600MW水轮发电机碳刷打火原因及维护方法

云南水力发电
YUNNAN WATER POWER
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第37卷第3 期0 引言
发电机碳刷不仅是动静接触及能量交换过程中必不可少的主要设备，也是连接励磁系统和发电机的重要设备，起到把建立转子切割磁场的励磁电流传送进发电机转子绕组中去的作用。

发电机运行过程中，碳刷由于是动静接触及能量交换的主要设备，所以流通电流大，不仅存在机械磨损，同时还有较大电流作用下的电气磨损。

当出现碳刷温度过高和打火情况时，将会直接导致碳刷表面遭受严重磨损，还会受自身压力、长短、安装情况等的影响，使碳刷间电流偏差增大，过热和打火加重。

打火问题如不及时处理，会造成火花越来越大、严重发热，甚至进一步发展造成环火烧坏碳刷和滑环，使励磁回路中断或刷架烧毁，最终造成机组非计划停运。

碳刷的可靠与否直接关系到水轮发电机组安全稳定运行，当出现碳刷打火问题时，应加强分析，找出原因，采取正确的维护方法。

1 概述
梨园水电站总装机2 400MW，共4台SF600-64/16880型发电机，采用自并励静止励磁方式，额定励磁电压424V，额定励磁电流3192A，滑环外圆加工成右螺旋沟槽，采用石墨碳刷，恒压刷握［1］。

碳刷位于刷握中通过刷架固定在导流环上，正负极共56只，型号两种，分别为E468-600MW 水轮发电机碳刷打火原因及维护方法
李林省
（云南华电金沙江中游水电开发有限公司梨园发电分公司，云南 丽江 674100）
摘　要：发电机运行过程中，碳刷由于是动静接触及能量交换的主要设备，所以流通电流大，不仅存在机械磨损，同时还有较大电流作用下的电气磨损。

当出现碳刷温度过高和打火情况时，将会直接导致碳刷表面遭受严重磨损，还会受自身压力、长短、安装情况等的影响，使碳刷间电流偏差增大，过热和打火加重。

打火问题如不及时处理，会造成火花越来越大、严重发热，甚至进一步发展造成环火烧坏碳刷和滑环，使励磁回路中断或刷架烧毁，最终造成机组非计划停运。

为研究碳刷打火具体情况，解决碳刷打火问题，基于对600MW 水轮发电机碳刷打火问题处理过程的记录分析，总结出一系列打火原因和相应维护方法，为解决打火问题提供有效指引。

关键词：水轮发电机；碳刷；滑环；过热；打火；
中图分类号：TM312 文献标识码：B 文章编号：1006-3951(2021)03-0141-03DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2021.03.034
收稿日期：2020-06-21
作者简介：李林省（1993-），男，云南宣威人，助理工程师，主要从事水电站维护管理工作。

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34×38×64型和NG16-34×38×64型，能够在机组运行时更换。

自投产以来，有3台机组出现不同程度碳刷打火问题，解决关键在于找出原因并采取正确维护措施；基于对处理过程的研究分析，得出了一些打火原因和维护方法，为解决打火问题提供参考依据，维护中可对照查找原因和采取相应维护方法。

2 打火原因
2.1 碳刷原因
1）碳刷更换时研磨不良。

碳刷研磨不良，会造成其表面粗糙和与滑环有效接触面减少，机械摩擦大；且随着更换数量增加，研磨不良碳刷造成滑环表面氧化膜的逐渐破坏，最终使得碳刷与滑环间无法建立起氧化膜。

同时研磨不良碳刷由于机械摩损和电气摩损增加，滑环表面逐渐磨损变得不平滑，出现凹点和灼伤痕迹，并伴有碳粉粘结于表面，进而引起碳刷温度升高和造成打火情况发生。

2）碳刷磨损过短。

碳刷横截面积一定，随着不断磨损其阻值越来越小，相应过流反而增大致使发热加剧造成温度升高。

变短同时弹簧施加压力也会有所降低，使碳刷在刷握中出现跳动［2］，造成碳刷与滑环间接触不良，引起碳刷打火和出现碳刷崩角。

3）碳刷型号不一致。

不同型号碳刷所含材质会有所差别，导电性能、过流能力和最大允许转
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速也有差异。

相互间的差异导致电流分布不均衡，导电性差和阻值大的，流过电流小，发热少；导电性能好和阻值小的其流过电流大，温度越高，打火越严重，也会因较大电气磨损导致磨损程度出现较大差异。

4）碳刷与刷握间间隙不符合要求。

碳刷四个侧面与刷握内壁之间必须留有一定间隙，既不宜过大，也不宜过小。

间隙过小，碳刷受热膨胀出现卡涩，造成碳刷卡在刷握中弹簧无法压紧，使碳刷与滑环接触不良；间隙过大，碳刷在刷握中摆动增大出现噪音，同时接触面下降使阻值增大和过流能力降低，造成其它碳刷分流增加。

