發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷過熱原因分析及預(yù)防

馮上青

(韶關(guān)發(fā)電廠，廣東 韶關(guān) 512023)

發(fā)電機(jī)運(yùn)行中勵(lì)磁碳刷是維護(hù)工作量大且最容易出現(xiàn)故障的部件，若在運(yùn)行中碳刷出現(xiàn)的異常不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和消除，很可能會發(fā)展成發(fā)電機(jī)勵(lì)磁不穩(wěn)甚至失磁、碳刷滑環(huán)燒毀、轉(zhuǎn)子繞組短路燒損等嚴(yán)重事故。如某電廠2號發(fā)電機(jī)于2004-01-30滑環(huán)碳刷著火，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動作停機(jī)。事后檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)碳刷架負(fù)極滑環(huán)側(cè)已嚴(yán)重?zé)龘p，并有短路痕跡，轉(zhuǎn)子正極引線(長引線)大部分燒毀，用以固定負(fù)極滑環(huán)的鋼套圈也燒損嚴(yán)重。

從大量發(fā)電機(jī)碳刷故障致使發(fā)電機(jī)停運(yùn)的案例來看，停機(jī)事件的直接原因是碳刷(包括刷辮)過熱。因此，對發(fā)電機(jī)碳刷維護(hù)(包括更換碳刷、調(diào)整彈簧壓力、清潔滑環(huán)碳刷等)的目的也是防止碳刷過熱。為了防止發(fā)電機(jī)碳刷過熱，需分析其過熱的原因，并從設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行維護(hù)等幾個(gè)方面消除其過熱的根源。

1 碳刷過熱原因分析

1.1 碳刷發(fā)熱量的組成

大容量機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正、負(fù)極滑環(huán)與刷架之間都并聯(lián)有幾十只碳刷，也就是說，正(負(fù))極各碳刷是并聯(lián)運(yùn)行的，且流經(jīng)每只碳刷的電流也比較大(如300MW發(fā)電機(jī)額定負(fù)荷時(shí)，平均流經(jīng)每只碳刷的電流達(dá)60 A)。正常運(yùn)行中的碳刷溫度一般在50 ～80 ℃(溫升在40 ℃左右)，流經(jīng)每只碳刷的電流基本相等，碳刷與滑環(huán)運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量由通風(fēng)系統(tǒng)帶走，即發(fā)熱與散熱達(dá)到基本平衡。碳刷運(yùn)行中的熱量基本上由3部分組成：(1)碳刷自身電阻的發(fā)熱功率W1=I2R1；(2)碳刷在刷架與滑環(huán)間的接觸電阻引起的發(fā)熱功率W2=I2R2；

(3)碳刷與滑環(huán)間的滑動磨擦力引起的發(fā)熱功率W3=Fv。

其中，I為流過碳刷的電流，R1為刷體電阻，R2為碳刷接觸電阻(包括刷辮與刷架接觸電阻、刷辮與刷體連接電阻、刷體與滑環(huán)接觸電阻)，F(xiàn)為碳刷彈簧壓緊力，v為碳刷與滑環(huán)的相對運(yùn)動速度。

因此，碳刷的總發(fā)熱功率W=W1+W2+W3= I2R1+I2R2+ Fv。碳刷運(yùn)行中與滑環(huán)的相對運(yùn)動速度是固定的；彈簧若為恒壓式則壓緊力F恒定，若為非恒壓式彈簧則F隨碳刷體的磨損逐漸降低，因此磨擦發(fā)熱并不會引起碳刷過熱。而I，R1，R2隨運(yùn)行工況在某些情況下會發(fā)生很大的變化，發(fā)熱功率I2R1+ I2R2超過碳刷承受程度則會引起碳刷過熱燒損，從而危及發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。因此，在運(yùn)行中應(yīng)控制I，R1，R2在正常范圍。

