汽轮发电机碳刷及滑环磨损的解决方法

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汽轮发电机碳刷及滑环磨损的解决方法

蒙阴县鑫源热电有限公司＃1机组为15MW汽轮发电机组，机组于xx年5月份投入运行，发电机定子额定电流为1031A；空载电流为259A；每个环有四个碳刷，碳刷的尺寸是60mm×32mm×25mm；励磁系统为自励半导体励磁系统；电源取自发电机本身，在发电机出口处接一台励磁变压器，经过半导体整流，经碳刷、滑环接入发电机转子，供给发电机励磁。

1运行状况

机组于xx年5月份投入运行以来，一直存在以下问题。

碳刷磨损十分严重，截止xx年2月份，汽机侧碳刷更换了12块，发电机东侧的碳刷自运行以来没有更换过一块，而有一个位置的碳刷多次更换，磨损特别快。

每个碳刷承担的电流有较大的偏差，小的0.5A，大的有20A。

电刷表面有划痕，电刷有磨偏现象。

运行过程中，碳刷及滑环的粉尘较多。

滑环因碳刷长期冒火已在表面形成烧伤条纹。

刷辫长期过热变色，有段时间温度达80～90℃。

2问题分析

发电机碳刷和滑环间工作面的磨损有两种：一是纯机械磨损；二是在电流作用下的电气磨损和机械磨损。

2.1纯机械磨损

碳刷和滑环表面相接触，由于弹簧压力作用和材料弹性变形的缘故，使直接接触部分互相嵌入。当相对滑动时，因摩擦作用而形成磨损。

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如果碳刷颗粒细软，则碳粉易被沾在滑环表面，使滑环成为具有亮滑的石磨镜面，碳刷的磨面也很光滑，两者的机械磨损都较小。但如果碳刷颗粒粗硬，或含有如金刚砂之类的硬质颗粒，则必然会使机械磨损大大增加。同时由于碳刷中含有少量的碳化铁、碳化硅即金刚沙灰粉，以提高电刷的耐磨性能，但也会使集电环表面拉成沟槽，一旦形成沟槽对发电机的危害极大。碳刷是非金属导电材料，电阻系数大，是铜的400倍。电阻产生的能耗高；持续的滑动摩擦导电产生的接触电阻、机械摩擦热耗，加上电刷的电阻能耗转化为高热易使弹簧失压及导线老化，引起接触不良、产生火花，严重影响发电机正常运行；

2.2在电流作用下的电气磨损和机械磨损

在电流作用下的电气磨损，是由于电弧高温和放电等因素的作用，使极面材料受到损坏的情况。由于电气磨损影响极面，所以也会对机械磨损的程度产生影响。

由于电流通过碳刷和滑环的接触面，且其直接传导的部位不断变动，电流密度又很大，使一些点温度很高；又由于电弧的高温作用，会使两侧极面局部熔化、脱落，金属会变成金属蒸气，碳刷则结构松化，受氧化腐蚀而脱落，此即电气磨损的表现。但是，极性不同，磨损情况是不一样的。在电弧作用下，阳极（正极）表面局部灼热而蒸发出“金属蒸气”，使阳极表面损蚀，这叫“阳极蒸发”；阴极（负极）因受正离子撞击和高温作用发射电子，使阴极表面也遭受破坏，这叫“阴极粉化”。由于阳极蒸发和阴极粉化的作用，碳刷和滑环由于电流方向不同会出现极性差别。当电流由碳刷流向滑环时，此时碳刷为正极，滑环为负极，则结果是，碳刷面上发生微小程度的阳极蒸发，碳粒、石墨离子迁移到滑环表面，碳刷有电气磨损。滑环表面有轻微的阴极粉化，并附

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着碳粒、石墨，成润滑、光泽的镜面。由于滑环表面平滑，机械磨损较小。

当电流由滑环流向碳刷时，此时碳刷为负极，滑环为正极，则结果是，碳刷面上发生阴极粉化，电气磨损小。滑环表面发生阳极蒸发。大量金属蒸发，使其表面损蚀严重，同时，这些金属粒子也易附于碳刷磨损面上，反过来会使换向器表面严重磨损，出现条痕。这种情况下，滑环表面粗糙，呈金属光亮，面间机械磨损大。

总的来说，当碳刷为正极时，碳刷电气磨损大，机械磨损轻微，滑环的电气磨损和机械磨损都很小；当碳刷为负极时，碳刷电气磨损小，机械磨损大，滑环的电气磨损、机械磨损都很大。

为了使磨损均匀一些，对于滑环，因为正环电流由碳刷流向滑环，碳刷正极性，滑环负极性，故正环磨损小；同理，负环磨损大，故两环极性应经常调换。各电厂大修时常倒换正、负环的连接电缆，就是这个道理。

当没有电流时，碳刷磨面上的粗硬粒子易嵌入滑环表面，引起较大的机械磨损，甚至引起摩擦振动。当流过电流时，碳刷磨面上的粗硬粒子被炸裂、粉化，沾在表面，减小摩擦，使机械磨损减小，并使碳刷运行十分平稳。所以，在正常情况下，电流对减小机械磨损还有好处。但是，如果电流密度过大，则阳极蒸发严重，会使电气磨损加剧。而电气磨损加剧后，使滑环表面粗糙化，碳刷表面附着金属粉，机械损耗又会增加，所以通过碳刷的电流密度应有一个限度。

2.3其他方面的影响

弹簧压力。压力过小碳刷和滑环表面接触不稳定，容易引起电弧，使电气磨损增大。压力过大，刷面的硬粒对滑环表面刮割严重，又会使

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机械磨损增加。因此，弹簧压力要适中。

碳刷本身电阻。不同批次的碳刷混用，其电阻系数不一样，运行中造成碳刷温升不同，导致并联碳刷的电流分配不均匀，不仅个别电流超标，而且磨损增大。

刷架。碳刷中心线不完全垂直于滑环圆周切面，倾斜势必造成碳刷的接触不良、弹簧压力不一致。刷握与滑环表面距离不一致，碳刷有效接触面有差别，刷架周边有毛刺不光滑，易挂碳粉和粉尘，这都会造成碳刷电流偏差增大。

外界环境。滑环和碳刷靠近发电机轴瓦，存在油雾，影响碳刷和滑环的使用寿命。周围空气湿度影响滑环碳素薄膜的形成，从而影响碳刷的导电性能。

3采取措施

为了减小发电机碳刷和滑环之间磨损，排除因此而带来的隐患，可以考虑如下措施：

机组大修时倒换正、负环的连接电缆。

选用质地均匀、材质较好、厂家指定的同一型号的碳刷。更换碳刷时，尽量使更换产品与运行碳刷保持生产批次相同，尤其是在滑环的同一极上。保证每块碳刷的电阻系数相同，使碳刷的电流分配均匀。

适当增加负极侧碳刷数量，降低电流密度，减少电气磨损，从而降低机械磨损。

制定维护制度，及时擦拭滑环，更换碳刷时弹簧压力要调整适当。运行维护时，特别是更换新刷块和日常清扫刷握时，定量调节刷握弹簧压力为一定值，虽然刷体长短不一，并联运行的碳刷压力却保持一致，使碳刷的磨损有所降低，延长使用周期。

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