李思國，劉 斌，張國慶

（1.山西興能發(fā)電有限公司，山西太原 030206；2.中國能源建設(shè)集團電力建設(shè)一公司，山西大同 037043；3.山西大學(xué)，山西太原 030013）

汽輪發(fā)電機滑環(huán)碳刷裝置故障分析及處理方法

李思國1，劉 斌2，張國慶3

（1.山西興能發(fā)電有限公司，山西太原 030206；2.中國能源建設(shè)集團電力建設(shè)一公司，山西大同 037043；3.山西大學(xué)，山西太原 030013）

指出大型發(fā)電機的勵磁方式主要有靜態(tài)勵磁與旋轉(zhuǎn)勵磁，滑環(huán)碳刷裝置又是靜態(tài)勵磁的關(guān)鍵部件，通過對汽輪發(fā)電機滑環(huán)碳刷裝置的作用、結(jié)構(gòu)以及裝置中各部件的常見故障進行分析，根據(jù)20多年的檢修經(jīng)驗總結(jié)出常見故障的處理方法及日常維護要點，應(yīng)用這些方法檢修維護能保證機組長期安全運行，減少故障發(fā)生，避免了企業(yè)不必要的經(jīng)濟損失。

發(fā)電機；滑環(huán)碳刷裝置；刷握；壓簧壓力

0 引言

大型汽輪發(fā)電機滑環(huán)碳刷裝置正常的檢修維護量并不算大，只要維護得當就能保證滑環(huán)碳刷裝置的正常運行，如果不了解滑環(huán)的維護要點，勢必造成滑環(huán)在運行中發(fā)生故障，給發(fā)電機的安全運行造成威脅。

1 發(fā)電機滑環(huán)碳刷裝置的作用

滑環(huán)碳刷裝置是發(fā)電廠選用靜態(tài)勵磁方式時必不可少的，是用來將整流裝置變換出的靜止的直流電流提供給旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組用作勵磁電流，建立勵磁磁場，通過電磁感應(yīng)原理由汽輪機拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機械能向電能的轉(zhuǎn)換。

2 發(fā)電機滑環(huán)碳刷裝置的結(jié)構(gòu)

發(fā)電機滑環(huán)碳刷裝置主要指滑環(huán)與碳刷裝置。

2.1 滑環(huán)裝置的結(jié)構(gòu)

滑環(huán)是合金鋼鍛件經(jīng)過加工和熱處理后，熱套于轉(zhuǎn)軸絕緣套筒上的環(huán)形構(gòu)件。滑環(huán)在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上成對安裝，在發(fā)電機上依據(jù)提供勵磁電流的正負極性對應(yīng)分為正負極滑環(huán)。正負極滑環(huán)中間為一個離心風扇即滑環(huán)風扇，發(fā)電機運行中通過其鼓風提供的冷卻風量來冷卻運行中由滑環(huán)與碳刷導(dǎo)電、摩擦產(chǎn)生的熱量?；h(huán)表面都有等距離的矩形螺紋槽，可以使碳刷與滑環(huán)接觸面的各個部分輪流導(dǎo)電與輪流冷卻，減少刷面局部過熱。

2.2 碳刷裝置的結(jié)構(gòu)

碳刷裝置通常由刷握、刷握座、刷架、碳刷、底架、引線組成。

刷握及刷握座組件是表面鍍銀的銅質(zhì)部件。刷握座用螺栓緊固在鍍銀匯流環(huán)上，刷握由刷盒和恒壓彈簧及附件組成，其上絕緣手柄可以在機組運行時更換碳刷，恒壓彈簧能給刷盒內(nèi)的碳刷提供一個作用于碳刷中心線上的恒定壓力。

刷架是金屬結(jié)構(gòu)件組成的左右分瓣的組合框架，由導(dǎo)電環(huán)、刷座及風罩部件組成，對地要絕緣。用螺栓將它與導(dǎo)風圈、匯流環(huán)連城一個整體，緊固在底架上。具有支撐、導(dǎo)風、匯流與絕緣等功能。

