手握压簧接地棒(电气论文：发电机励磁碳刷过热事故分析和对策)

热电发电机励磁碳刷过热事故分析和对策

北京首钢电力厂 江振永

[摘要]：通过总结分析首钢热电站60MW汽轮发电机两次碳刷大面积过热事故的原因，介绍了改进碳刷维护管理及更换碳刷的操作方法。

[关键词]：碳刷事故；发热；分析；对策

1、引言

首钢热电站三台汽轮发电机组1985年投产，使用静态励磁系统，机组容量3×60MW，每台机组有60个碳刷，正负极各30个。额定励磁电流1500 A，励磁碳刷采用恒压形式，型号：D172/HT，规格：25×32×60mm。2003年9月28日和2004年11月2日热电3#机各发生一起励磁碳刷大面积过热事故，虽未导致停机，但引起厂专业人员的重视。小小碳刷，如果使用不当，将有可能引起发电机失磁，导致停机。因此，规范碳刷的维护、管理及更换方法，加强职工的教育培训，有着积极的现实意义。

2、两次碳刷过热事故经过

2.1、2003年9月28日8:00交接班检查3号机组碳刷无火花，14:45检查发现负极滑环碳刷环火，减负荷和减励磁电流、调整处理无效，个别碳刷刷辫相继发红烧断，并伴有火花，14:55，汇报厂调后降负荷运行，有功负荷降至40MW，无功负荷降至20Mvar。并及时更换了碳刷。过程持续约20分钟，检查发现5个碳刷刷辫烧断。

2.2、2004年11月1日21：00，值班工检查发电机时发现3#机滑环过热，有4块碳刷铜辫碳化，用手一提即断，正极3块，负极1块。更换碳刷后，新碳刷立即过热烧红，与厂调联系后将3#机有功由59MW降至53MW，无功由35Mvar降至25Mvar，励磁电流由1500A降至1350A，之后调整碳刷，滑环温度恢复正常。11月2日8：05，3#机开始升负荷至60MW，励磁电流升至1450A。8：20，值班工又检查发现3#机有5块正极侧碳刷一提即断，联系厂调降负荷，减励磁电流，有功减至30MW，从1#机更换下5条已磨合好的碳刷，安装在3#机组上。并将所有碳刷进行调整。9：40，3#机升负荷至60MW，励磁电流升至1500A，机组恢复正常。

3、碳刷发热的原因分析

3.1、碳刷在运行中发热的一般原因：

发电机是采用让磁场旋转的方法切割导线的。旋转磁场是转子，被切割的导线是定子。为了让转子产生磁场，必须向转子的线圈输入励磁电流。碳刷就是用来将励磁电流送入转子线圈的。归纳碳刷在运行中发热的一般原因有：

（1）、碳刷卡阻：碳刷通过电流后发热，刷体膨胀，易卡在刷握里，这时拉动刷辫感觉很紧；部分碳刷由于振动、刷握不垂直等原因，会在刷握一侧的上沿和另一侧下沿产生明显卡阻。这几种形式的卡阻，用卡表仍可测得电流，但碳刷却已经失效，致使其它碳刷分配的电流增加，电阻发热增加。 (此种测量方法因刷辫处磁场较强，测量方法不同，卡表测得数值误差大，故测量值只作参考)。

（2）、碳刷压力减小：非恒压碳刷，压紧弹簧后碳刷接触压降小，发热少，在碳刷磨短后，弹簧压力明显减少，压力小到一定程度，接触不稳定，接触压降增大，接触压降发热明显增加。恒压弹簧则在碳刷发热后如长时间运行会造成退火，以致压力减小。

（3）、碳刷接触面形成气膜：D172碳刷最大圆周速度为70m/s，发电机励磁滑环直径为445mm，折算后滑环表面圆周速度为69.9m/s，碳刷在允许最大速度下运行，很容易在碳刷接触面产生气膜和跳动，流过碳刷的电流不稳定。在滑环表面开凹槽处磨擦碳刷接触面可破坏气膜。但开凹槽使碳刷实际的接触面积减小。

