发电机滑环碳刷发热的原因分析[1]

发电机励磁碳刷滑环发热的分析预防和应急处理分析•太暴露了……韩国厕所超NB标志•史上最超级恐怖的10个故事~你撑到第几个才发抖？AnalysisandpreventingabouttheFeverofCarbonBrushandSlipRingforGeneratorExcitationandEmergencyHandling华电国际十里泉发电厂（277103）耿道波摘要：碳刷和滑环是发电机动静接触和交换能量的设备，是发电机励磁系统的重要组成部分。但是运行中由于很多原因，时常出现发热现象，严重危及发电机的安全运行。本文通过分析励磁碳刷滑环发热的产生发展,引起碳刷、滑环发热的因素,结合几年来的实践经验,总结出发热的处理及严重发热时实用可行的两种应急处理方法，实用中取得了很大成效。进一步针对性地提出了正常运行的维护和注意事项。关键词：碳刷滑环发热分析预防应急处理Abstract:Thecarbonbrushandtheslipringisthegeneratoractionwithslipperywreathcontactandcommutationenergyofequipments.Aswellastheimportanceofthegeneratorexcitationsystemtoconstitutepart.Butcirculatingmediumoftenappeartohavefeverphenomenonbecauseofmuchreason,endangeringthesafemovementofthegeneratorseriously.Bypassingthecreationdevelopmentthatanalyticalcarbonofexcitationbrushesslipperywreathtohavefever,causingcarbontobrush,theslipperywreathhavefeveroffactor,combiningfulfillmentexperienceofseveralinthelastyears,theprocessingandseveritythattallyuptosetoutheathavefeverpracticalviabletwokindsofmeetanemergencytheprocessingmethod,practicalwontoobtainverygreatresult.Forwardandfurtheradducinghandingandnoticeswhilenormalrunning.Keywords:CarbonbrushSlip-ring;Fever;Analyze;EmergencyHandling0前言十里泉发电厂三十万千瓦机组励磁方式为静止型三机励磁系统，发电机刷架与导电环合二为一，每个环由两瓣拼成，其材料为铸硅黄铜。外圆周表面开有螺旋沟，并有沿集电环圆周均布斜30°的通风孔，以防止气垫现象及加强集电环本身的冷却。每个导电环上分别设置四排碳刷，以减小集电环表面的磨损。电刷与集电环有独立的通风系统，冷空气由两个集电环的外侧进入，中间出去，由装在转子上的两个并联的离心式风扇驱动。进风和出风均由管道引至厂房外部，有利于降低噪声和排出碳粉。发电机转子额定励磁电压365V，额定励磁电流2642A。刷握采用恒压式，每极碳刷共40块。碳刷是发电机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，然而实际运行中，碳刷与滑环发热现象极为普遍，如果不能及时有效地采取措施加以处理，或者处理不得当，将会扩大故障，造成严重发热、滑环烧坏，导致发电机停机事故；造成不必要的损失。2碳刷和滑环发热的产生发展过程碳刷正常运行中的温度一般在50℃～80℃，（温升40℃左右），碳刷电流分布整体比较平衡，每块碳刷工作电流在20A～100A。刷握弹簧压力比较均匀，碳刷活动自如且无振动卡涩现象。碳刷与滑环运行中产生的热量由通风系统带走。即发热与散热达到基本平衡。