5）碳刷刷辫碳化、与刷架接触不良。

励磁电流从刷架传送至碳刷的途径有两条，一条经刷辫传输，一条经刷握和碳刷接触面传输。

刷辫传输电流为主导方式，大约90%以上都是通过刷辫流向碳刷，只有不到10%是通过刷握与碳刷接触面流向碳刷［3］。

刷辫长时间过流发热会使其失去光泽变为灰黑状，部分还会脆化易拉断，同时阻值增大和过流能力降低，造成其它碳刷分流增加，过热和打火加剧。

2.2 滑环原因
1）滑环表面不平、不光滑、圆度不够。

运行良好的滑环，表面会形成一层很薄氧化膜将碳刷与滑环分开，使摩擦在氧化层间进行，降低摩擦系数和摩擦热产生，减少碳刷磨损。

运行中正极为电流流入一极，氧化膜较易形成；负极为流出一极，不易形成，所以基本都是负极过热和打火更加严重。

滑环表面异常会造成碳刷研磨不良、磨损加快和接触面减小，碳刷与滑环间阻值增加引起损耗增大；在相同负荷下，励磁电流不仅不会减小反而会增加，碳刷过热打火、磨损和抖动将加剧。

还会出现滑环灼伤和凹点，并会伴有碳粉粘结于滑环表面致使氧化膜不能形成，碳刷过热和打火故障，很多都是氧化膜被破坏且无法重新建立导致的。

2）滑环长时间运行，表面有积粉。

滑环表面有螺旋沟槽，利于运行时与碳刷接触散热和碳粉逸出，少量碳粉有加强碳刷与滑环良好接触和增加润滑度作用。

积粉过多会造成碳粉堵塞螺旋沟槽致使散热效果减弱，进而引起碳刷与滑环间接触电阻增大造成碳刷和滑环过热，严重的还会引起打火情况发生。

2.3 其他原因
1）碳刷刷握与滑环距离调整不当或刷握不能正对滑环圆周法线方向。

碳刷刷握距离滑环高度不一致，可能在滑环旋转时接触而损坏滑环，造成打火现象。

距离过大，运行中碳刷不能整体接触滑环而会与滑环呈斜面接触，碳刷材质较脆，容易造成碳刷崩裂；同时碳刷摆度会增大，易颠动而造成损坏，增加打火和过热风险。

调整过小，碳粉吸收装置吸粉不利，积粉增加破坏滑环表面光洁度，严重时刷握擦损破坏光滑度。

2）弹簧压力下降使各碳刷间压力不均。

碳刷间压力不均的原因有多种，也体现在多方面，如弹簧本身弹性受高温影响使压力越来越低和碳刷磨损过短、出现卡涩。

碳刷温度升高引起弹簧温度上升造成退火、塑性下降和压力降低；随时间增长，相互间差别越大，最终导致电流分配不均衡。

压力小的碳刷接触电阻增大，过流减小和温度降低；而压力大的接触电阻降低，过流和机械摩损增大，发热更加严重。

经过长时间运行，弹簧压力会整体下降，此时压簧需进行全部更换。

3）机械及摩擦等原因。

机组振动和摆度过大，可能使滑环与刷握产生接触而造成滑环表面产生毛刺，致使碳刷机械摩擦增加和磨损加快；也会使碳刷与滑环接触面降低和阻值增加，但总电流不变，碳刷电气损耗将增大，碳刷与滑环接触不良造成打火。

3 维护方法
3.1 碳刷维护
1）研磨不良碳刷的维护。

更换新碳刷时，应先按滑环曲度在与其直径相同模型上研磨好，保证接触面不小于碳刷截面的75%［4］。

如果机组检修时更换数量多，应当空转机组或使机组在低负荷下做长时间运行，使碳刷与滑环充分研磨接触，为滑环表面形成氧化膜留够充足时间。

处理打火碳刷时应注意，过流大和温度高的碳刷其表面研磨可能更好，接触面更大；温度低和过流小的反而研磨较差，其接触面小。

处理时应先对温度低和电流小的进行检查，其接触面不满足75%要求的应进行重新研磨。

2）过短碳刷的维护。

定期检查碳刷磨损情况，磨损程度不一样，所受压力不同，电流分配就会存在差别，会打破电流分配平衡，使部分碳刷温度过高和磨损加快造成跳动而引起打火。

碳刷磨损1/3时应进行更换，每次更换数量应不超1/5；
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及时更换可使碳刷间压力保持均衡和减小接触电阻差值，利于电流分布平衡。

3）型号不一致碳刷的维护。

型号不一致，其电阻率、导电性能、硬度、摩擦系数、磨损率等都会存在差别，使用前应对阻值进行测量；同一极应使用阻值基本一致碳刷，利于碳刷电流分布均衡，发热偏差不会过大。