（4）、滑环氧化膜的形成：滑环氧化膜太厚，使碳刷接触电阻大大增加，励磁电流分流到其它回路电阻小的碳刷上，造成这些碳刷流过的电流偏大。

（5）、电流平衡的破坏：一般情况下，新换上的碳刷和压紧弹簧，碳刷与滑环接触面的接触紧力较大，即接触压降小，所有30条碳刷工况相近，每条碳刷的电流接近相等，刷体的平均温度较低，碳刷间电流相对稳定平衡(称作强平衡)。运行一段时间后，碳刷的磨损量相近，但出现了氧化膜、气膜、卡阻等因素，碳刷磨短了或弹簧压力降低了，碳刷接触面的接触紧力减小，碳刷间电流二次再分配，每条碳刷的电流差别增大，处于不稳定平衡(称作弱平衡)。这个阶段时间长，逐渐变化，不容易引起警觉。当环境温度升高或励磁电流增加时，随时可造成弱平衡破坏。

（6）、碳刷的"负温度特性"效应：随着碳刷温度的增高，它的接触电阻反而降低。在80℃-100℃时最低，当温度超过100℃时，接触电阻又急剧增加。在长时间弱平衡运行或环境温度偏高时，很容易使个别碳刷温度超过100℃，使这些碳刷的接触电阻急剧增加，造成恶性循环。在这种情况下，极易造成几个碳刷相继过热烧断刷辫。

（7）、碳刷质量、安装不佳等因素：如使用不合格的碳刷、压簧；刷架间距不一，更换碳刷方法不当等，都有可能造成运行中碳刷发热。

3.2两次碳刷大面积过热原因分析：

11月8日，3#机停机检修，专业人员和车间技术人员对励磁碳刷进行了仔细的检查和分析，认为以上两次碳刷过热事故是由于以下原因：

（1）、部分碳刷质量不良。

在换下的碳刷中发现有崩角的和刷辫与碳刷接触松动的，出现不合格碳刷。崩角的原因可能是碳刷跳动太大或材质不良。刷辫与碳刷联接部分松动会造成接触电阻增加，使碳刷电流分担不均。碳刷在刷握中尚能上下活动，但在卡上恒压弹簧后，即不能活动自如，这就会造成碳刷不能与滑环接触，使实际分担电流为零。

（2）、滑环表面形成了一定厚度的氧化膜，增大了碳刷的接触压降，加上个别碳刷卡阻失效，碳刷处于弱平衡状态，发生过热时机组负荷较高，励磁电流较大，碳刷间弱平衡破坏，个别碳刷电流迅速增大，严重过热，刷体发红膨胀卡死，大电流转移到其它碳刷，并相继出现膨胀卡死，滑环环火恶性发展，使得短时间内大量碳刷刷辫烧断。

（2）、弹簧压力不足:用手拉动弹簧，可明显感觉不同弹簧的压力差异，且弹力比其它机组恒压弹簧小很多。由于弹簧压力不足，刷握和碳刷因发热侧面磨擦阻力增大，碳刷被阻在刷握内。

（4）、两排刷架上下间距不一致，相差较大（据实测,上下间距最大相差8mm）。

（5）、正极侧滑环通风小孔堵塞，导致正极侧无风。

（6）、刷架底侧有七、八个碳刷与滑环没接触上，导致其余碳刷流过电流增大，引起过热。

（7）、恒压弹簧受热后弹簧会拉长，弹性变差，同一只弹簧两边的压力可能不一样，以致造成碳刷实际接触面积减少。从换下的恒压弹簧的检查中发现压簧型号不一致：有的是1.7kgf/cm2，有的是1.85kgf/cm2，部分弹簧发生断片或有裂纹，而不同的弹簧压力不一样，从而造成不同碳刷分担电流不一样。

