300MW双水内冷汽轮发电机励磁碳刷滑环发热原因分析及处理

300MW双水内冷汽轮发电机励磁碳刷滑环发热原因分析及处理

【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。

【关键词】碳刷；滑环；发热；分析原因；处理

引言

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。

1 设备简介

广东粤华发电有限责任公司（黄埔发电厂），有两台300MW发电机组，是上海汽轮发电机有限公司制造，型号：QFS-300-2，冷却型式为双水内冷。发电机滑环采用优质耐磨合钢40Cr2MoV锻造成型，加工后再经热处理而成，在滑环处园表面车有螺旋形槽，以消除炭刷与滑环表面间在高运转时形成的空气薄膜层，改善二者之间的接触。滑环上开有许多斜向通风孔，利于加强滑环本身及碳刷的冷却，二个滑环之间还装有1只离心式风扇；冷空气由两个滑环的外侧进入，中间出去（见转子滑环结构示意图），采用下出风方式、即进出风用管道，布置在运转层下引出，以降低噪声和排出碳粉。刷架为TSB-300安全型刷架，每个滑环上有40只碳刷，正负极共80只碳刷，碳刷型号为S27。

碳刷沿滑环圆周近似均匀分布，通过刷握、铜支架安装在刷架上。刷架两端装有绝缘隔板，每个滑环上分别设置四列碳刷（见碳刷分布示意图）。发电机转子额定励磁电压365V额定励磁电流1850A，刷握采用恒压式。

2 情况介绍

黄埔发电厂300MW机组一般満负荷运行时无功是110-120Mvar，转子电流约1630-1670A，滑环碳刷共80个，每极40个，平均电流约41A，运行以来一直以来都存在滑环碳刷电流分布不平衡现象，发热的等现象，特别是2008年9月#5机部分滑环碳刷温度80-94.1°C，滑环碳刷碳刷与转子接触面温度达121℃，温度还有上升趋势，而且碳刷电流分布很不均匀，测得部分碳刷电流只有4A、5A，而有个别碳刷电流达80、90A，碳刷出现不正常的跳动或卡涩，并出现火花，刷辫烧断或脱辫现象。

3 引起碳刷、滑环发热的因素

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。

碳刷总体发热量为量：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。

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）碳刷的接触电阻：滑环与碳刷是通过滑动接触来传递功率的，碳刷与滑环的接触面上，很容易形成一层氧化膜，如果氧化膜形成不好，会使接触电阻增大，接触压降增大，碳刷通流变差，引起碳刷过热、冒火，继而使整个滑环温度升高、过热，如此恶性循环、连锁反应，可能形成滑环环火，严重时烧毁刷辫、刷握。

（2）碳刷卡阻：碳刷和刷握间间隙太小，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，用直流钳表仍可测得电流，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：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，如有恒压弹簧与碳刷间无绝缘垫片，使弹簧分流受热被退火失弹性，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。

（5）电流平衡的破坏：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。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。

（6）其他：碳刷牌号选用不当，太硬或品质硫；滑环斜向通风孔被污物阻

塞，或滑环通风道进风滤网被污物阻塞；转子线圈二根励磁引线与滑环接触不良，接触电阻较大，发热也会增加。

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；更换多次打磨不能带正常电流（<15A）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，同列一次更换碳刷只能一只、同行一次更换碳刷不超过四只；

（4）清理通风口，保持风道畅通，增加散热量。

（5）发热严重时应急处理：当正极、负线极滑环温度都升高达到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，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。