有刷静止励磁发电机碳刷滑环磨损严重原因分析与对策

陈 波，崔庆峰

（河北钢铁集团唐山钢铁股份有限公司，河北唐山063000）

1 引言

唐钢炼铁厂北区12M W汽轮发电机为有刷静止励磁发电机，其额定励磁电压188.8V，励磁电流231A，发电机正负极各有四个碳刷和滑环，励磁电流由四个碳刷滑环送入转子线圈。相对于无刷励磁发电机，有刷励磁在动态稳定性、故障处理、灭磁时间常数及功能调试等技术特性上具有很大优势，但是碳刷与滑环磨损严重、火花等级超标，甚至造成环火一直是影响有刷励磁发电机运行工况的重要因素。碳刷火花等级超标会造成碳刷及滑环的不正常磨损，减少碳刷和滑环的使用寿命。碳刷及滑环发热诱发刷架的烧熔，严重时造成发电机的失磁停机事故，同时火花等级超标、碳刷滑环不正常磨损严重影响发电机的无功输出能力。

2 影响发电机励磁碳刷滑环磨损的因素

发电机励磁碳刷滑环磨损主要来源于两个方面，一是机械因素引起的磨损，二是电气因素引起的磨损。

2.1 机械因素引起的磨损

在弹簧压力作用下，碳刷和滑环表面紧密接触。当两者相对滑动时，由于摩擦作用而形成磨损。影响该磨损的因素主要有以下几种：

2.1.1 碳刷材质与规格

按碳刷材料的不同，可分为：石墨碳刷、电化石墨碳刷、金属石墨碳刷。石墨碳刷质地软，润滑性能较好，摩擦系数低，但因含杂质较多而易使整流器受损。电化石墨碳刷由石墨、焦炭等作原料，近2500℃以上高温处理而制成。其性能优良，故使用范围广。金属石墨碳刷是在石墨中渗入铜及少量锡、铅等金属粉末混合而制成，具有优良的导电性，载流量大，但是其材质较硬，因此相对的对于滑环的磨损也就更大一些。

另外，碳刷的规格是否与刷架相匹配也是影响其磨损的一个因素。碳刷与刷架之间间隙过小，可能造成碳刷卡在刷架中，弹簧无法压紧碳刷；间隙过大，碳刷则会在架内产生摆动，不仅出现噪音，更重要的是出现火花，对整流子或集电环产生破坏性影响。

2.1.2 碳刷刷架压力

刷架压力过小，碳刷和滑环表面接触不稳定，容易引起电弧，使电气磨损增大。压力过大，刷面的硬粒对滑环表面刮割严重，又会使机械磨损增加。因此，弹簧压力要适中。同时每个碳刷压力要均匀，当刷架压力不均时，碳刷与滑环接触程度出现差异，引起接触电阻变化，励磁电流在四个碳刷上分配变得不均匀，容易引起碳刷发热甚至产生火花，加大碳刷滑环的磨损。

2.2 电气因素引起的磨损

在电流作用下，不仅有机械磨损，还有电气磨损。所谓电气磨损，指的是由于电弧高温和放电等因素的作用，使极面材料受到损坏的情况。而由于电气磨损影响接触面，所以也会对机械磨损的程度产生影响。

2.2.1 接触电阻的影响

碳刷与滑环之间接触电阻增大，使得接触面温度升高，产生火花。当火花等级超过标准值时，火花灼伤碳刷与滑环表面，接触面出现黑痕，变得凸凹不平，加剧了机械磨损。严重时会烧焦碳刷与刷架。

接触电阻增大是多方面原因引起的。

碳刷与滑环接触不均匀，滑环表面光洁度差，转子幌度过大，转子振动过大，接触面碳粉堆积严重等原因会导致碳刷与转子滑环之间接触不稳定，接触面积减小，单位面积通过的电流增大，使接触面容易局部发热进而产生火花，灼伤碳刷和滑环，造成不正常的电气磨损和机械磨损。

2.2.2 阴极蒸发与阳极粉化效应

由于电流通过碳刷和滑环的接触面，且其直接传导的部位不断变动，电流密度又很大，使一些点温度很高；又由于电弧的高温作用，会使两侧极面局部熔化、脱落，金属会变成金属蒸汽，碳刷则结构松化，受氧化腐蚀而脱落，此即电气磨损的表现。但是，极性不同，磨损情况是不一样的。在电弧作用下，阳极（正极）表面局部灼热而蒸发出“金属蒸汽”，使阳极表面损蚀，这叫“阳极蒸发”；阴极（负极）因受正离子撞击和高温作用发射电子，使阴极表面也遭受破坏，这叫“阴极粉化”。在阳极蒸发和阴极粉化的作用，碳刷和滑环由于电流方向不同会出现极性差别。