（8）、出现不合格碳刷：检查发现使用的碳刷中，有的刷辫U型端头焊接反了，在更换碳刷时不得不拧着劲使用。

（9）、值班工更换碳刷方法有待改进：部分刷握调整不当，碳刷位置不能对准滑环圆周的法线方向。经目测，发现部分刷握距离滑环的高度不一，有些不能平行于滑环圆周的法线方向。

4、解决对策：

4.1、碳刷在检修中的维护

热电三台发电机组在每年春、秋两季均有一次检修。充分利用好检修机会，对碳刷进行更换、维护和保养，以及对碳刷的使用情况进行分析、总结和改进，是非常有必要的。总结碳刷在每次检修应做到以下六点：

（1）、查刷架：检查两排刷架间距是否发生变化，并做好记录。

（2）、查碳刷：检查正负极碳刷磨损情况，检查小辫是否断裂，有无过热痕迹，并做好记录。对磨损严重的碳刷要找出原因。

（3）、查底部：刷架底部的碳刷由于空间狭窄，运行中不便于更换，也不易观察，故在检修中应作为重点检查对象。

（4）、查滑环：检查滑环通风小孔是否堵塞，必须用压缩空气吹通方可。

（5）、查刷握：检查刷握使用情况，检查刷握有无损坏。

（6）、查压簧：检查压簧使用情况：压簧是否退火，所有压簧是否同一型号，压力是否均等。

4.2、碳刷在运行中的维护

碳刷运行维护的好坏，将直接影响到机组长期安全运行。因此应对碳刷运行维护建立必要的规章制度和各种运行记录，及时采取相应对策。

运行中维护发电机滑环碳刷时，工作人员应穿绝缘鞋或铺胶皮垫，使用绝缘良好的工具并应采取防止短路及接地的措施。当励磁系统有一点接地时更应注意。禁止同时用两手接触发电机励磁回路和接地部分或两个不同极的带电部分。工作时应穿工作服，禁止穿短袖衣服或把衣袖卷起来，衣袖要小，并在手腕处扣住。女工还应将长发或辫子卷在女工帽内。

经过长期的实践，可将碳刷在运行中的维护总结为六个字：扫、保、拉、调、换、消。

（1）、扫：经常清扫刷盒、滑环及其周围的灰尘、粉末，并定期用压缩空气吹扫。

（2）、保：经常检查滑环表面，及时倒出刷盒上的颗粒，必要时用帆布擦拭滑环表面污垢，保护氧化膜。

（3）、拉：经常提拉每个碳刷，检查有无卡住、过热、异常振动及其它不正常现象。

（4）、调：注意调整各个电刷压力，保持均匀一致。加强碳刷电流的监测，根据当时的励磁电流，计算每块碳刷的平均电流，及时调整和更换电流过大或过小的碳刷，使每块碳刷电流分担差别不大。

（5）、换：及时更换磨损过短、异常过热及有硬粒电刷，新换电刷与滑环接触面应超过70%以上。规定碳刷磨损掉1/2，必须更换，消除碳刷太短、电阻值变大、卡阻、阶梯形四面体等现象。出现碳刷断辫或打火，可先减小励磁电流；调整碳刷电流平衡后再换碳刷。但调整时功率因数尽量不要超过0.95。如仍不行，则请示厂调降有功负荷。

在夏季，要特别注意碳刷的温度，当个别碳刷的温度超过100℃时，要及时进行调整或更换。在发生碳刷火花大或烧断刷辫时，应及时调整和更换碳刷。调整更换碳刷时，应严格按规程规定进行，若调整不及时或处理不当，将会蔓延至其它碳刷，造成更大的火花。当机组出现大面积碳刷过热及刷辫烧断时，则不要全换成新碳刷。应先从不过热的机组上换下一块已磨合好的碳刷，安装在出现过热的机组上。

