汽轮发电机集电环和碳刷的维护与检修

杨成余

（河南理工大学，河南 焦作 454003）

2003年，河北某发电厂6号机组运行时正极集电环环火严重，打闸停机。停机检查发现，该机组正极集电环外表面(碳刷接触面)被烧成麻点且变色，内表面靠近导电螺钉附近被严重电灼伤，大轴被灼伤弯曲。抢修9天后机组并网投入正常运行。

2008年，河南某电厂2号发电机负极集电环下部出现连续火花，有电弧放电现象，并伴随浓烟和较大的放电声，造成机组紧急停机。该事故造成直接经济损失25万元，间接经济损失2 700万元。

国内电厂发生多次轻重程度不同的集电环环火故障，造成机组降出力或停运。集电环和碳刷故障直接影响发电机的稳定运行，甚至造成重大损失。

1 集电环和碳刷故障的原因

(1) 碳刷刷握与集电环机械磨损。刷握螺栓松动或者卡槽变形，使得刷握最底端与集电环表面发生硬磨擦，产生零星火花。

(2) 碳刷与刷握的间隙过大或过小。若碳刷与刷握之间的间隙过小，则会使碳刷在刷握内上下自由滑动困难，甚至有可能卡住碳刷；若碳刷与刷握之间的间隙过大，则会使碳刷在电机运转时晃动，与集电环接触不稳定，甚至使碳刷“啃边”。以上2种情况不仅会使集电环过热，而且还有可能使碳刷与刷握侧壁产生电流通路，出现碳刷附焊现象。

(3) 碳刷压力调整不当。若碳刷压力过小，则会使碳刷与集电环接触不良，容易产生火花使集电环过热，严重时甚至烧蚀集电环使之出现麻点；若碳刷压力过大，则会使碳刷与集电环的摩擦力增大，不仅会加剧机械磨损，而且会使集电环因摩擦发热量较多而产生过热现象。

(4) 碳刷电流超出规定值。理论上如果各碳刷工况相近，则每个碳刷的电流大小相等，平均分布。但实际上，由于受碳架构造、弹簧压力、集电环表面氧化膜、气膜、碳刷长短等因素的影响，各碳刷的电流分布不均，存在个别碳刷电流过大或过小的现象。并且随着环境温度的升高，励磁电流的增加，个别碳刷的电流可能会超出碳刷的允许电流值，从而导致集电环温度升高。

(5) 碳刷的负温度效应。碳刷具有负温度特性，即随着碳刷温度的升高，接触电阻反而降低，且在80～100 ℃时最低，但超过100 ℃时则急剧增加。这对接触面的稳定和各碳刷间的均流极为不利。当碳刷开始发热时，因负温度效应，接触电阻减少，电流增加，碳刷发热，直至接触电阻降至最低，电流升至最大，形成恶性循环，使碳刷加剧劣化。

(6) 碳刷表面无法形成或形成不良的氧化膜，不能起到润滑作用。氧化膜的形成需要适宜的温度(一般为70 ℃)、湿度、含氧量。温度、湿度、含氧量过高或过低，都不利于氧化膜的形成。另外，空气中的油气、铁屑、碳粉等也不利于碳刷表面氧化膜的形成。

(7) 集电环表面不光洁。集电环表面如有铁锈、毛刺或粘有灰尘、油污、碳粉，将影响碳刷通流，增大接触电阻，增加电损耗和摩擦损耗，引起温度过高。长期运行会产生电弧灼伤，使得集电环表面产生麻点和凹槽，致使碳刷与集电环接触面变小，接触电阻变大，温度升高。

(8) 油雾和粉尘的污染。某些集电环冷却方式为两侧进风，集电环易受油雾污染，易粘灰尘，导致碳刷因积灰严重而卡涩。

(9) 集电环通风孔积灰堵塞。集电环表面存有螺旋散热沟，钻有斜向通风孔，并在2个集电环中间加有同轴风扇，向外排风。如果维护不当，容易导致通风孔积灰堵塞，影响集电环的冷却。如果出风道与入风道离得很近，还会引起出入风道串风，大大降低冷却效果。

(10) 集电环同心度超标或发电机轴瓦振动过大。集电环同心度超标或者发电机轴瓦振动过大，均会引起碳刷在刷握中跳动，使得碳刷边角缺损，集电环与碳刷接触不良，从而导致碳刷温度升高，甚至发生环火。

2 集电环和碳刷的日常维护项目

碳刷的日常维护通常是在电机运行时进行，要注意做好防止电击和被转动机械卷住的措施。

(1) 每日应对碳刷做直观检查。观察是否有火花及火花的大小。如果发现碳刷产生火花，应设法及时处理。

(2) 每日应检查碳刷有无抖动、跳动现象。如果碳刷有抖动、跳动现象，必须拔出该碳刷所在刷握，检查碳刷是否损坏、集电环表面磨损是否均匀、机组振动是否过大，并及时消除故障。