更换时认真检查，同一机组必须使用同一型号碳刷，不混用；对型号不一致的及时进行更换，设专人保管，防止换错。

4）间隙不符碳刷的维护。

定期对碳刷在刷握中活动情况进行检查，拉动刷辫不应有卡涩和晃动情况，如有应进行及时更换，保证碳刷四面与刷握间有0.1～0.2mm［4］的间隙。

定期用专用无尘擦拭布清理碳刷和刷握接触面积粉，使其在刷握中活动自如。

装入刷握后，应以碳刷在刷握中能够上下自由移动为宜，确保碳刷在弹簧压力下随着不断磨损而与滑环持续保持紧密接触。

5）刷辫的维护。

定期检查刷辫情况，可戴上帆布手套轻拉刷辫观察是否有断股、接触松动和不稳情况；注意不用力拉或突然松开使碳刷撞击滑环表面，这样会造成碳刷崩角，影响运行。

变色失去光泽的刷辫可在机组运行时直接取下更换，但每次应注意更换的数量和不同时取下多个碳刷，应进行逐一更换。

3.2 滑环维护
1） 滑环表面异常的维护。

滑环表面局部不平整，达不到光洁度要求等会造成碳刷与滑环接触不良、磨损加重和温度升高，从而诱发碳刷打火使寿命降低。

滑环表面不平，有凹点和灼伤痕迹是导致碳刷打火的主要原因；在汛期应缩短维护时间加强维护，也可用风机加速滑环室空气流动，使环境温度降低。

针对滑环异常，一般维护只能起到改善作用，并且持续性效果差，不能从根本上解决问题。

如滑环表面确实存在不平滑，有灼伤痕迹和凹点，应在机组检修时直接对滑环进行车磨处理，这是最直接也是最有效的方法，能从根本上解决问题；有条件的可采取车磨和同时增加碳刷数量的方式，这样可减缓碳刷电气磨损，提升使用寿命，减少维护量。

2）滑环表面有积粉的维护。

滑环表面有积粉，可在机组空载时用绸布固定在绝缘棍上顺着机组旋转方向轻擦滑环表面，应不使用酒精等擦拭，否则会破坏氧化膜。

也可在机组停机时，用吸尘器吸出附着在滑环表面和螺旋沟中的碳粉，清理效果更好。

3.3 其他维护
1） 刷握调整不当的维护。

调整刷架时，应保持刷架轴线与滑环轴线同心，使每个碳刷刷握与滑环切面垂直，刷握距滑环应以2～3mm［5］为宜。

检修中应认真检查，对距离不符刷握进行调整，可使用一层2～3mm厚橡胶垫垫附在滑环表面，将刷握抵到橡胶垫上，然后上紧定位螺丝。

也可先将碳刷装在刷握中直接测量碳刷伸出距离，再将刷架装上固定，这样可更好观察碳刷与滑环接触面情况，保证好刷架与滑环同心和碳刷与其接触点切线垂直度。

2）弹簧压力不均的维护。

根据制造厂家要求检查碳刷压力，进行定量调整，对刷辫有外护套包裹的，可带上帆布手套拉动刷辫进行压力初步判断，再使用弹簧秤测量。

非恒压弹簧调到不发生火花情况的最低压力，恒压弹簧应完整无机械损伤，特别要注意碳刷压力均匀，其相互间差值不应超过10%，对压力下降不符的及时进行更换。

3）机械及摩擦问题的维护。

针对机组振动和摆度大问题，应在检修时进行盘车处理，运行尽量避开强振区，加强维护。

如在未加励磁电流时就检查发现碳刷和滑环温度高，这时可将部分碳刷取下，若取下后温度反而出现下降，此即为摩擦导致过热；可能为弹簧压力过大、碳刷研磨不良和滑环表面不平等原因造成，应分析具体情况，采取对应方法。

4 结语
梨园水电站碳刷打火问题在探索与实践中得到解决，并总结得出打火原因与维护方法，为后期维护提供参考依据。

处理后碳刷与滑环间噪音减小、磨损减缓、温度降低、打火消除；不仅节约后期维护成本，最重要的是提升机组运行可靠性和为长期稳定运行提供有力支撑。

参考文献：
［1］天津阿尔斯通水电设备有限公司.水轮发电机产品使用维护说明书［Z］. 2014.
［2］付雪辉，周应生，吴传根.长洲水电站机组励磁碳刷过热及其滑环摆动处理［J］. 红水河，2018, 37（1）: 70-71+85.
［3］黄世超，李超.碳刷温度异常偏高分析及临时处理办法［J］.电工电气，2019,（8）: 72-73.
［4］DL/T751－2014 水轮发电机运行规程［S］.
［5］DL/T817－2014 立式水轮发电机检修技术规程［S］.。