发电机碳刷运行中烧毁原因分析及对策

发电机碳刷运行中烧毁原因分析及对策
pengyi
摘要碳刷是发电机中动静接触和交换能量的设备，碳刷运行的好坏，直接关系到发电机的运行安全，因此，碳刷的运行问题不容忽视。

关键词碳刷问题分析对策
1 引言
发电机碳刷运行中冒火花或温度升高是比较常见的故障，若不及时予以消除，将会加剧碳刷磨损和滑环损伤，对安全发电构成直接威胁，甚至会引起机组被迫停机，本文所述就是一起典型的碳刷运行中长期冒火花或温度升高未被发现，而导致大部分碳刷烧毁被迫紧急停机的事故。

通过认真分析事故的原因，制定出相应的对策，可有效防止类似故障的再次发生。

双河电站系九寨沟水电开发有限责任公司在白水江流域梯级开发的第二个电站，属一库七级中的第六级，始建于2005年12月，第一台机组于2009年6月26日正式并网发电，电站为压力隧洞引水式地面厂房，压力隧洞全长6279.88m，设计引用流量102 m3/s，总装机容量为3×27MW，励磁方式为静止晶闸管励磁，额定励磁电流725A，额定励磁电压140V，采用恒压弹簧，上、下滑环共有碳刷26个，励磁机罩四周采用栅格结构用于散热。

2 碳刷故障情况介绍
2009年10月20日08：35，运行人员巡检发现2号机组＋X方向励磁机罩栅格内有火花，并伴有强烈焦臭味，汇报值长后随即在现地监控装置上将2号机组紧急停机，吊开机罩后发现2号机组下滑环共8个碳刷烧毁，部分刷握烧溶变形，刷辫轻轻一动就断裂了，有2个恒压弹簧掉入上导/推力轴承油盆盖上，滑环因形成环火，但时间不长，有轻微损伤，上滑环及碳刷基本完好。

随即对1F、3F机组停机检查发现3F上滑环－Y方向3个碳刷及刷握烧毁。

1号机组碳刷及滑环检查正常。

图片1：烧毁的碳刷
3 故障处理
做好2F、3F 机组的安全措施后，将2F机组上滑环与3F上滑环互换，并对3F滑环、刷握上的碳粉进行吹扫，回装后摇测转子绝缘500MΩ，15:40将3F机组并入系统。

2009年10月21日待碳刷备品到后将2F机组烧坏的碳刷和刷握全部更换，对2F机组滑环、碳刷等上的碳粉进行清扫，对下滑环回装后摇测转子绝缘500MΩ，09:39将2F机组并入系统。

4 原因分析
4.1 运行监视不力，机组自投产以来，因无法准确监视碳刷、滑环运行情况，在每天点检、巡检时未对机组碳刷、滑环的整体运行状况进行检查，失去对设备的控制和监视，致使设备故障得到扩大。

4.2 励磁机罩设计不合理，机罩四周采用栅格结构用于散热，虽有散热槽，但无法看清机罩内碳刷、滑环的实际运行情况，要揭开机罩盖板后才能检查及查看。

4.3 安装质量存在差异，南坪电站三台机组中1号机组最先投入运行，但上、下滑环的碳刷运行都没有问题，温度都在正常范围内变化，而2号、3号机组分别是下滑环和上滑环碳刷温度过高导致烧毁，说明这二台机碳刷及刷握的安装质量有问题。

4.4 碳刷质量问题，此次烧毁碳刷及配件为杭州力源公司配装的D104碳刷，这一批次的碳刷及配件存在严重的质量不稳定问题，而通过此后的试验及询问其他采用相同型号、批次碳刷的电站也发生过类似的碳刷烧毁故障等所反馈回来的信息，也证明了这一点。