碳刷是以天然石墨為基料的多種添加劑及粘接劑的混合體，性能好的碳刷必須具有較低的摩擦系數(shù)，較高的自潤滑能力和載流能力，能適應(yīng)一定線速度下運行。

3 發(fā)電機運行中滑環(huán)碳刷裝置常見故障分析

3.1 碳刷常見故障分析

3.1.1 碳刷的過渡磨損

碳刷過度磨損是常見問題，往往發(fā)現(xiàn)壓簧由于自身彈力收緊進入刷盒內(nèi)部，這時碳刷磨損量達到或超過三分之一到二分之一程度的情況。

過渡磨損使碳刷與滑環(huán)的接觸電阻增大，運行中會引起發(fā)熱等不良后果，也會引起壓簧壓力變化出現(xiàn)碳刷氣墊或跳躍現(xiàn)象，造成壓簧壓接部位發(fā)生偏移，碳刷受力不均勻與滑環(huán)接觸面積變小，引起碳刷斜磨，接觸電阻變大、從而進一步加劇發(fā)熱，引起碳刷冒火等問題發(fā)生。

3.1.2 碳刷在刷盒中卡澀

碳刷可能不是規(guī)則的矩形體，在刷盒內(nèi)有卡澀的現(xiàn)象；另外碳刷的研磨不到位，碳刷相對刷盒的尺寸較大，或者刷盒使用后盒內(nèi)有氧化蛻皮損傷等跡象，使得與碳刷的接觸部位有凸起，導(dǎo)致卡澀。壓簧壓偏沒有正對碳刷中心位，以及清理不及時刷握積灰或刷盒內(nèi)有異物導(dǎo)致碳刷卡塞。碳刷與刷盒配合間隙小，在正常運行時碳刷由于滑環(huán)的轉(zhuǎn)動在刷盒內(nèi)處于上下微小振動中，相互的接觸電阻太小在熱和電的作用下會造成碳刷粘附在刷盒壁上發(fā)生卡澀現(xiàn)象。所有的卡澀現(xiàn)象都可能引起碳刷等燒損事故。

3.1.3 碳刷銅辮斷裂

引起這種現(xiàn)象的原因有以下幾方面。

a）制造質(zhì)量本身的問題，即碳刷的軟銅線與銅線鼻子加工焊接不牢固或使用中作業(yè)人員沒有正確操作使得組成刷辮的軟銅線部分股數(shù)折斷，使用中碳刷本身的振動及冷卻風的擾動使刷辮與刷握接觸部位的連接螺栓處易發(fā)生疲勞斷裂。

b）更換碳刷時作業(yè)人員由于未掌握作業(yè)工藝，未將碳刷刷辮線鼻子與刷握連接牢固，或在使用中由于接觸電阻變大長時間運行時燒斷。

c）碳刷制造時不統(tǒng)一考慮壓簧壓力的不均勻，使得運行中各個碳刷的電流不太一致，如電流范圍20～90 A，這樣在運行中就會造成大電流的碳刷發(fā)熱而燒斷刷辮，最后導(dǎo)致其他碳刷電流加大。惡性循環(huán)會引起更大的環(huán)火故障或發(fā)電機失磁現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 刷握及刷握座氧化剝落故障分析

由于制造時材質(zhì)本身的缺陷，金屬內(nèi)部微小的裂縫在通常情況下不易發(fā)現(xiàn)，再加上本身加工后要進行鍍銀處理使得處理過的表面比較光滑，不易被發(fā)現(xiàn)，長期運行中在電流作用下發(fā)熱氧化、變形，隱形缺陷就逐漸暴漏出來。另外，使用中可能是不太注意安裝時的操作規(guī)范使得在刷握及刷握座的接觸導(dǎo)電部位由于碰撞或擠壓變形損傷，長時間通電發(fā)熱氧化出現(xiàn)氧化剝落現(xiàn)象。