（6）、消：及时消除碳刷在运行中出现的火花。除此之外，并应根据具体情况规定每天、每月、每季小修大修的检查项目。

运行一段时间后，滑环表面可能会起毛或出现小坑，此时会造成碳刷火花和跳动，且无法通过调整消除。因此，遇停机机会应及时对滑环表面进行抛光处理。

4.3、碳刷更换方法的改进：

总结以上两次碳刷过热事故，可将碳刷更换方法归纳为以下五点：

（1）、正确选型：尽量使用一个厂家生产的产品。由于制作工艺上的差异，两个厂家生产的碳刷含碳量有可能不一样，安装于发电机上有可能导致电流不均。

碳刷磨去1/2就需更换新的。更换新碳刷时，旧的碳刷应全部从发电机上取下，更换的新碳刷在型号、规格上应和原用碳刷相同。同一台发电机的滑环上不允许混用两种或两种以上型号的碳刷。

热电三台机使用的碳刷均为哈尔滨碳碳厂生产，型号为D172/HT，规格：25×32×60。压簧为1.85kgf/cm2的恒压弹簧。厂家为丹东市弹性元件厂。

（2）、质量择优：更换碳刷前，必须检查碳刷外观是否良好，检查碳刷与铜辫的接触是否紧固，必要时对碳刷各面进行直流电阻测定，以筛选合格的碳刷，若达不到要求，则换型，选用质量好的碳刷。从外观上分辨，合格碳刷与不合格碳刷的区别：

图片一：合格的碳刷 图片二：U型头未焊正 图片三：U型头焊反

图片四：U型头焊反 图片五：U型头焊反 图片六：U型头未焊正

图片七：刷辫拧劲 图片八：刷辫裸露 图片九：碳刷已磨掉二分之一

注：这里的"合格碳刷"是指"最优"碳刷。图片一至图片六不是不能用，而是不如"合格碳刷"好。今后，车间将严把进货渠道，在进货上，给岗位只提供"合格碳刷"。图片七至图片九则禁止使用。

（3）、细心打磨：

用砂纸对碳刷进行打磨，将碳刷本体打磨光亮，与滑环接触面打磨光滑，去除各种飞边、毛刺。由于碳刷通过电流后发热，刷体膨胀，易卡在刷握内，因此打磨要有一定裕度。

（4）、安装可靠：

刷辫的U型端头凹面应朝上，用螺丝刀拧紧。

碳刷装入刷握内要保证能够上下自由移动，碳刷侧面与刷握内壁的间隙应在0.1-0.3毫米之间，以免碳刷卡在刷握中因间隙过大而产生摆动。

最后，装上压簧。施于碳刷上的弹簧压力应尽可能均一。

图片十：正确的安装方法

图片十一：不正确的安装方法

（5）、提拉试验：

提拉一下刷辫，检查有无卡涩现象，碳刷应上下活动自如，防止碳刷及压簧卡在刷握内。

5、结论

采取并推广上述措施以后，3台机组励磁碳刷实现了无火花、刷辫无变色、无断辫运行，先后及时消除了个别碳刷卡阻问题。从运行情况看，碳刷的维护管理走向正规，避免了人为因素的影响。首钢热电站三台机组已服役20多年，机组整体进入老化期，但由于首钢搬迁，老机组还将在原地发挥作用，直至2010年拆迁完成。因此，从最基本的环节—-碳刷入手，加强管理，使机组最大限度地发挥作用，有着现实意义。

参考文献：

1、彭远崇：（沙角A电厂,广东,东莞,523761）《发电机励磁碳刷事故分析和对策》，《电力安全技术》2003 Vol.5 No.7 P.27-28 2003-7-20出版.

2、胡新军：（襄樊发电有限责任公司,湖北,襄樊,441141）《发电机滑环碳刷电火花故障处理》《电力安全技术》2004 Vol.6 No.6 P.9出版日期：2004年6月5日

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