1.2 碳刷過熱原因分析

因?yàn)槊繕O滑環(huán)上碳刷都是并聯(lián)運(yùn)行的，根據(jù)并聯(lián)電路原理，當(dāng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流一定時(shí)，流經(jīng)每只碳刷的電流與該只碳刷支路電阻(R1+R2)成反比。根據(jù)基爾霍夫第一定律，某一碳刷支路運(yùn)行中因電阻增大而遞減的電流必然會被其他碳刷支路負(fù)擔(dān)；某一簇碳刷支路因電阻增大而遞減的電流也會被其余簇碳刷支路負(fù)擔(dān)。因大機(jī)組每極滑環(huán)上都有幾十只碳刷，一兩只碳刷失去作用(如刷握卡澀失去滑動接觸或更換碳刷期間)，對其他碳刷支路不會有很大影響。但如果多條碳刷支路電阻增大甚至斷路，會使其他碳刷支路電流有很大的增幅。發(fā)電機(jī)碳刷在運(yùn)行一段時(shí)間后，由于彈簧壓力變化、碳刷質(zhì)量差異、安裝等原因會引起刷體長短不一、滑環(huán)氧化膜變化、碳刷接觸面形成氣膜和跳動等現(xiàn)象，使得各碳刷支路電阻(包括刷體電阻、接觸電阻)出現(xiàn)分化。碳刷支路電阻出現(xiàn)大幅變化將使各碳刷電流差別大幅變化。而發(fā)熱功率與電流的平方成正比，使得本來溫度接近正常值上限的碳刷很快發(fā)熱超限，一旦該碳刷燒損，極易促使其他碳刷相繼過熱和燒損，造成惡性循環(huán)，擴(kuò)大事態(tài)。

某些碳刷因彈簧緊力不足、碳刷接觸面臟污等原因而產(chǎn)生火花，如不及時(shí)消除可能燒傷滑環(huán)接觸面，從而引發(fā)更多碳刷接觸不良，使得正常工作的碳刷支路電流大增而發(fā)熱。如果碳刷火花過大，不僅使該碳刷燒損，也可能燒壞緊鄰的碳刷。

2 防止碳刷過熱的措施

2.1 安裝、選型方面

在機(jī)組大小修時(shí)，要對刷架進(jìn)行精密的安裝和校對，使每個(gè)刷握安裝孔與滑環(huán)圓周切面垂直，保持滑環(huán)軸線與刷架軸線同心。如果刷握安裝孔并非完全垂直于滑環(huán)圓周切面，而是有一定的傾斜度，就會造成碳刷接觸不良、彈簧壓力不一致。而滑環(huán)軸線與刷架軸線不一致，會造成不同側(cè)的碳刷壓力不一致，刷體磨損速度也不同，從而使各碳刷的R1和R2差異變大。

同一發(fā)電機(jī)應(yīng)采用同一廠家、同一型號，且盡量采用同生產(chǎn)批次的碳刷，因?yàn)椴煌吞柕奶妓⑵潆娮杼匦詴泻艽蟮牟煌吞柌煌a(chǎn)批次的碳刷也往往存在質(zhì)量上的差異。在使用碳刷之前，要檢查刷體與刷辮連接牢固良好，測量各碳刷電阻值相近并與正常運(yùn)行碳刷電阻值相近。

所選碳刷的主要參數(shù)(如磨擦系數(shù)、接觸壓降、電流密度、額定電流、允許最高轉(zhuǎn)速等)應(yīng)與所在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)相匹配。

更換碳刷前應(yīng)依據(jù)滑環(huán)的圓度將碳刷接觸面磨出一定的弧度，使碳刷與滑環(huán)實(shí)際接觸面不少于80 %。因?yàn)榻佑|面過小，會增大碳刷電阻。

更換碳刷前應(yīng)將碳刷各側(cè)面打磨平滑，并保證刷體與刷握內(nèi)壁有0.1～0.2mm的間隙，防止刷體受熱膨脹卡阻，從而增大接觸電阻甚至斷路。

刷辮與刷架連接之前，應(yīng)先檢查連接螺絲干凈無銹，刷架連接處清潔干凈，然后再連接牢固。彈簧壓接緊力要適中，并與其他碳刷彈簧緊力相當(dāng)，從而有效避免人為原因使碳刷接觸電阻增大。