3.3 壓簧常見故障分析

a）壓簧壓力降低。發(fā)電機長期運行壓簧一直保持在45～70℃之間，再加上壓簧本身疲勞的效應(yīng)使得彈簧的壓力要比新投運時有所降低。

b）壓簧脫落，這主要是制造質(zhì)量問題，制造廠對壓簧的鉚接不太牢固，如在某單位600MW 3號機組在使用中就發(fā)生過1個4孔的刷握有1個鉚釘出現(xiàn)晃動斷開問題。

c）壓簧使用中錯位，主要有壓簧卷繞的不規(guī)則在出刷盒孔拉伸時與孔底對應(yīng)位置有卡澀現(xiàn)象；另外，在按壓碳刷時成卷狀的壓簧沒有正面壓在碳刷對應(yīng)按壓孔內(nèi)，而是斜著按壓孔的偏左或偏右側(cè)位置，錯位容易使碳刷與滑環(huán)的接觸傾斜，導(dǎo)致碳刷偏磨與刷盒卡澀和滑環(huán)接觸不良，引起發(fā)熱等問題。

3.4 滑環(huán)常見故障分析

3.4.1 滑環(huán)（碳刷）過熱甚至環(huán)火

這是最惡劣的事件，輕微的環(huán)火不會導(dǎo)致運行事過，嚴重的可能燒壞碳刷、刷握、刷握座、碳刷架、甚至滑環(huán)等嚴重事故。

如2002年11月國電太原第一熱電廠13號300MW發(fā)電機組運行中由于碳刷運行不良，引起滑環(huán)碳刷發(fā)熱導(dǎo)致環(huán)火，造成滑環(huán)碳刷燒損停機故障。

2005年2月20日17：45，洛河電廠4號機300MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子滑環(huán)碳刷環(huán)火，造成發(fā)電機外側(cè)外滑環(huán)刷架嚴重燒損，刷架內(nèi)40余只碳刷、刷盒嚴重燒熔，轉(zhuǎn)子接地停機的嚴重事故。

引起環(huán)火的主要原因是碳刷與滑環(huán)的接觸不良，接觸不良指接觸電阻偏小或偏大。接觸電阻小使得流過碳刷的電流就大，可能超過設(shè)計的載流量引起碳刷滑環(huán)發(fā)熱出現(xiàn)環(huán)火，或接觸電阻大在電流作用下產(chǎn)生電阻發(fā)熱引起環(huán)火。

引起環(huán)火的另外原因是滑環(huán)碳刷間氣墊作用，間斷導(dǎo)電放電發(fā)熱引起環(huán)火，以及滑環(huán)碳刷間有異物引起碳刷電流嚴重不均勻引起發(fā)熱，或異物灰塵堵塞冷卻風的流動加速熱量的聚集引起發(fā)熱導(dǎo)致環(huán)火。壓簧壓力不均勻引起碳刷電流嚴重不平衡，大電流下碳刷過熱燒斷刷辨惡性循環(huán)，電流重新分布后又加劇其他碳刷過流過熱引起環(huán)火的惡性事故。

3.4.2 受到潤滑油污染

由于滑環(huán)碳刷裝置緊靠發(fā)電機勵側(cè)軸瓦位置，容易受到潤滑油的污染。某單位600WM機組中滑環(huán)碳刷裝置緊挨的是位于發(fā)電機勵端的九瓦。在2010年9月就發(fā)生一次因為九瓦漏油污染滑環(huán)事件，部分碳刷導(dǎo)電能力變差，有的電流很小為3～5 A，而其他碳刷電流為40～90 A。