正常运行状态下，当负荷增加电流增大或个别碳刷工况变差时，温度会有短时少量增加或者不增加，系统能够维持平衡或达到新的平衡状态。但是如果碳刷变短、接触电阻和附加电阻变大、刷握弹簧压力变小、碳刷运行工况变差，当工作电流增加，温度变化时系统的平衡能力降低，部分碳刷温度将升高，从而整个系统温度升高。有时甚至达到无法控制状态。发热时电刷和集电环温度高达100℃以上，最严重时达到200℃～300℃。此时碳刷工作状态越来越差，碳刷电流分布很不均匀，少数碳刷电流达到300A，而另一些碳刷电流接近于零。大量碳刷出现不正常的跳动或卡涩，并出现大量火花，刷辫烧断或脱辫；碳刷与滑环摩擦声音变得尖锐刺耳。3引起碳刷、滑环发热的因素（1）碳刷发热量由4部分组成：碳刷自身电阻发热Q1，碳刷接触压降发热Q2，磨擦发热Q3，刷辫与碳刷接触电阻和散流电阻发热Q4。碳刷自身电阻发热：Q1＝I2·R（其中：I-流过碳刷的电流，R-碳刷电阻）碳刷接触压降发热：Q2＝I·△U（其中：△U-接触压降）磨擦发热：Q3＝F·v（其中：F-碳刷压紧力，v-碳刷与滑环的相对运动速度）接触电阻和散流电阻发热：Q4=I2·r(其中:I-流过碳刷的电流,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这四部分在碳刷发热总量中所占比例大小,随着碳刷运行阶段及状况的改变而不断变化。（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,碳刷热传导热量Q33滑环的总体发热量为:Q′＝Q11+Q22+Q33在滑环发热总量中，滑环自身电阻发热Q11所占比例甚小,可以互略；所以滑环的发热由碳刷的发热量决定，随着碳刷温度的整体变化，滑环温度随之将有不同程度的变化。4碳刷运行中发热的起因分析4.1碳刷电阻值增大碳刷使用过程中电阻值（包括自身电阻、刷辫与碳刷接触电阻和散流电阻）逐渐增大；滑环氧化膜太厚，使碳刷接触电阻大大增加，一方面使碳刷本身发热；另一方面使励磁电流分流到其它回路电阻小的碳刷上。同时使其他碳刷的电阻发热增加。4.2碳刷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；部分碳刷由于振动、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，这几种形式卡阻，用钳表仍可测得电流，容易被误导，但碳刷却已经失效，致使其它碳刷分配的电流增加，发热增加。4.3碳刷压力减小虽然为恒压刷握，但各个弹簧压力存在差异。用手拉动刷握弹簧，可明显感觉不同弹簧的压力差异；而且在碳刷磨短过程中，弹簧压力也会不同程度减少。压力小到一定程度，接触不稳定，接触压降增大，接触压降发热明显增加。同时由于弹簧压力不足，刷握和碳刷加长增加了碳刷侧面磨擦阻力，碳刷被阻在握内。4.4碳刷接触面形成气膜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，使流过碳刷的电流不稳定。在滑环表面开凹槽和磨花碳刷接触面虽然可以破坏气膜。但却使碳刷实际的接触面积减小。4.5电流平衡的破坏一般情况下，碳刷与滑环接触面的接触紧力较大，即接触压降小，所有碳刷工况相近，每条碳刷的电流大小接近，刷体的平均温度较低，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，但出现了氧化膜（氧化膜应均匀并有光泽）、气膜、卡阻等因素，碳刷磨短或弹簧压力降低，碳刷接触面的接触紧力减小，碳刷间电流重新分配，每条碳刷的电流差别增大。这个阶段时间长，且逐渐变化，不容易引起警觉。当环境温度升高或励磁电流增加时，随时可引起发热，造成平衡破坏。5发热的处理（1）当发热处于初期，发热温度不高，如100℃以内，此时可以采用调整部分工作不良的碳刷的方法。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刷握的弹簧；处理碳刷卡涩等措施，优化电流分配，减少发热量。