在换下的碳刷中发现有许多边缘是破碎的。

破碎的原因可能是刷握大，碳刷在刷握内跳动太大，碳刷伸出刷架的长度太多或材质不良，内部材质不均匀。

4.5 碳刷恒压弹簧的压力调整不好，当碳刷上承受压力过低时，碳刷与滑环不能良好接触，接触电压降随之减小，这时会因电气损耗的增加而引起碳刷过热和因火花增大而引起烧伤，进而使磨损增大。

碳刷上压力过高时，机械磨损所产生的热量将会增加，使碳刷的温度升高，接触电压降降低，引起碳刷的迅速磨损。

加在碳刷上的压力不均匀，导致电流的分配不均。

受压簧压力大的，接触电阻小，因而通过的电流就多，相反，受压簧压力小的，接触电阻大，通过的电流就少。

碳刷若长期受压簧压力大，电流也大，引起碳刷局部过热或产生火花，直至烧毁。

4.6 碳刷和刷架间隙以及刷架与滑环间隙也不均匀，更换2、3号机组碳刷时，发现碳刷与刷握间隙不一致，有的间隙大，有的碳刷不带恒压弹簧也不能在刷握内来回自由活动，比较发卡。

其次各个刷握与滑环的间隙也不一样，最近的仅有2mm，最大接近6mm。

4.7 运行调整不及时，处理不当，造成恶性循环，首先因平时无法观察到碳刷运行情况，也就无所谓调整或维护保养。

在实际运行中因某一个或几个碳刷安装质量不好或碳刷过松或过
紧，安装不牢固，碳刷引线部分磨断等，长期运行后逐渐发热，当一个或几个碳刷发热严重至彻底烧毁不能传递电流时，产生的热能传递给其他周围附近的碳刷，同时分配在这些碳刷上的电流也叠加在其他碳刷上，使其电流密度增大，加剧周围碳刷的发热、损坏程度，如此恶性循环。

4.8 2009年10月22日，由九寨沟水电开发有限责任公司组织，召开了白水江下游总承包项目部、水电七局双河电站厂区枢纽工程项目部、杭州力源发电设备有限公司、四川嘉润电力有限公司、白水江梯级电站运行维护项目部等单位参加的专题分析会，会上各参会人员通过对事故原因等进行了分析讨论，并达成如下一致意见：
4.8.1 基本认定本次碳刷被烧的主要原因为碳刷本身质量问题，其次为碳刷压力弹簧压力过大。

针对于此，机组厂家单位（杭州力源发电设备有限公司）同意尽快提供双河电站三台机组的优质碳刷，以便三台机组碳刷的更换；
4.8.2 针对2号机组碳刷被烧引起发电机滑环与碳刷接触面光洁度受损的情况，四川嘉润电力有限公司的检修人员采用了在机组空转时使用磨石进行打磨的处理方式，机组厂家代表对该处理方式表示认可，同意采用该方式对2号机组受损滑环进行处理；
4.8.3 针对双河电站三台机组目前的运行，提出以下几点建议：在碳刷进行彻底更换前，运行人员应加强对机组运行时碳刷温度的监测（每小时测温一次），发现问题及时汇报，必要时采取停机处理；机组顶罩圆周上对称开设观测门，以利于以后对碳刷的巡检。

5 对策
5.1 加强运行监视
针对机组运行中无法监视碳刷运行及温度情况，在机罩上方的＋X、－X方向各开一个长宽分别为300×150mm的观察孔，便于对碳刷运行状况进行的监视、散热。

每天用红外线测温仪测量每个碳刷温度，并结合机组实时负荷、励磁电流、环境温度等进行分析，建立起碳刷运行变化的温度曲线表档案，通过对比分析发现单个碳刷温度不正常升高及时进行调整、处理。

在设备巡检时特别检查每个碳刷的随动性是否良好，同时检查每个碳刷与滑环的接触面是否足够。

图片2：改进后的机罩
5.2 选用优质的碳刷及配件
2号机组碳刷一共用过四种碳刷规格型号：烧毁前主机厂家配装的上海南征电子电器有限公司生产的D104，随后主机厂家赔付的摩根D104和J201，及现在使用的D172。