3.4.3 滑環(huán)嚴重磨損

a）機械磨損。在彈簧壓力作用下碳刷和滑環(huán)表面接觸，材料彈性變形的緣故，接觸部分互相嵌入，滑環(huán)轉(zhuǎn)動時就有相對運動，在摩擦作用下形成磨損。碳刷質(zhì)量較次，內(nèi)含粗硬顆粒，滑環(huán)表面可能出現(xiàn)金屬光澤或紋路；另外，更換碳刷時在碳刷滑環(huán)間粘附其他硬質(zhì)微小顆粒或滑環(huán)碳刷裝置周圍環(huán)境較差有灰塵等擴散物，污染了滑環(huán)碳刷裝置。

b）電氣磨損和機械磨損。電流流過碳刷和滑環(huán)的接觸面，導(dǎo)電的部位不斷變化，大電流密度下個別接觸點溫度會很高，同時有電弧的高溫作用，接觸面兩邊局部熔化、脫落，金屬會變成金屬蒸汽，碳刷結(jié)構(gòu)變軟氧化腐蝕而脫落，這就是電氣磨損的現(xiàn)象。導(dǎo)電機理不同，發(fā)電機滑環(huán)負極磨損較大。

壓簧、碳刷使用不當都會引起滑環(huán)磨損加劇，如果超過一定程度就會影響滑環(huán)碳刷裝置正常運行導(dǎo)致停機。云南曲靖電廠300MW機組發(fā)生過類似問題，發(fā)生此類問題必須進行車削處理或更換新備件。

3.5 通風系統(tǒng)常見故障分析

通風不良是通風系統(tǒng)最普遍、最常見的問題，表現(xiàn)在發(fā)電機滑環(huán)冷卻風進出風道堵塞，常見的是進風濾網(wǎng)堵塞。如2013年10月28日發(fā)現(xiàn)某單位2號發(fā)電機滑環(huán)溫度為77℃，刷架罩外殼溫度達45℃，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)冷卻風進風濾網(wǎng)堵塞，清理濾網(wǎng)后2013年10月31日再次測量時滑環(huán)溫度降為47℃，刷架罩外殼溫度降為42℃。

通風系統(tǒng)如滑環(huán)的等距離矩形螺紋槽、及在螺紋內(nèi)側(cè)滑環(huán)周向的軸向斜孔或槽也有堵塞現(xiàn)象，也會導(dǎo)致通風散熱不良，引起其他不良后果。

4 發(fā)電機運行中滑環(huán)碳刷裝置常見故障的處理方法

4.1 日常維護時的要點

4.1.1 碳刷的日常維護要點

碳刷日常維護的內(nèi)容主要指定期巡檢。

a）檢查碳刷的磨損情況，發(fā)現(xiàn)有較短的碳刷及時更換，通常磨掉三分之一時更換新碳刷。

b）檢查碳刷在刷盒內(nèi)的活動情況，發(fā)現(xiàn)碳刷在刷盒內(nèi)有卡澀現(xiàn)象及時處理。

c）檢查碳刷與壓簧的壓接位置，發(fā)現(xiàn)錯位時及時調(diào)整。

d）定期測量碳刷的電流，根據(jù)經(jīng)驗電流范圍通常為10～100 A之間，做好與此前記錄的數(shù)據(jù)對比，如發(fā)現(xiàn)個別碳刷電流異常偏大或偏小時，必須找原因，并及時作出處理。通常電流偏小可能是壓簧壓力小、碳刷卡澀、或滑環(huán)受到油污染等。電流偏大通常是新更換碳刷或更換刷握（壓簧）引起，如果是其他情況一定要查明情況，找到對應(yīng)的處理方案。

e）定期測量碳刷的溫度，與電流一塊測量，在維護中這一參數(shù)比較重要，通常溫度在30～70℃之間。對溫度與電流的測量數(shù)值要進行綜合的分析，對于異常的個別碳刷要進行調(diào)整，特別是對于電流小、溫度高的碳刷，要對其刷辮處進行拉伸，讓其在刷盒內(nèi)上下活動，首先檢查是否卡澀，觀察一段時間看其電流的變化，如果變化不大要對碳刷進行重新研磨或進行碳刷的更換或調(diào)整。

f）定期檢查碳刷與刷握的連接情況，通常采用紫銅螺絲連接，不僅要檢查螺絲的緊固情況，用力要合適。還要檢查連接螺絲處的溫度（發(fā)熱）情況，異常時及時處理。此外要檢查刷辮運行中是否有斷股或與碳刷本體開脫情況，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

