汽轮发电机集电环过热缺陷发生原因分析及处理

张晨

华电国际电力股份有限公司邹县发电厂，山东 济宁 273522

摘要：集电环和碳刷是发电机励磁系统的重要组成部分，而集电环运行中过热是常见的缺陷之一，如果不能及时有效地采取措施加以处理，将会造成严重发热、集电环烧坏、发电机停机等事故。本文以邹县电厂#6发电机为例，分析了集电环过热缺陷的产生原因，通过加强碳刷检查、集电环清理、集电环车磨等方式，发热现象得到明显改善，运行的各项指标良好，保障了机组安全稳定运行。

关键词：发电机集电环；过热缺陷；预防处理措施

1前言

发电机集电环做为转子电流的承载体，对发电机组运行状态具有较大影响。发电机运行中集电环过热是常见缺陷之一，若不能及时发现并妥善处理，可能导致碳刷与集电环之间出现火花甚至产生环火，电流热效应进一步引发碳刷、刷辫及刷架甚至集电环烧毁，造成机组停机事故。运行中通常采用更换碳刷、恒压弹簧等方式，但治标不治本，温度仅可在短时间内控制。

目前华电邹县电厂#1-#4机组发电机采用三机交流励磁系统，#5-#8机组采用自并励励磁系统，均采用有刷励磁，通过集电环与碳刷动静结合为转子绕组提供电流通路。图1、图2为所示为现场集电环发热缺陷。本文以该厂#6发电机为例，利用检修机会对发电机集电环进行一系列措施处理，运行后#6发电机集电环过热现象得到明显改善。

图1红外成像仪下的温度显示图 2集电环打火

2集电环过热原因分析

导致集电环过热的原因主要有以下几种：

2.1碳刷与刷握的间隙不合格

根据该发电机规程要求，刷架、刷握应固定牢固，碳刷与刷握之间的间隙应为3-4mm。碳刷与刷握之间的间隙过大的话，将导致碳刷与集电环的接触不良，产生“啃边”现象。如果间隙过小，在实际的运行中碳刷可能会产生发卡的现象。因此，碳刷与刷握之间的间隙过大或者过小都可能会导致集电环产生过热的现象。

2.2碳刷恒压弹簧压力不合格

如果碳刷的压力调整过大，就会增大集电环与碳刷的摩擦力，让机械磨损现象严重，而且压力过大还导致集电环不断地摩擦产生过热。如果碳刷的压力过小，就会导致集电环与碳刷的接触不良，容易出现集电环过热，甚至会将集电环烧蚀。

2.3集电环表面脏污

发电机在长期运行过程中，由于积灰和电刷粉末在轴承座轴封处泄漏油气的侵蚀下，会在电刷和集电环表面聚集许多油污。长时间的运行会让集电环的表层产生麻点，碳刷与集电环的接触面变小，电阻变大，碳刷温度升高，甚至在个别碳刷上会产生火花。

2.4碳刷的电流值不均匀

根据焦耳定律，每个碳刷的发热功率Pi与通过碳刷的电流以及碳刷的内阻有关。

Pi=I²R，

式中，I——流经碳刷的电流；R——碳刷的内阻。

由公式可知，碳刷的电热功率与流过碳刷的电流平方成正比关系。理论上，每个碳刷与滑环都有效接触，则每个碳刷被均匀地分配了相等的电流，它们温升也是相等的。而在实际运行中，受到外部因素的影响，比如弹簧压力、碳刷的长短等，工作中的碳刷电流分布不均，有的碳刷会出现超出规定电流值的情况，促使集电环的温度升高。

由现场实际测量发现，存在碳刷电流分布不均匀现象，最高处达120A，最低处则无电流。造成碳刷电流值不均匀的原因有很多，例如，碳刷接触面研磨不良、集电环表面凹凸不平、碳刷在刷握内摇摆或卡涩、使用的碳刷品牌批次不符合要求等。