(3) 每日应用红外测温仪测量集电环表面温度，其温度应不高于120 ℃；测量碳刷刷体温度，其温度应不高于80 ℃。每周应进行1次发电机集电环、碳刷及正负极铜排接头的红外成像测温，记录当时发电机的有功功率、无功功率、励磁电流、环境温度、碳刷和集电环的温度情况，并进行劣化趋势分析。有条件的企业，可以增设集电环碳刷温度、隔音罩内环境温度、冷却风扇出风温度在线监测装置，将温度值远传至集控室监控画面，并设置高温报警装备。

(4) 每日应用直流钳形电流表测量每个碳刷的电流，将每个碳刷的电流控制在20～100 A，及时消除电流不平衡现象，保证碳刷电流在允许载流量范围内。

(5) 每日应检查碳刷的磨损情况。当碳刷磨损到其顶部仅高出刷盒顶部约3 mm或碳刷有剥落现象时，应及时更换碳刷；同时要控制每次更换的碳刷数量，每天最多更换每个刷架上20 %的碳刷，并做好详细记录。记录内容包括：更换碳刷的位置，新更换碳刷的生产厂家、型号、采购批次、直阻，更换后碳刷的电流值，更换周期。同一集电环上使用的碳刷必须是同厂家、同型号、同批次的产品。碳刷更换必须由有经验的电气专业人员执行，工作人员应戴绝缘手套或橡胶手套，站在绝缘胶皮(垫)上，不得同时接触集电环的两极或一只手接触碳刷而另一只手接触金属外壳。碳刷应在套有细砂纸的磨弧专用工具(按集电环、碳刷架装置仿制的工具)上适当研磨后，才能投入使用，并且不宜采用金刚砂纸研磨碳刷，以防金刚砂颗粒嵌入螺旋通风槽内，擦伤碳刷和集电环表面。新更换的碳刷要保证20～100 A的电流，以保证良好的工作状态。

(6) 每周应检查碳刷的活动情况，保证碳刷能够在刷握中上下自由移动，碳刷与刷握内壁的间隙应控制在0.1～0.3 mm之间。可用提碳刷的方法来检查判断碳刷在刷握内有无卡涩现象。如有卡刷和碳刷焊附现象，应立即拔出碳刷，对其进行研磨并清理刷握内壁的积灰积尘，使碳刷能够上下自由移动。

(7) 每周应检查碳刷刷辫是否有固定螺栓松动、导线变色、烧伤或断股现象，并及时更换发黑、烧伤或断股的碳刷。当刷辫的螺栓受发热或振动的影响而发生松动时，应立即紧固。

(8) 每周应检查集电环表面、刷握、刷架上有无过多的碳粉，每月应用干燥的压缩空气清理集电环、刷架装置附近特别是绝缘部件上的碳粉及积尘，以避免降低励磁回路的绝缘电阻。并且，所用的压缩空气必须经过干燥、除油处理。如果集电环表面过于脏污，可用干净的白布蘸四氯化碳擦拭，使其保持洁净光亮。

(9) 每周应使用压缩空气和吸尘器清理1次隔音罩内的杂物和积尘，并且隔音罩内的座式轴承下绝缘垫片表面及周围也不允许附着碳尘、灰尘和油污等。检修维护人员应加强对发电机油档的检修维护，避免出现渗漏油现象，以减少对集电环的污染。

(10) 机组运行期间，每月应测量1次发电机轴电压。

(11) 应加强对供货厂家的资质审查，选用业绩优秀、质量优良的厂家。每次碳刷的采购数量要满足在2年内碳刷更换采用同厂家、同型号、同批次产品的要求。有关人员应共同对碳刷备件进行验收，验收时要抽检10 %碳刷的电阻值。除保证日常更换外，其余的大批碳刷备件应贮存在物资部仓库内，贮存环境的温度、湿度等应符合要求，以防止碳刷备件受潮损坏。仓库保管人员、运行人员应每月对碳刷备件进行抽检，以掌握碳刷备件的贮存状态是否正常。

3 集电环和碳刷停机时重点检查项目

(1) 每次机组停运期间，均应清理集电环螺旋通风沟、斜向通风孔内的碳粉和积尘，以免影响通风效果。

(2) 为使正、负集电环的磨损均匀，每隔一段时间(至少1次/年)交换发电机的集电环极性。如果因系统设计无法实现集电环的极性交换，可在汽机房励磁母线正、负极分叉处增加1套励磁封母极性互换装置，通过改变封母连接方式实现发电机集电环的极性定期互换。改造前、后一次系统接线如图1和图2所示。图2虚线部分为励磁封母极性互换装置，可通过改变母线联结片改变母线连接方式。

(3) 停机时应检查刷架各处的固定螺栓是否紧固、底板有无变形，集电环表面有无划痕、灼痕，集电环有无变形偏心。对于集电环表面的凸凹点，要视集电环损蚀的程度采取相应的方法。对于灼伤深度小于1 mm、损伤面积在20 %下的轻度损蚀，可先用细锉与油石打磨，然后用0号抛光砂布清除毛刺与麻点(用专用木瓦辅助)，最后用白布蘸少许四氯化碳溶液对集电环表面精抛光；对于划伤或灼伤较严重的凸凹点，可用重新精车的方法进行处理，保证同轴度、圆度、圆柱度≤0.02 mm，粗糙度≤0.4μm。