上图为2号机组碳刷温度曲线中抽取4个温度值最高的碳刷做一个比较，从每个月里抽取温度最高的一天进行比较，机组励磁电流基本保持在500A至550A间变化，不难看出：各个碳刷温度的变化幅值、趋势是基本一致的，且主要是随着环境温度的变化而变化；其中，2010年2月前使用的碳刷型号是主机厂家提供的摩根D104，2010年2月至2010年8月使用的是摩根J201碳刷，2010年7月至今使用的是D172。

表2 三种碳刷型号、特征及性能比较
根据对使用过的三种碳刷进行比较，D172的电阻系数最大，运行中接触电压降最大，相对于
双河电站来说，是这三种碳刷中较适合机组运行的，所以根据我们追踪的机组碳刷温度变化情况及碳刷实际运行情况，把三台机组的碳刷已全部更换成D172，各碳刷及配件各部运行情况良好。

根据碳刷温度曲线的变化，碳刷的运行温度不仅仅是碳刷质量的好坏或者碳刷型号的选择有关，也和碳刷的配件之间的相互配合有密切关系，如刷握与碳刷的配合、恒压弹簧的质量和压力值、碳刷与滑环的距离等。

我们也是在实际运行中不断摸索、调整中得到一些经验，才保证碳刷的运行温度同比下降将近10℃左右。

各碳刷运行温度基本控制在70℃以下。

5.3加强定期维护
5.3.1每次停机后，及时用吸尘器吸掉碳刷、刷架、刷握等部位堆积的碳粉，对有油泥的部件进行清洗和吹扫。

5.3.2检查刷握无松动、碳刷无偏移滑环外侧现象，碳刷的边缘无崩裂情况。

5.3.3检查碳刷刷辫与刷架和碳刷的连接良好，无碰触刷握及磨损的现象发生。

5.3.4检查碳刷在刷握内无跳动、摇动或卡涩的情况。

5.3.5检查恒压弹簧压力正常，无变形和断裂现象。

5.3.6检查滑环表面应无变色、过热及磨损不均现象，氧化膜的形成良好。

5.3.7定期用干净的白布，蘸酒精擦拭滑环表面，使其保持清洁光滑，保护氧化膜。

新碳刷使用前必须适形研磨。

5.4加强专业维护
5.4.1新碳刷使用前必须适形研磨（磨弧），以保证碳刷与滑环表面接触达80%，碳刷装入刷握内要保证能够上下自由移动，若有卡涩现象，应将碳刷四面用砂纸打磨，保持碳刷与刷握内壁的间隙应在0.1-0.3毫米之间，以免碳刷卡在刷握之中或因间隙过大产生摆动。

刷握下边缘距滑环表面的距离应保持在3mm~4mm毫米左右。

5.4.2同一时间内，每个刷架上只许换1到2个碳刷，且新旧碳刷型号必须一致。

5.4.3定期用直流钳型表测量各碳刷的电流分担均匀。

5.4.4用弹簧秤检查各碳刷所受压力应均匀稳定，其单位压力通常在1.1kg～2.5kg之间，各碳刷之间的不均压力差在5%以内。

六结束语
通过对这起发电机碳刷烧毁的处理及一年多的碳刷运行温度跟踪及维护，双河电站总结了一套碳刷和滑环运行维护的有效方法，可靠地控制住碳刷温度在适当的范围内运行，锻炼和提高了电站运行维护人员的专业素质和维护技能及此类突发事件应变处理能力，对以后保证设备安全、稳定运行，对流域其他电站机组碳刷运行维护工作均有较好的指导意义和借鉴作用。

参考文献：
[1] 宋正芳《电机电刷的应用与维护》哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1984 56-58
[2] 李克明、魏力、于存江《电刷的选择方法》长春大学学报2001年8月
[3] 文中所用数据来自双河水电站数据报表。