（2）适当降低发电机的无功负荷，减少励磁电流，从而降低碳刷的工作电流，减轻发热。（3）出现个别碳刷断辫或脱辫，可先减小励磁电流；出现环火，则大量减小励磁电流，调整碳刷电流平衡后再更换碳刷。不可强行更换大量碳刷。（4）清理通风口，保持风道畅通，增加散热量。6发热严重时应急处理（1）当温度升高达到120℃以上，采取更换碳刷或调整刷握的措施已经不能降低整体温度，因为新换碳刷与滑环接触面积较少且不光滑，加上在这种恶劣工作环境下，无论分配的电流多少，热传导使其温度短时间很高，因此不能良好工作。另外由于整体温度较高，所有碳刷、刷握的工作条件很差，温度短时不但不能降低，而且将可能继续升高。此时最重要的措施是找出故障起因，降低工作温度，改善碳刷、刷握的工作条件。（2）采用拔除故障碳刷的方法①如果正常运行中，工作电流和环境温度变化不大，而碳刷温度严重升高，部分碳刷出现振动，这种情况主要可能是因为少量碳刷故障引起（如电阻增大、弹簧压力减小、，碳刷卡涩、碳刷断辨等）。此时应准确判断出引起发热的碳刷，将其拔除，消除“害群之马”。使其他运行正常的碳刷重新正常工作，进入正常平衡状态。这种做法的关键是做出准确判断，故障碳刷一般表现为振动较大，电流较大，其温度高于整体温度。如果不能判断或判断不准确，可以用试验的方法每隔一段时间依次取出一把碳刷，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。②效果分析碳刷设计上有很大余度，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，另一方面消除或降低了产生振动的因素。（3）采用涂抹凡士林的方法①用洁净的软毛刷蘸取少量的干净的凡士林，轻轻地涂于滑环表面；或者取下刷握将凡士林涂于碳刷顶部。涂抹凡士林时切记注意安全，要做到少量多次均匀。在很多次出现严重发热时，碳刷与滑环温度升到300℃以上，整体温度很高，电流分布很不平衡。碳刷有轻微抖动现象。我们在碳刷和滑环涂抹少量凡士林，经过几分钟后温度由300多度迅速降低到80℃左右；又过了几分钟降到了60℃左右，恢复了正常。由此可见，此种方法是卓有成效值得一试的，尤其是振动为引起发热主导因素的机组，可以有效减轻振动效应。通过处理，避免了不必要的停机事故。②功能分析凡士林为油壮物质，常用作润滑剂。具有良好的粘附性、抗水性、拉丝性、低温性和化学安定性，用于金属零件、机器的防锈和橡胗软化剂。外观为淡褐色至深褐色均质无块软膏，滴熔点为45℃-80℃，运动粘度(100℃)10~30mm2/s。闪点（开口）不低于190℃。由其性能特点可见，涂抹凡士林，使碳刷得到很好润滑，大大降低振动，使接触部位得到良好接触，同时滴熔时也吸收了少量热量；清除了滑环上部分碳粉和灰尘。改善了碳刷的工作条件。所以可以很快降低整体温度。7正常运行的维护和注意事项（1）检查集电环上的碳刷有无冒火现象，如出现火花，应设法进行处理。碳刷发生火花的原因和消除方法见表1。表1碳刷发生火花的原因和消除方法出现火花可能的原因和性质消除方法碳刷研磨不良，其接触面积过少重新研磨碳刷碳刷型号不符合规定，或不同型号碳刷用在同一集电环上更换制造厂指定的或经过试验合格的碳刷刷架位置不对调整刷架位置，使其轴线与集电环的轴线平行刷握与集电环之间的间隙不符合规定调整其间隙使其符合要求（3～4mm）碳刷和引线，引线和端子间连接松动，发生局部火花拧紧碳刷和引线弹簧发热变软失去弹性，碳刷压力不均更换弹簧（碳刷在刷握中应能自由活动，碳刷压力应为0.015～0.02Mp）碳刷磨损后长度过短更换碳刷碳刷在刷握内摇摆或积垢不能在刷握内自由活动，火花随负荷增加而增大检查碳刷在刷握内能否自由活动，更换摇摆和滞涩的碳刷，清理刷握积灰集电环磨损不均或表面不平，跳动过大及机组振动过大引起碳刷振动，火花随振动而变查明振动原因并消除，在停机时检查集电环的状态（2）经常检查碳刷的活动情况。用提刷的方法检查鉴定碳刷在刷握内上下活动是否自由，有无卡刷和碳刷焊附在刷握壁的现象（碳刷与刷握配合的间隙太小会产生卡刷现象；碳刷受力不合理时，会产生碳刷焊附现象，当碳刷工作时上下微动，