4.1.2 滑環(huán)的日常維護要點

碳刷滑環(huán)日常的維護要點比較簡單，重點是測量其溫度，滑環(huán)表面溫度一般不超100℃，在這一溫度下能使滑環(huán)產(chǎn)生和保持合適的環(huán)膜，保證滑環(huán)穩(wěn)定運行。正確維護中，碳刷的選用比較關(guān)鍵，性能穩(wěn)定、質(zhì)量較好的碳刷能保證導(dǎo)電的一致性，碳刷切不可混用或隨意更換牌號。如某單位始終使用原制造廠推薦使用的摩根碳刷，十多年來運行都比較穩(wěn)定。

4.1.3 滑環(huán)碳刷裝置其他部件的日常維護要點

這里主要指刷握、刷握座、刷架、底架、引線等的日常維護情況，通常這些部件無異常，需要注意的是在更換碳刷取下或安裝刷握時，不要用力過猛或用硬質(zhì)物件觸碰這些部件，以免碰傷接觸面造成安裝錯位、接觸不良或?qū)е绿妓⒖葐栴}出現(xiàn)。檢查個別部件的連接螺絲緊固是否合理，相應(yīng)部位的絕緣良好，檢查發(fā)現(xiàn)這些部件如果積灰嚴重或有異物時要及時清理。

4.1.4 通風系統(tǒng)的日常維護要點

通風系統(tǒng)日常維護的主要工作是發(fā)電機滑環(huán)冷卻風的入口濾網(wǎng)的清理，特別對于某300MW機組來說，維護人員堅持一個月進行入口濾網(wǎng)的清理，能保證冷卻風的干凈及風量的充足，滿足滑環(huán)碳刷裝置冷卻的需要。對于夏天環(huán)境溫度較高時清理周期適當縮短，15 d或20 d清理一次。出口濾網(wǎng)網(wǎng)眼相對較大一般隨機組檢修時進行清理。

4.2 檢修時的要點

4.2.1 提高滑環(huán)碳刷裝置檢修質(zhì)量

通常對于滑環(huán)碳刷裝置每隔180 d以上進行檢修1次，認真檢修是對其各個部件全面的體檢，發(fā)現(xiàn)問題能及時修復(fù)，重點項目有以下幾方面。

a）通風系統(tǒng)的徹底清理，這里包括滑環(huán)冷卻風進出風的濾網(wǎng)清理、風道的清理以及拆開移走刷架后對滑環(huán)的等距螺紋槽、螺紋槽內(nèi)側(cè)滑環(huán)周向的軸向斜孔（槽）清理；特別是滑環(huán)軸向斜孔（槽）的清理要采用軟質(zhì)的棉布條在每個孔內(nèi)來回拉動，清理干凈內(nèi)部沉積的碳粉灰塵，這些部位積灰較多往往會被忽略。另外滑環(huán)與磁極引線連接處的積灰也要清理，該部位也會影響散熱或引起轉(zhuǎn)子接地現(xiàn)象的發(fā)生。

b）連接螺栓的緊固檢查，滑環(huán)碳刷裝置是組合體，本身就要求各部位連接要牢固可靠，利用檢修停機的機會，一定要仔細檢查各個部件間的連接情況，有松動的要重新進行緊固，保證裝置導(dǎo)電良好及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。每個大修周期將滑環(huán)連接的正負極電纜（或母線）互換，以便減少單一負極滑環(huán)的磨損。

