发电机碳刷打火原因和预防措施

检修公司电气分公司技术讲课发电机碳刷打火原因和预防措施电气分公司侯友衡Page2主要内容Page3一.碳刷的作用：1.将外部电流(励磁电流)通过碳刷而加到转动的转子上.发电的原理，是磁场切割导线后，在导线产生电流。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发电机产生的励磁电流送入转子线圈的。Page4一.碳刷的作用：200MW机组整流柜Page5一.碳刷的作用：300MW励磁机消音罩（旋转整流励磁、无刷）Page6一.碳刷的作用：300MW励磁机小间Page7一.碳刷的作用：300MW发电机消音罩、滑环刷架Page8一.碳刷的作用：2.将大轴上的静电荷经过碳刷引入大地(接地碳刷)Page9一.碳刷的作用：3.将大轴(地)引至保护装置供转子接地保护及测量转子正负对地电压.4.改变电流方向(在整流子电机中，电刷还起着换向作用)除了感应式交流异步电动机没有外。其他的电机都有，只要转子有换向环的都有。碳刷它的作用主要是对金属磨擦的同时导电；它不象金属对金属磨擦导电时一样；金属对金属磨擦导电时；磨擦力可能会增大；同时交接的地方可能会烧结在一起；而碳刷则不会；因为碳和金属是两种不同的元素；它的用途多半都用在电动机上；型状是多种多样的；有方的有圆的等等……  碳刷适用于各种电动机、发电机、轮轴机。具有较好的换向性能，使用寿命长。碳刷是用于电机的换向器或滑环上，作为导出导入电流的滑动接触体，它的导电，导热以及润滑性能良好，并具有一定的机械强度和换向性火花的本能。几乎所有的电机都使用碳刷，它是电机的重要组成部件。广泛适用于各种交直流发电机，同步电动机，电瓶直流电动机，吊车电机集电环，各型电焊机等等。随着科学技术的发展，电机的种类和使用的工况条件越来越多样化，因而需要有各种不同品级的电刷来满足这些要求，故电刷的种类也随着电机工业的发展而越来越多。Page10一.碳刷的作用：Page112碳刷的分类碳刷分类方法有：1.按材质的软硬可分为软质碳刷，中硬质碳刷和硬质碳刷。2.按碳刷的使用对象可分为汽轮发电机用碳刷，轧钢电机有用碳刷，牵引电机用碳刷，汽车拖拉机用碳刷，电动工具用碳刷，飞机电机用电等。3.按碳刷的颜色分为黑色碳刷(用纯碳石墨材料制成)和有色碳刷(用铜等金属材料和石墨制成)。4制作工艺：金属石墨类：该类碳刷的主要材料是电解铜和石墨。天然石墨类：天然石墨是该类碳刷的主要原材料黏结剂采用沥青或树脂，经过烘焙或1000度烧结而成。这类电机有良好的润滑性能和集流性能。多数用于运行平稳的中小型直流电机和高速汽轮发电机集电环。电化石墨类：要成分是碳黑、焦碳和石墨等各种碳素粉末材料组成，经2500度高温处理，使转化为微晶型人造石墨。这类碳刷具有优异的换向性和自润滑性能。Page123碳刷打火的原因集电环-碳刷装置的火花故障不是一种频发性故障，也不是一种很难分析判断的故障，但根据最近的事故统计资料表明，近年来由于环火造成发电机滑环烧毁恶性事故却逐渐增多，通过我公司1号发电机碳刷环火集电环烧损这一发电机典型事故和根据近十多年我公司发电机碳刷运行状况，分析了由碳刷、集电环造成发电机滑环火花故障的原因，介绍了防止碳刷及集电环事故的预防措施。Page133碳刷打火的原因公司1号发电机曾因励磁碳刷环火造成1次事故。当时机组容量为200MW，发电机的励磁形式为他励，额定励磁电流1765A，励磁碳刷采用非恒压形式，主励每极32条碳刷，碳刷型号为D172HT（国产哈尔滨产）。事故发生后检查发现滑环侧损坏非常严重，南北两个刷架上的刷握大部分烧熔或部分烧熔，弹簧烧熔及断裂情况普遍，造成部分碳刷脱出。固定刷握的铜支架也大多烧熔或部分烧熔。碳刷刷辫大多烧断，部分碳刷烧熔。两侧刷架各有几个电弧烧伤点。经申请中调同意转入小修。