该厂#6发电机碳刷材质为AgTaMOSG，该材料具有优异的电性能、机械性能、摩擦磨损性能。在大约6-8A／cm²的电刷电流密度时，正常操作条件下的电刷磨损量约1000小时10-15mm。碳刷为中英合资上海摩根碳制品有限公司产品，型号为NCC634，线速度78.5m/s，电流密度6.3～10A/cm2，摩擦系数0.25，体积密度1.28g/cm3，碳刷压力范围0.21～0.42kg/cm2，电压降大于2.5V。满足机组运行要求。经现场检查，碳刷接触面研磨良好，碳刷均能在刷握中灵活滑动，拆除刷架后，测量集电环外径尺寸如表1所示。

表1发电机集电环修前尺寸

测量发电机正负极滑环表面偏心度最大0.177mm（标准不大于0.05mm），集电环椭圆度不符合标准。

2.5由于通风不良导致的发热

据热平衡原理，碳刷的发热因素有碳刷电流产生的电热效应以及机械摩擦产生的机械热，同时碳刷也存在散热效应，主要为自然散热方式和冷却风散热方式。造成滑环通风不良的主要原因是冷却风道堵塞，集电环表面通风沟、集电环侧面通风孔堵塞等。运行中电刷磨损产生大量碳粉，有可能会堵塞集电环表面的散热通道。

3解决措施

3.1集电环、冷却风道清理

停机时对发电机集电环、冷却风道清理，碳刷与集电环接触面无积粉、无油污，清洁。

3.2集电环车磨

对集电环进行车磨处理，车磨后的集电环表面需使用从粗到细砂纸打磨抛光，最后用金相砂纸长时间打磨，直至出现镜面为止且无硬颗粒突起，表面光洁、无撞伤、烧伤、无凹凸点。

车
磨处理后测量滑环外环最大偏心度0.032mm，高低差0.390mm，槽深大于4mm，表面光洁、无撞伤、烧伤、无凹凸点，符合标准要求，尺寸见表2。（标准：集电环偏心度不大于0.05mm，高低差不大于1.00mm，槽深不小于4mm）

表2发电机集电环修后尺寸

处理过后的集电环经过6个月的连续运行，均未再出现过热情况。

4运行中注意事项

在平时的运行维护中，要加强对碳刷、集电环的维护管理，建立和完善专职维护制度，提升相关负责运行人员的技术水平，严格按照《汽轮发电机运行规程》的要求及时对集电环、碳刷等进行检查和维护，一次更换碳刷的数量要严格控制，定期运用红外成像设备对集电环进行监测。发现集电环发热甚至打火时，要正确进行处理，处理建议如表3。

可能的原因	处理的方法
碳刷接触面研磨不良，与集电环未完全接触	重磨碳刷或更换研磨好的碳刷
碳刷通流回路接触电阻大，造成与其他碳刷的负荷分配不均匀	检查碳刷与铜辫的接触、铜辫与刷架引线回路中各连接螺丝是否紧固，接触是否良好
使用的碳刷牌号不符合要求，或更换的碳刷牌号错乱	使用同型号碳刷
碳刷压力不均匀或不符合要求	检查弹簧压力情况，必要时进行调整，碳刷压力保持在1.45kg±20%
碳刷磨短、碳刷在刷握内摇摆或动作卡涩	更换碳刷
碳刷接触面不洁,在个别或全部碳刷下出现火花	用白布包裹凡士林擦拭滑环表面
碳刷、铜辫和刷架间的连接松动	检查连接处的接触情况，并进行紧固
集电环表面凹凸不平	在停机时检查集电环表面的不平度，超过制造厂规定值时应进行车削打磨处理

表3原因分析及处理方法

5结语

预防和解决发电机集电环过热缺陷，是今后的一项长期工作，需在工作实践中不断摸索和总结经验，不断分析新状况，利用新技术，一方面提升设备自身质量，另一方面加强维护管理，进而避免更大事故发生。

参考文献：

[1]杨成余.汽轮发电机集电环和碳刷的维护与检修[J]电力安全技术，2014(4):16-19.

[2]曹凤波，宋强义.汽轮发电机集电环、碳刷发热原因分析[J].东北电力技术，2010(4):32-34.

[3]田鹏康.300MW汽轮发电机碳刷维护分析[J]中国高新技术企业，2008（10）：93,9

作者简介：张晨（1993.12.12），男，山东济宁人，从事电机检修工作。