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(shè)計采用機端變-靜止可控硅自并勵勵磁方式。額定參數(shù)如表1所示。

表1 勵磁系統(tǒng)參數(shù)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(shù)為0.29，接觸壓降為2.50V。

1 集電環(huán)作用和原理

發(fā)電機勵磁電流經(jīng)由靜止的碳刷通過旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)正級流入轉(zhuǎn)子繞組，再由集電環(huán)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(huán)正極→轉(zhuǎn)子繞組正極→轉(zhuǎn)子繞組負極→集電環(huán)負極→32個靜止碳刷負極→勵磁間直流負極。其中集電環(huán)又稱為滑環(huán)，隨轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動，它的作用是收集勵磁中的直流電并導入轉(zhuǎn)子繞組中，為定子繞組創(chuàng)造高速旋轉(zhuǎn)的感應電磁場。

集電環(huán)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(zhuǎn)過程中，可以在滑環(huán)表面形成負壓，對碳刷進行冷卻，并吸走摩擦產(chǎn)生的碳粉，防止滑環(huán)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(huán)有效的接觸。如圖2所示。

圖1 集電環(huán)冷卻風扇

圖2 碳刷

2 碳刷過熱的影響因素

根據(jù)熱平衡原理可知，碳刷的發(fā)熱因素有碳刷電流產(chǎn)生的電熱效應以及機械摩擦產(chǎn)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(fā)熱功率；Pi——電流熱功率；Pj——機械產(chǎn)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(jù)焦耳定律，每個碳刷的發(fā)熱功率Pi與通過碳刷的電流以及碳刷的內(nèi)阻有關(guān)。

式中，I——流經(jīng)碳刷的電流；R——碳刷的內(nèi)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(guān)系。

其中：α為載流密度；A為碳刷與滑環(huán)接觸面面積。

可以看出，在載流密度為定值的情況下，發(fā)熱功率與碳刷和滑環(huán)的接觸面積的平方成正比關(guān)系。在理論運行過程中，每個碳刷與滑環(huán)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(xiàn)某個碳刷溫度異常升高的現(xiàn)象。而在實際運行中，每個碳刷與滑環(huán)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(huán)散熱能力的影響

集電環(huán)散熱方式分為自然散熱和強迫散熱，自然散熱則表現(xiàn)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(xiàn)：集電環(huán)支架均勻分布有通風孔，通風孔與表面呈30°傾角，在調(diào)整旋轉(zhuǎn)過程中，可以在滑環(huán)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(fā)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(wěn)定在一個溫升范圍內(nèi)。負荷低的時候，因為碳刷的發(fā)熱量較小，溫升也會相應的減?。欢谪摵筛叩那闆r下，碳刷的發(fā)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(huán)境為溫度高、粉塵濃度高的集電環(huán)室。因為粉塵的黏附力與濃度、空氣溫度、空氣濕度成正比關(guān)系，與流速成反比關(guān)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(huán)。

2.3 機械發(fā)熱的影響

在碳刷的發(fā)熱中電阻發(fā)熱與電流有關(guān)，而機械發(fā)熱則與摩擦、跳動、擺動等機械因素有關(guān)。碳刷的肖式硬度比集電環(huán)的合金肖式硬度小很多，幾乎不對集電環(huán)造成磨損。但是集電環(huán)上偶爾附著的粉塵顆?？赡軐姯h(huán)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(fā)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(huán)的接觸情況惡化，可能會出現(xiàn)接觸面不整潔，邊緣不整齊，甚至于崩角的現(xiàn)象，會更加惡化碳刷的工作環(huán)境，使機械發(fā)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(zhuǎn)動過程中，集電環(huán)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(shù)，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(shù)會增大，從而使碳刷的摩擦發(fā)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(huán)。

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(jiān)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)接觸面（如圖3所示），碳刷與集電環(huán)的接觸面不均勻，并出現(xiàn)有邊緣不齊、崩角現(xiàn)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(huán)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(fā)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(huán)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(jù)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(jié)構(gòu)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(xiàn)過熱現(xiàn)象較多，磨損，崩角的情況頻繁出現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)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(huán)負極與發(fā)電機軸承距離小，而發(fā)電機軸承處潤滑油以“油霧”的形式微量外漏；集電環(huán)冷卻風扇引起的負壓效應，會使這些“油霧”吸附到集電環(huán)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(huán)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(jù)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(jù)理論分析并結(jié)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(huán)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(huán)表面的接觸面積。（3）對冷卻通風孔、滑環(huán)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?，之前載流能力低，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(xiàn)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(xiàn)象的出現(xiàn)，及時采取相關(guān)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(tài)跟蹤，以便及時發(fā)現(xiàn)因無明顯缺陷而長期未換碳刷現(xiàn)象的發(fā)生。（3）碳刷更換的長度為1/3，應嚴格執(zhí)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(jié)論

集電環(huán)和碳刷過熱制約機組的帶負荷能力，給電廠帶來經(jīng)濟損失，嚴重的將危及機組的安全運行和電網(wǎng)的穩(wěn)定。通過以上對集電環(huán)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。