如果现在出现类似事故，对于我公司经济损失将是非常大的，一是滑环生产周期限制，短时间内不能生产出来，现在在哈电上电东电等国内大型生产厂家，都是按订单生产，且排的非常满。二是两个细则考核非常严格，所以从另一个角度来说，我们也出不起这种事故。Page143碳刷打火的原因近几年时间内，1号2号发电机相继发生滑环过热，碳刷打火情况，最为严重的是2004年4月-10月长达半年的时间内（电气分公司派专人24小时轮流监视调整），1号机主副励滑环碳刷严重过热打火，有时会出现瞬间环火，主励碳刷刷辩温度最高达到250℃以上，情况最危急的一次接连烧断碳刷刷辩6块（每极滑环32块碳刷），另有多块碳刷因负担电流过大造成过热而卡涩，严重威胁机组安全运行Page153碳刷打火的原因Page163碳刷打火的原因Page173碳刷打火的原因Page183碳刷打火的原因mTmsPage19通风不良3碳刷打火的原因Page203碳刷打火的原因集电环和电刷是通过相互滑动接触导通励磁电流的，根据容量及型号的不同，每个集电环上大约分布着32只电刷，由于接触电阻的不同，电流分配的差异，会导致发热不均匀Page21有以下几个原因：（1）电刷与集电环表面接触电阻、电刷与刷辫接触电阻、刷辫与刷架引线接触电阻过大。同时检查回路中各螺丝是否紧固。检查电刷接触面的清洁程度，是否存在油污污染。（2）电刷压力不均匀或不符合要求。一般非恒压弹簧碳刷新换上和压紧弹簧，碳刷与滑环接触面的接触紧力较大，即接触压降小，所有32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。另外，非恒压碳刷随着碳刷的磨损，弹簧压力也会明显减小，压力小到一定程度，接触不稳定，接触压降增大，发热增加。对以上情况，可使用弹簧秤检查电刷压力，非恒压的电刷弹簧，有规定时压力应符合其产品的规定，当无规定时，应调整到不使电刷冒火的最低压力，一般为140－250g/cm2，同一刷架上每个电刷的压力应均匀。3碳刷打火的原因Page223碳刷打火的原因（3）集电环与转子引线接触电阻过大，这种情况应对集电环与转子引线间的紧固螺丝进行加固。（4）电刷材质不良、导电性能差、使用的型号不符合要求或者使用了不同型号的电刷。同一电机上应使用同一型号、同一制造厂的电刷，对于外观检查有明显差异的电刷应更换。（5）碳刷使用过程中电阻值逐渐增大。将购买的新碳刷用电桥法测量：上海摩根碳刷其直阻值为0.018～0.020Ω，法国罗兰碳刷其直阻值为0.0017～0.0019Ω，电阻分散性不大（不同牌号的碳刷其阻值相差很大，所以严禁不同牌号的碳刷混用）；另外测量在机组使用一段时间后更换下来的碳刷，测得上海摩根碳刷直阻值为0.018～0.02Ω，法国罗兰碳刷其直阻值为0.002～0.009Ω，电阻分散性不大即部分碳刷的电阻增大了；将曾经严重过热的碳刷拆下测得电阻值为0.02～0.3Ω，电阻分散性很大，电阻也大了许多，电阻值的增大使碳刷的电阻发热增加，同时也造成了电刷电流分配的不均匀。Page233碳刷打火的原因集电环与电刷过热故障中，很大一部分是由于机械及摩擦等原因导致的过热，在我公司#1#2发电机起机时而未加励磁的情况下（一般定速以后投入励磁系统），曾经发现集电环与电刷温度高，或者在运行中温度过高，一般电刷温度超过100℃时，拔出几只电刷后，温度反而降低，那就基本可以肯定是由于机械及摩擦原因导致的。机械及摩擦导致发热的情况很复杂，主要有以下几个方面：（1）电刷接触面研磨不良或运行中一次更换过多的电刷。运行中更换电刷，在同一时间内，每个刷架上最多只允许更换电刷总数的1/4左右。换上的新电刷应事先在与集电环直径相同的模型上研磨好，且新旧牌号须一致。如果在大修时一次更换的电刷很多，应当在投运前冲转时，为电刷表面形成氧化膜留够充足的时间。