发电机碳刷打火的原因分析和应急处理

发电机碳刷打火的原因分析和应急处理
摘要：该文主要介绍了西门子THDD108/44型发电机碳刷发热的原因，解决的方法。

并且根据我们日常维护、检修中积累的经验做出了一些简单的介绍。

关键词：发电机发热量分析处理维护碳刷
一期6台350MW发电机全为西门子生产的THDD108/44型全氢冷却汽轮发电机。

励磁系统为静态励磁系统，额定励磁电压378V，额定励磁电流3966A。

刷握采用恒压式，每极碳刷共40块。

发电机滑环外圆周表面开有螺旋沟，并有沿滑环圆周均匀分布斜30°的通风孔，以加强碳刷与滑环的对称冷却。

每个环上有40个碳刷（8组），碳刷型号NKF634，碳刷尺寸32×32×64mm，额定电流密度8～10A/cm2，最小不低于6A/cm2，最大不超过12A/cm2，在额定工况下，最大电流123A，最小电流61A。

碳刷与滑环有独立的通风系统，冷空气由两个滑环的两侧进入，中间出去，空气的流通主要由装在转子双流轴流式风扇驱动。

发电机刷握是恒压式的如图1。

发电机碳刷运行的好坏，直接关系到机组的稳定运行，正常运行中，发电机碳刷发热、打火、跳动的现象很普遍，如果不能及时的发现、处理，极有可能造成机组非停或者设备损坏等重大事故。

1 碳刷、滑环发热量的组成
(1)碳刷发热量由以下几部分组成：
1）碳刷自身电阻发热：Q1＝I2*R（其中：I-每块碳刷的电流，R-碳刷电阻）
2）碳刷接触压降发热：Q2＝I*△U（其中：△U-接触压降）
3）磨擦发热：Q3＝F*v（其中：F-碳刷对滑环的压力，v-碳刷与滑环的相对速度）
4）接触电阻和散流电阻发热：Q4=I2*r (其中:r-接触电阻和散流电阻等效值)
碳刷总体发热量为:Q＝Q1+Q2+Q3+Q4
(2)滑环的发热由3部分组成：滑环自身电阻发热Q11,碳刷接触压降发热Q22,摩擦发热Q33正常情况下，滑环的发热量基本是由碳刷的发热量决定的。

2 碳刷运行中发热、打火的原因分析
1)碳刷电阻增大更换的新碳刷由于材质不同，电阻增大；或者是接触电阻增大，碳刷电流会变小，引起其他碳刷电流增大。

如我厂3号机组在2004年1～4月份期间外环有一圈碳刷电流小（1～10A），从刷握里取出的碳刷来看脏污情况比较严重，特别是碳刷与滑环接触面有一层油膜，油膜的电阻率大，导致碳刷电流变小。

后来机组检修
发现是发电机6瓦存在轻微漏油，由于滑环的对称冷却，将油吸入碳刷刷握内、滑环等处。

2)碳刷卡阻机组长周期运行时，碳刷磨出的碳粉不能完全被排走，碳粉造成碳刷在刷握内卡涩，碳刷与滑环接触不良，碳刷电流不平衡。

3)刷握弹簧压力减小刷握弹簧的压力不可避免的要有衰减，我厂机组到目前为止已经运行了十几年，特别是最早投产的1号机组，其刷握弹簧用手压明显感到压力有差异，当弹簧压力小到一定程度，接触面会接触不良，碳刷电流不平衡。

4)滑环表面不光滑碳刷在额定转速下运行，如果滑环表面不光滑，碳刷就会在刷握内跳动，产生环火，从而是碳刷、滑环温度升高。

5)电流平衡的破坏正常工况下，碳刷与滑环接触面的接触良好，即接触压降小，所有碳刷运行情况相近，每个碳刷的电流大小在合适的范围内，温度较低，碳刷间电流相对稳定平衡。

运行一段时间后，碳刷的磨损量相近，但是有的碳刷可能在接触面形成氧化膜，或者由于积粉造成碳刷在刷握内卡阻，而有的碳刷接触面良好，解除电阻较小，电流较大，温度升高，形成抢电流的现象。

破坏电流的平衡。

3 发热的处理
1）当碳刷、滑环发热温度在100℃以内时，可以调整部分电流过大或者过小的碳刷。

如更换磨损较短的以及工作电流很小的碳刷；调整或更换部分弹性较小的刷握；处理碳刷卡涩等措施，使每个碳刷电流分配均匀，减少发热量；如果是对称冷却的通风口积粉严重，碳粉堵塞风道，碳刷与滑环内热量散发不出去，也会导致温度升高。

2）
当温度升高达到100℃以上，甚至更高时，采取更换电流不平衡的碳刷或调整刷握的措施已经不能降低其温度，因为更换的新碳刷与滑环接触面积小，并且新碳刷的表面粗糙。