为了便于理解阳极蒸发和阴极粉化效应在励磁电源两级造成的影响差别，我们可以把相互接触的碳刷和滑环单独看做一个独立的系统。当电流由碳刷流向滑环时，此时碳刷相当于正极，滑环相当于负极，此时碳刷面上发生微小程度的阳极蒸发，碳粒、石墨离子迁移到滑环表面，碳刷有电气磨损。滑环表面有轻微的阴极粉化，并附着碳粒、石墨，成润滑、光泽的镜面，容易形成一层氧化膜。由于滑环表面平滑，机械磨损较小。

当电流由滑环流向碳刷时，此时碳刷相当于负极，滑环相当于正极，此时碳刷面上发生阴极粉化，电气磨损小。滑环表面发生阳极蒸发，大量金属蒸发，使其表面损蚀严重，同时，这些金属粒子也易附于碳刷磨损面上，反过来会使换向器表面严重磨损，出现条痕。这种情况下，滑环表面粗糙，呈金属光亮，接触面间机械磨损大。

总的来说，与励磁电源正极相连的碳刷电气磨损大，机械磨损轻微，相对应的滑环电气磨损和机械磨损都很小；与励磁电源负极相连的碳刷电气磨损小，机械磨损大，相对应的滑环电气磨损、机械磨损都很大。

3 应对措施

3.1 碳刷与刷架的选择

根据发电机励磁电流与滑环的实际情况，选择合适的碳刷截面积与碳刷材质，以此来降低火花等级和机械磨损。实际应用中还要尽量选择同一厂家同一批次的碳刷，以减小碳刷差异带来的不正常磨损。

碳刷的尺寸要与刷架相匹配，碳刷的四个侧面与刷架内壁之间必须留有一定的间隙，间隙一般控制在0.1～0.3m m，以碳刷能够上下自由移动为宜，避免碳刷卡涩或者在刷架内摆动现象。

3.2 调整刷架压力

调整刷架压力，保持刷架压力在碳刷不冒火的最大压力下。同时尽可能保持各个碳刷受到的弹簧压力相同或相近。

3.3 减小接触电阻

影响接触电阻的因素很多，但是最终都归结在影响接触面积上。为了保持碳刷和滑环的接触良好，可以在碳刷表面开槽，将一个碳刷表面均匀的分成几个独立的小块，降低滑环表面不平等因素带来的影响。经试验表明，沿滑环运转方向开槽不仅可以有效提高碳刷滑环接触的吻合度，减小接触电阻，而且开槽后，如果产生火花，火花会在槽内缝隙中迅速湮灭，不易发生飞溅，从而降低了火花等级。碳刷开槽数量要适中，如果开槽数量过少，作用效果不明显，开槽数量过多，降低了独立碳刷块的硬度，容易发生断裂。经实践摸索，该12M W机组最终确定碳刷开槽数量为2。

另外幌度和表面不平度是滑环运行的两个重要参数。在发电机定修期间要注意检查，一般滑环表面不平度不大于0.05m m，幌度不大于0.05m m。滑环的表面光洁度影响氧化膜的形成，对于光洁度差的滑环要进行车削和打磨。

3.4 平衡阴极蒸发和阳极粉化效应

由于阳极蒸发和阴极粉化效应的影响，励磁电源负极一端的碳刷滑环磨损较励磁电源正极一端的严重得多。为了这个差异，可以利用定修机会，将连接碳刷的正负极电缆互换，使得碳刷正负极互换，让阳极蒸发和阴极粉化效应交替在两个滑环之间进行，以此来平衡两极滑环的磨损度，延长滑环使用寿命。

4 结束语

经过实践摸索证明，上述措施有效降低了该12 M W发电机碳刷火花等级，减小碳刷滑环磨损，增加碳刷滑环使用寿命，并使无功输出能力由原来的6500k v a r提高到了8000k v a r。但是对于不同发电机，由于容量、冷却方式、碳刷数量等差异，上述影响因素及对策也有一些差异。在处理发电机碳刷滑环磨损严重、火花等级超标问题时还应结合本机组实际情况作出分析和处理。