发电机滑环烧坏故障分析

刘清然

作者通联：中铝山东分公司热电厂 山东淄博市南定镇工业路东首 255051

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中国铝业山东分公司热电厂5#发电机为东方电机股份有限公司生产的QF-3.5-2-10.5型汽轮发电机，额定容量43.75MW，发电机采用机端自并励静止励磁方式，励磁装置额定输出电流1439A。

2008年7月23日，运行人员巡检发现5#发电机碳刷振动异常，碳刷最高温度122℃，多只负极碳刷打火严重，外引线发热烧断，内部引线固定材料液化并发出焦糊味，故障碳刷压簧过热变形，弹性较差。现场更换故障碳刷，运行不久再次烧坏。测量碳刷直流回路电流，正极碳刷电流基本平衡，负极碳刷电流13～248A，并联碳刷回路电流严重不平衡。停机后，检查发现负极碳刷有多个破损崩角，发电机负极滑环表面严重烧蚀，出现宽约35mm（与碳刷宽度基本相等）、深约0.5～1mm的沟槽。

故障发生前，发电机运行正常，有功负荷33MW，无功负荷16Mvar，转子电流643A。根据故障现象和停机检查情况，排除发电机无功负荷过大、压簧不合格、碳刷磨短及碳刷与刷框间隙不符合要求等因素。最终判断故障原因是并联碳刷分支回路出现不平衡电流。

1.碳刷外引线烧坏分析

发电机使用HN-0.1A型安全拆换碳刷装置（刷架），刷架上安装正、负极各16支单组式刷握（图1），沿滑环呈圆周双层分布，压簧可使碳刷和滑环保持恒定压力，每只刷握内安装1只碳刷，运行中可直接更换碳刷。刷架和刷握连接见图2，刷握与刷座面接触，励磁电流由并联正极刷握经滑环进入转子，从负极刷握流出。正常情况下，根据欧姆定律，每极16只碳刷回路电阻基本相等，各分支回路电流相等。若发电机运行中个别刷握与刷座接触不良，接触电阻增大，流过并联碳刷回路的电流即出现不平衡，电阻小的碳刷回路电流会成倍增加，造成碳刷和外引线过热烧坏。出现不平衡电流的原因如下。

图1 5#发电机刷握结构

图2 改造前刷架和刷握连接方式

图3 改造后刷架和刷握连接方式

（1）发电机长期运行，刷握内部弹簧（确保刷握与刷座可靠接触）产生疲劳，使刷握与刷座接触不可靠。而且弹簧疲劳程度不同，弹簧压力也不同，导致各刷握与刷座接触电阻不等，造成各碳刷回路分配电流不平衡，接触面越可靠的回路中电流就越大，甚至超过原电流10倍。

（2）刷握和刷座（材料均为铜）长时间运行，接触表面极易氧化，使电流回路接触电阻增大。现场环境温度较高，电流通过接触面发热，现场灰尘腐蚀作用也一定程度加速接触面氧化。接触面氧化程度不同，导致刷握与刷座之间接触电阻和电流不等。

（3）发电机运行中，在刷握自身重力作用下，靠近滑环两侧的刷握受刷架振动影响较大，特别是在刷握弹簧作用力较小情况下，刷握与刷座的接触压力会相对减小，转子电流会向靠近滑环上方位置的刷握回路转移，导致该区域碳刷烧坏偏多。

2.发电机滑环烧蚀分析

由于转子回路每只碳刷分配电流不平衡，接触电阻小的碳刷回路电流增大数倍，导致滑环表面与碳刷温度过高，碳刷摩擦使滑环表面发热烧蚀，而且表面烧蚀越严重，滑环温度就越高。当滑环烧蚀到一定程度，碳刷即出现跳跃、振动现象。同理，压簧压在温度较高、振动较大的碳刷上面，会过热变形，弹性减弱。

3.处理措施

（1）停机后，将碳刷全部更换为材料较软、导电性能较好的NCC634型上海摩根碳刷，并研磨碳刷工作面，使碳刷接触面积大于90%。

（2）拆下刷座，按原刷握分布位置，在刷座正、负导电板上绞孔攻丝32个，然后将碳刷外引线直接压接在导电铜板上，刷握只起固定碳刷的作用（图3），这样直流电流不经过刷握与刷座接触面，直接由滑环经碳刷流入导电板。

（3）车削、打磨发电机滑环烧蚀表面，先用200砂纸粗抛光，再用金相砂纸细抛光，最后用酒精擦拭表面，使表明光洁度完全符合技术要求。

（4）加强汽轮机厂房环境治理，减少灰尘进入，及时通风散热，降低厂房温度，加固刷握支架基础，减少机体振动对刷握的影响。

（5）严格按照运行规程维护，对碳刷、滑环进行常规性检查，还要定期使用直流钳形电流表测量各刷握回路电流，并做好记录。若发现回路中电流分配不均，不仅要处理电流较大的回路，还要重点检查处理碳刷电流较小的回路，通过更换压簧等办法，使所有分支回路电流基本平衡。

（6）运行中定期测量滑环、碳刷及其引线温度，一般要求温度不超过80℃，发现温度过高，应立即采取调整压簧、更换碳刷和减少无功负荷等办法，进一步分析处理。

采取上述措施后，1年多来发电机运行正常，励磁系统运行稳定，各碳刷电流基本平衡，无发热、振动等异常现象。

1 汤蕴璆，史乃.电机学.机械工业出版社

2 何曙光.发电机转子滑环几电刷烧伤原因分析及预防.湖南电力.2004（4）