不管其电流大小多少，只要装上碳刷，温度就会很快升高，这时候就应该及时查明温度升高的原因，消除缺陷，使碳刷、滑环在正常的环境温度下运行。

3）拔出故障碳刷的方法。

正常工况下运行时，机组的负荷变化时，由于碳刷电流也有波动，故而温度由较小幅度的摆动。

如果某个碳刷温度异常升高，或者个别碳刷出现跳动现象，这种情况主要可能是因为碳刷故障引起（如电阻增大、弹簧压力减小、碳刷卡涩、碳刷刷辫断等）。

也有可能是滑环故障引起的（因为我厂的滑环有一圈通风沟，如果通风沟里有异物卡涩，也可能造成跳环）。

此时应准确判断出引起发热的原因，如果是碳刷原因，将其拔出，使其他运行正常的碳刷重新正常工作，进入正常平衡状态。

如果是滑环的原因，由于转子转速较高，不容易处理，需等到停机时处理滑环。

这种情况下最关键的是做出准确判断，如果不能判断或判断不准确，可以用试验的方法间隔依次取出一个碳刷，直至整体温度出现明显降低。

待系统温度恢复正常后，再将所取出碳刷处理良好重新装上。

例如：我厂#5发电机在2012年下半年期间，内环E5刷握拔不出来，原因是刷握上有一卡簧锈蚀，导致销钉掉入滑环，整个E环的碳刷与滑环的接触面不平，碳刷电流较大。

由于运行期间无法处理，一直是处于拔出状态下运行，2013年春节停机处理后，现运行正常。

碳刷在设计上都有一定的余度，故拔除少量碳刷不影响正常运行，拔除故障碳刷一方面去除了发热严重的碳刷，
抵制了温度进一步升高，另一方面消除隐患，确保机组稳定运行。

4）涂抹凡士林的方法，凡士林为油脂状的石油产品，常用作润滑剂，绝缘剂。

具有良好的粘附性、抗水性、拉丝性、低温性和化学稳定性，涂抹凡士林能使碳刷得到很好的润滑，大大降低振动，使接触部位得到良好接触，同时也清除了滑环上部分碳粉和灰尘，带走了少量的热量，改善了碳刷的工作条件。

所以可以很快降低运行温度。

具体的方法是：用干净的毛刷蘸少量的干净的凡士林，轻轻的刷在滑环的表面，一定要注意安全，防止滑环绞住毛刷；或者将少量的凡士林刷在碳刷的接触面部位，涂抹时一定要少量多次的涂抹，涂抹须均匀，如我们厂二期#8机组曾多次出现碳刷、滑环发热严重的情况，严重时温度达到180℃以上，多个碳刷有跳动、打火现象。

我们在碳刷、滑环位置涂抹凡士林后，温度很快就降到100℃以下，经过我们多次反复处理，碳刷温度最后稳定在60℃左右，碳刷电流也有原来的分布不平衡到电流比较均匀。

由此说明，涂抹凡士林的方法是处理这种情况下的一种行之有效的办法，尤其是在处理碳刷出现跳环时，效果非常明显，避免机组不必要的停机。

4 正常运行的维护和注意事项
1）运行人员每天测量一次碳刷电流，每班都必须认真巡检发电机碳刷、滑环的运行情况，发现有碳刷电流不平衡、碳刷卡涩现象，及时通知维护人员处理。

2）维护人员应定期测量碳刷电流、长度及滑环、刷架温度，并认真填写碳刷电流测试表。

如发现碳刷磨损到达标定位置应及时更换。

3）定期清理碳粉，特别是碳刷与刷架之间解除部位，如果碳粉过多，会导致碳刷卡涩，进而碳刷电流不平衡。

4）更换的碳刷、刷握必须采用同型号、同厂家、同形式的产品，为了保证碳刷与滑环表面接触良好，新更换的碳刷应打磨表面。

必要时刷握的恒压弹簧也需要进行必要的测试。

5）在机组停机期间对滑环、碳刷架、碳刷握、碳刷进行彻底的清理、检查、打磨。

6）发电机大修期间，应检查滑环的椭圆度，对有椭圆度的应进行研磨，然后用油石进行打磨，以保证滑环表面的光滑度。

7）发电机大修期间，应逐个对刷握的恒压弹簧进行测试，一般压力在1.2～1.6公斤，碳刷在刷握内有0.1mm的间隙，及时更换不合格的刷握。

8）加强对运行人员进
行碳刷、碳刷刷握、滑环的维护培训，以保证在紧急情况下运行人员能做出正确的判断。

参考文献
[1] 阳城国际发电有限责任公司6*350MW西门子发电机说明书及图纸.
[2] 西门子C311.第三卷.。