关于黄葛灏电站水轮发电机
励磁碳刷滑环发热的分析预防和应急处理
富益电力股份有限公司黄葛灏电站 陈 凌
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
1 前言
黄葛灏电厂3500千瓦机组励磁方式为静止型可控硅励磁系统，发电机刷架与导电环合二为一，其材料为铸钢，外圆周表面历次检修使用不锈钢焊条堆焊后车销处理。每个导电环上分别设置一排碳刷，刷握采用恒压式，为增加集电环表面和碳刷的接触面积，每极布置碳刷12只，电刷与集电环无独立的通风系统，冷空气直接对集电环和电刷进行冷却，也无专门收集碳粉的装置。发电机转子额定励磁电压240V，额定励磁电流255A。
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10A～50A。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冷空气带走，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℃左右。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100A，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Q 2、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Q 22 、碳刷热传导热量Q 33。
滑环的总体发热量为:Q′＝Q11+Q 22+ Q 33
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 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。
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。
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 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。
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更换碳刷。不可强行更换大量碳刷。
④ 外加散热装置，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。