2.2 運(yùn)行維護(hù)方面

認(rèn)真執(zhí)行巡回檢查制度和交接班制度，特別要定期檢查各碳刷溫度。各碳刷溫度應(yīng)該相接近且不超過80 ℃。若某些碳刷(包括刷架、刷框、接觸面、刷辮)溫度明顯高于其他在運(yùn)碳刷的溫度，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行跟蹤、檢查和調(diào)整。如，檢查碳刷有無跳動、冒火現(xiàn)象；用手拉刷辮檢查碳刷是否存在卡澀、壓力不均或失效現(xiàn)象；檢查刷塊邊緣是否存在剝落；刷體是否過短；用鉗表檢查各碳刷電流是否偏差過大等，并消除不正常現(xiàn)象。

運(yùn)行中要每星期對碳刷吹灰一次，防止碳粉等塵粒將刷體與刷握間隙卡塞；檢查冷卻風(fēng)道、冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常。

停機(jī)后要對滑環(huán)、碳刷刷握進(jìn)行吹掃和清潔，保證部件的清潔度。若滑環(huán)出現(xiàn)電腐蝕，應(yīng)進(jìn)行拋光打圓處理，避免因滑環(huán)表面不平滑和氧化膜損壞而增大接觸電阻，造成碳刷打火和跳動。

對碳刷維護(hù)人員的知識技能培訓(xùn)要到位，特別是有關(guān)更換碳刷和滑環(huán)打磨拋光的操作，技能經(jīng)驗(yàn)要求較高，一定要做好監(jiān)督、驗(yàn)證工作，防止因人為技術(shù)因素而使碳刷出現(xiàn)大面積異常運(yùn)行。

3 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷過熱問題及處理

3.1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷存在的問題

某廠11號發(fā)電機(jī)容量為300MW，采用自并勵(lì)可控硅靜止勵(lì)磁方式，定子額定電壓20kV，轉(zhuǎn)子額定電壓455V，轉(zhuǎn)子額定電流2075 A，正、負(fù)滑環(huán)共配置64只碳刷，采用恒壓彈簧刷握，碳刷是東方電機(jī)廠隨機(jī)配備的，型號為NCC634，規(guī)格為25×38×100mm，2005年7月投入運(yùn)行。

2008-03-04T08:30，乙值巡檢人員定期巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)11號機(jī)多個(gè)滑環(huán)碳刷有輕微火花，匯報(bào)值長。值班人員更換了3只較短的碳刷，同時(shí)對其他碳刷進(jìn)行了調(diào)整，火花消失。14:00，巡檢人員出巡時(shí)再次發(fā)現(xiàn)碳刷有火花，其中正極2只碳刷溫度最高至230 ℃，匯報(bào)值長，并將有功負(fù)荷由246MW降至225MW，無功由64 Mvar降至20 Mvar。打磨數(shù)只碳刷接觸面，更換了一些彈簧片，火花基本消失，過熱碳刷溫度逐步下降。20:00丙值接班后，繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整，最高溫度的碳刷控制在80℃以下。在接下來的2個(gè)多月，正極碳刷正頂上一排經(jīng)常出現(xiàn)火花，溫度較高，最高達(dá)285℃，負(fù)極頂部3排碳刷溫度較高(無火花)，各班經(jīng)過調(diào)整后都能有所下降，但運(yùn)行不久后，溫度又會升高。這樣的問題反復(fù)出現(xiàn)。

5月27日，設(shè)備點(diǎn)檢人員對每只碳刷電流和溫度進(jìn)行了測量，如表1所示，碳刷電流分布極不均，有6只碳刷電流為0，其余碳刷電流在1.2～197.5 A之間。因?yàn)樘妓椈墒呛銐簭椈?，不能人為調(diào)整，所以對電流為0或小于10 A的碳刷更換了恒壓片，電流分布有所改善，但總體上碳刷間的電流差別仍很大，碳刷溫度超限(大于80℃)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅。