(4) 每次机组检修期间，应分别测量正、负极集电环，集电环与发电机端盖之间，集电环与发电机励侧末端轴承之间等部位转子轴的晃动值。

(5) 在机组大、小修时，应进行集电环的硬度检验和表面探伤。

4 运行中碳刷发热或环火的处理方法

图1 改造前的一次系统接线

图2 改造后的一次系统接线

(1) 若出现个别碳刷断辫或脱辫时，可先适当降低发电机的无功负荷，减小励磁电流。出现环火时，应大量减小励磁电流，从而降低碳刷的工作电流，减轻碳刷的发热。

工艺流程。原料→挑选→除梗去核→破碎→酶法液化→调整成分→酒精发酵→粗过滤→醋酸发酵→过滤、澄清→杀菌→调配、装瓶→杀菌、成品。

(2) 先调整电流较小的碳刷，不动故障碳刷。一般情况下，故障碳刷电流比较大，通过调整、打磨其他碳刷，使电流重新分配，可使故障碳刷电流下降，从而使故障碳刷温度下降，环火消失。

(3) 拔除故障刷握。刷握下边缘距集电环表面的距离一般约2 mm，下边缘一般为薄钢板，由于刷握长期运行，薄钢板受热变形，可能与集电环产生硬摩擦，形成环火。对于此类故障，应沿圆周挨个拔除刷握，逐一观察环火有无变化，如果环火无变化则将刷握插回去，继续拔下一个，直到故障消失，并处理故障刷握下边缘钢板变形的情况。

(4) 优化碳刷电流分配，减小故障碳刷通过的电流值。当碳刷发热或环火处于初期，碳刷发热温度不高(在100 ℃以内)时，可先不动打火的碳刷，而是先调整磨损变短的、工作电流很小的、弹性较小的碳刷，通过调整碳刷，使电流均匀分配。实践证明，同一圆周上正负极碳刷极性互换，也可暂时消除碳刷打火现象。

(5) 检查恒压弹簧压力值是否在推荐的范围(对D172型碳刷的压力值为12～15 N)内。所有恒压弹簧维持相同的压力是保证碳刷稳定工作和各碳刷之间电流均匀分布的重要因素。明显的压力差异往往会表现为碳刷不同的磨损率，在运行中应根据碳刷及集电环的磨损情况检查和判断弹簧的工作状况，并使压力尽可能均匀。如果恒压弹簧压力不足，应予以更换。一些刷握的弹簧铆在刷握上，更换弹簧必须更换整个刷握，会造成浪费，应将刷握结构改造为可更换弹簧的结构。停机检修时，测量各弹簧压力，若压力偏差较大，也应进行更换。

(6) 清洁集电环表面，清除集电环表面毛刺。机组运行时，可拔出一块刷握，用干净白布包紧在电木前面，蘸四氯化碳溶液，顶在集电环上，清理表面积污。沿轴向依次拔出各刷握，挨个清理集电环表面。将频闪仪速度调至与转子转速一致，可观察到集电环表面的粗糙情况，如果表面有毛刺或轻微麻点，可用水磨石或0号砂布予以清除。

(7) 清理隔音罩进、出通风口，保持风道通畅，增加散热量。必要时，可采取外部强迫降温的方法，如安装大功率风扇通风或加装空气喷头，采用干燥无油的压缩空气强制降温，使集电环温度降到正常范围内。同时要注意避免通风口处轴瓦渗漏油、周围蒸汽泄漏以及大量粉尘聚积。

(8) 涂抹凡士林。取下刷握，将凡士林涂在碳刷接触面或者用洁净的软毛刷蘸取少量的凡士林，涂在集电环表面，但要做到少量、多次、均匀。由于凡士林的润滑作用，碳刷与集电环接触良好，同时凡士林滴熔时可吸收少量热量，带走集电环表面部分碳粉和灰尘，改善碳刷运行条件，快速降低集电环和碳刷温度。

(9) 测量励磁电流的交流分量，判断是否因交流分量窜入引起碳刷打火。

(10) 当发电机碳刷出现连续火花和放电现象且经处理效果不明显时，应果断地打闸停机。

5 结论

认真研究集电环和碳刷的磨损、温度变化、结构变形、螺栓紧固等情况，制定可执行的维护和检修方案，做到按时维护，该修必修，修必修好，从而有效抑制发电机集电环和碳刷维护不当引起的过热、环火等事故，实现发电机长期安全稳定运行。除了上述的维护和检修方法外，还可通过修订运行规程相关内容，明确规定集电环和碳刷出现过热、跳动、火花甚至环火等紧急状况时的处理方法及进行紧急停机的处理措施，以避免事故扩大。

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4 钟健青．三峡电厂左岸电站ALSTOM发电机滑环打火分析及处理[J]．四川兵工学报，2011(11).

5 王丽英，宋锡军．如何安全地做好发电机及励磁机碳刷维护工作[J]．电力安全技术，2009(1).