c）碳刷更換要科學(xué)，檢修時更換的碳刷多，除上述選用質(zhì)量一致性能良好的碳刷外，安裝碳刷前要用金相砂紙適當?shù)难心ィＷC更換后的碳刷在刷盒內(nèi)活動靈活，碳刷在刷盒內(nèi)應(yīng)有0.1～0.2mm的間隙，上下活動無卡澀現(xiàn)象，要保證碳刷與滑環(huán)的接觸面與滑環(huán)弧面接近。檢修中要注意調(diào)整刷盒底部到滑環(huán)外徑距離不小于2mm，通常應(yīng)為4～ 5mm，保證轉(zhuǎn)動部分與靜止部分不得有任何接觸。碳刷更換要從刷辮穿入刷盒由碳刷頂住壓簧抽拽到相應(yīng)位置，然后將刷辮安裝到刷握對應(yīng)螺絲孔內(nèi)，刷辮（線鼻子）方向要保證碳刷在壓簧作用下，刷辮不要成為碳刷與滑環(huán)接觸的阻力。

d）滑環(huán)碳刷裝置固有絕緣的檢查修復(fù)，這里指與裝置連接的直流電纜等部位的絕緣，要保證完好，有開裂損壞等情況時一定要處理修復(fù)。另外，底架對地的絕緣也要隨時檢查，不符合要求時一定要處理。

4.2.2 碳刷裝置其他檢修要點

碳刷裝置長期運行難免將原來的鍍銀層氧化，其優(yōu)良的導(dǎo)電性能逐漸降低。為了恢復(fù)其導(dǎo)電性能，在使用3～5個大修周期后應(yīng)該將整個裝置返廠進行氧化層的去除，也就是重新進行裝置的鍍銀處理。

刷握上的恒壓彈簧壓力會逐漸衰減，使用中也會使得碳刷與滑環(huán)的接觸電阻增大，影響導(dǎo)電性能；同時增加發(fā)熱，使用時間如3～5個大修周期后對恒壓彈簧進行壓力校驗或更換修復(fù)，保證刷握的恒壓彈簧要同一規(guī)格、同一公稱彈力。這方面制造廠要不斷提高恒壓彈簧的制造水平，保證恒壓彈簧的性能一致，提高裝置整體運行水平。

5 結(jié)束語

通過了解滑環(huán)碳刷裝置的結(jié)構(gòu)及各部件在這個組合體中的作用，從源頭制造上把好質(zhì)量關(guān)是避免故障發(fā)生的關(guān)鍵。檢修人員必須提高業(yè)務(wù)水平，加強對滑環(huán)碳刷裝置進行巡回檢查，做好記錄；特別是利用停機檢修機會全面對滑環(huán)碳刷裝置進行檢查，使滑環(huán)碳刷裝置的所有問題及早排除、及時處理，做到大問題不發(fā)生，小缺陷盡量避免，從而保證滑環(huán)碳刷裝置以及整個發(fā)電機組的安全運行。

Fault Analysis and Treating M ethods of Turbine Generator Slip Ring Brush Device

LISiguo1，LIU Bin2，ZHANG Guoqing3
（1.Shanxi Xingneng Power Generation Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030206，China；2.Shanxi No.1 Electric Power Construction Com pany of China Energy Engineering Group，Datong，Shanxi 037043，China；3.Shanxi Vniversity，Taiyuan，Shanxi 030013，China）

Static excitation and revolvingexcitation are twoexcitingmodesof largegenerators,while slip ringbrush device is thekey componentofstatic excitation.In this paper,through the analysis of the function,structure and common faultsof turbine generator slip ring brush,maintenance essentials and the treatmentmethods for the common faults are summarized.The application of thesemethods can ensure theunit’ssecureoperation and reduce faultoccurrencesoas toavoid economic loss forenterprises.

generator；slip ringbrush device；brush holder；pressureof thepressingspring

TM311

B

1671-0320（2015）06-0058-04

2015-09-11，

2015-10-23

李思國（1971），男，山西臨縣人，1994年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)電機工程系電機專業(yè)，工程師，從事發(fā)電廠電氣檢修工作；

劉 斌（1961），男，山西山陰人，1988年畢業(yè)于山西電力職工大學(xué)熱能動力專業(yè)，工程師，從事項目管理工作。

張國慶（1962），男，河北井陘人，1984年畢業(yè)于大連理工學(xué)院工業(yè)渦輪機專業(yè)，副教授，研究方向為蒸汽輪機及空冷系統(tǒng)。