表1 發(fā)電機(jī)碳刷測量(時(shí)間:2008-05-27T10:00 負(fù)荷243MW/3 Mvar 環(huán)境溫度 19 ℃)

3.2 碳刷過熱主要原因及處理

設(shè)備點(diǎn)檢人員經(jīng)過2個(gè)星期的現(xiàn)場跟蹤、觀察和調(diào)整，并未從根本上消除溫度高現(xiàn)象。為此，排除了碳刷壓力調(diào)整不當(dāng)及滑環(huán)損傷的原因，而將主要原因歸結(jié)于碳刷本身的質(zhì)量及直流電阻上，于是著手購買質(zhì)量好的另一生產(chǎn)廠家的碳刷。6月26日，利用停機(jī)機(jī)會將11號機(jī)碳刷全面更換為具有硬度小、直阻低等優(yōu)點(diǎn)的香港摩根碳刷，型號為8NCC634。同時(shí)對拆下的碳刷電阻進(jìn)行了測量，表2為測量結(jié)果，其中，電阻最大為0.01312 Ω，最小為0.001112 Ω，相差超過10倍。

發(fā)電機(jī)重新運(yùn)行后，碳刷溫度降低，且在近半年的運(yùn)行中，一直維持在40～70 ℃，電流分布均勻，無打火現(xiàn)象。其間，對任意2組新舊碳刷的電阻，電流分布和碳刷溫度進(jìn)行了對比測量(見表3，4，5)。表2～表5說明新更換的碳刷電阻小且均勻，原碳刷由于電阻值差別太大導(dǎo)致電流分布差別太大，碳刷間溫度差別大，甚至出現(xiàn)超溫，難以通過常規(guī)調(diào)整手段徹底消除。

4 結(jié)束語

勵(lì)磁碳刷運(yùn)行作為發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的重要組成部分，應(yīng)該引起重視。據(jù)了解，很多電廠制訂的發(fā)電機(jī)碳刷運(yùn)行維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)過于簡單，主要就是更換過短的碳刷，對打火的碳刷進(jìn)行調(diào)整。因?yàn)樘妓?shù)量較多(特別是有多臺發(fā)電機(jī)需要維護(hù)時(shí))，現(xiàn)場極少能對每只碳刷的電流、溫度進(jìn)行測量、跟蹤和分析。大量事例證明，勵(lì)磁碳刷故障往往在發(fā)生多只碳刷火花大、溫度嚴(yán)重超溫，甚至發(fā)出焦味時(shí)才被發(fā)現(xiàn)，而且很難通過調(diào)整手段加以消除，只能停機(jī)處理。因而會引發(fā)保護(hù)動作和燒毀發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。勵(lì)磁碳刷過熱引起燒損、停機(jī)，是長期不注意細(xì)節(jié)維護(hù)，不注意多方面預(yù)控的結(jié)果。因此，只有以預(yù)防為主，從設(shè)計(jì)、設(shè)備采購、安裝、運(yùn)行維護(hù)、停機(jī)后檢查修理、人員培訓(xùn)、制度執(zhí)行力等方面嚴(yán)格把關(guān)，才能把碳刷故障消滅在萌芽狀態(tài)，減少不必要的損失。

表2 6月26日停機(jī)后測得的各碳刷電阻值(本表序號與表1序號不對應(yīng))

表3 新舊碳刷電阻對比 μΩ

表4 新舊碳刷電流對比(機(jī)組負(fù)荷190MW/5 Mvar)

表5 新舊碳刷溫度對比(機(jī)組負(fù)荷242MW/15 Mvar)℃

1 彭遠(yuǎn)崇.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷事故分析和對策[J]. 電力安全技術(shù)，2003，5(7)：30～31.

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3 胡新軍. 發(fā)電機(jī)滑環(huán)碳刷電火花故障處理[J]. 電力安全技術(shù)，2004，6(6)：9.