（2）电刷与集电环接触面过小，接触面积一般不应小于单个电刷截面的75％。（3）电刷在刷盒中摇摆或动作卡阻。碳刷通过电流后发热，刷体膨胀，易卡在刷握，这时拉动刷辫感觉很紧；部分碳剧由于振动、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，为防止此类现象发生，在安装时一要保证刷握垂直，另外碳刷与刷握之间的间隙应符合产品的规定，当无规定时，其间隙可为0.10－0.20mm。电刷外形要方正，上下端尺寸误差不得大于0.05mm。（4）刷握与集电环表面间隙过大。由于电刷材质较脆，当刷握与集电环表面间隙过大时，运行中电刷不能整体接触集电环，与集电环呈斜面接触，容易造成电刷崩裂的情况。刷握与集电环表面的间隙应符合产品技术要求，当产品无规定时，其间隙可调整为2－3mm。调整间隙时，可使用一层2－3mm厚的橡胶垫附在集电环表面，将刷握抵到橡胶垫上，然后上紧定位螺丝，取出橡胶垫。（5）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。Page243碳刷打火的原因滑环由于长时间磨损，碳刷压力不均匀以及刷盒安装角度不与滑环垂直，造成圆度和锥度超标，造成碳刷在运行过程中产生跳振现象，我公司一期两台励磁机副励滑环都出现过此类现象。Page254碳刷打火的预防措施Page264碳刷打火的预防措施氧化膜的形成需要一些条件，当条件不满足时，氧化膜无法形成或形成不良，主要有以下几个原因：（1）温度过高：电刷的氧化膜一般在70℃左右较易形成，当集电环、电刷出现过热故障时，通常温度都在150℃以上，在05年夏季#1发电机碳刷严重打火期间，最高曾测得225℃，此时即便换上新的电刷，氧化膜也不易形成，无法起到润滑作用，电刷磨损将加剧，导致温度继续升高，成为恶性循环。此时可采取外部强迫降温的方法，譬如涂抹凡士林、大功率风扇通风等手段，使集电环温度降到正常范围内，持续一段时间，让电刷表面氧化膜逐渐形成，使之进入良性循环状态。（2）冷却空气中有污染性杂质：空气中的杂质对电刷表面氧化膜的形成将带来不利影响，这些杂质包括：硫化物或卤族元素的腐蚀性气体、空气中油气混合物、粉尘、铁屑、铁锈粉尘、碳粉等其他杂质。我公司1号、2号、5号、6号发电机曾经由于消音罩轴封或轴瓦密封轴封间隙调整不合适和漏油，致使滑环和碳刷上附着油污和粉尘，另外电刷磨损时，本身会产生碳粉的粉尘杂质，可采用在刷架罩冷却通风循环通道上安装过滤装置来改善刷架罩内的空气质量，我公司一期两台发电机均已安装。（3）空气湿度太低或含氧量太低：电刷表面氧化膜的形成需要空气中有一定的水分含量，即空气湿度不能太低，但也不能太高。另外，氧化膜的形成主要与空气中的氧气发生氧化作用而产生，当含氧量过低时也不利于氧化膜的形成。Page274碳刷打火的预防措施氧化膜无法形成或形成不良除与上述因素有关外，表面光洁度还有电刷过度研磨、使用溶剂（清洗剂）进行擦拭、集电环不良以及碳刷材质不合格等原因。Page284碳刷打火的预防措施Page294碳刷打火的预防措施将消除碳刷火花的被动管理形式改为控制碳刷电流分配和温度的主动管理形式。加强电刷、集电环系统的专职维护制度，提高专责人的技术水平。在生产现场配备直流钳表和测温表，每班测量和掌握每个碳刷电流和温度，碳刷电流控制在10～90A，刷体温度控制在不大于80℃，及时消除电流不平衡、气膜、氧化膜、卡阻等因素，保证碳刷在强平衡状态工作。消除碳刷太短、电阻值变大、卡阻、阶梯形四面体等现象。Page304碳刷打火的预防措施有时因为机组振动或滑环表面光洁度不良而造成碳刷跳动，后果一是容易造成碳刷边角脆裂，二是造成碳刷单边磨损犯卡过热，此时可采取在碳刷和压簧之间加装楔形垫片，使碳刷的受力方向与发电机旋转方向相反，可避免碳刷在运行中出现跳振