可能發(fā)生滑環(huán)環(huán)火，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)停機(jī)，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(jī)組為例，分析其勵磁碳刷超溫機(jī)理及處理方法，設(shè)備主要參數(shù)如表所示。

3 發(fā)電機(jī)碳刷超溫機(jī)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(qiáng)，抑制火花性能優(yōu)良[1]，正常運(yùn)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(fēng)系統(tǒng)帶走。異常情況下，因通風(fēng)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(shí)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(dāng)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(jìn)行測量，單根碳刷阻值在0.2歐姆附近，在發(fā)電機(jī)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(yùn)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(jì)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(jī)正常運(yùn)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(dá)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(yán)重時絕緣受損，發(fā)生發(fā)電機(jī)滑環(huán)燒毀或轉(zhuǎn)子接地等事故。

4 發(fā)電機(jī)碳刷超溫因素的分析

基于上述超溫機(jī)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(yùn)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(jī)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(yùn)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?yàn)檠趸け黄茐?、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(diǎn)：

4.2.1 日常檢查維護(hù)工作不到位

當(dāng)運(yùn)行中的碳刷磨損量達(dá)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(jìn)行碳刷更換工作。此外在維護(hù)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(dú)取下進(jìn)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(dāng)

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(yùn)用在同個勵磁系統(tǒng)中碳刷電流差異會較大，無法實(shí)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(yùn)行過程中磨損需要定期進(jìn)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(jī)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(jī)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(fēng)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(yán)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(jī)組運(yùn)行中，由于發(fā)電機(jī)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(yán)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(fēng)不良造成碳刷發(fā)熱不能全部散出

通風(fēng)不良主要是因?yàn)槔鋮s風(fēng)道、集電環(huán)表面通風(fēng)溝及通風(fēng)孔堵塞，循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量下降[3]。當(dāng)運(yùn)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(dāng)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(jìn)行更換；調(diào)整或更換彈性壓力較差刷握彈簧，實(shí)現(xiàn)電流均勻分配。

（2）減少發(fā)電機(jī)無功負(fù)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(jī)發(fā)出無功負(fù)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(qiáng)行更換大量備件。

（4）檢查清理通風(fēng)口，確保風(fēng)道暢通。當(dāng)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(diǎn)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(fēng)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(diǎn)在46-54℃之間，可用于機(jī)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(diǎn)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(jī)組運(yùn)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(yùn)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(zhǔn)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(jìn)入正常平衡狀態(tài)。此做法的關(guān)鍵是做出準(zhǔn)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(zhǔn)確判斷，可用采用試驗(yàn)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(qiáng)日常運(yùn)行監(jiān)視和維護(hù)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(jìn)行調(diào)整更換；利用機(jī)組停運(yùn)機(jī)會及時清理滑環(huán)和通風(fēng)系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

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

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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(zé)任公司工作。