汽轮发电机滑环碳刷装置故障分析及处理方法

李思国，刘 斌，张国庆

（1.山西兴能发电有限公司，山西太原 030206；2.中国能源建设集团电力建设一公司，山西大同 037043；3.山西大学，山西太原 030013）

汽轮发电机滑环碳刷装置故障分析及处理方法

李思国1，刘 斌2，张国庆3

（1.山西兴能发电有限公司，山西太原 030206；2.中国能源建设集团电力建设一公司，山西大同 037043；3.山西大学，山西太原 030013）

指出大型发电机的励磁方式主要有静态励磁与旋转励磁，滑环碳刷装置又是静态励磁的关键部件，通过对汽轮发电机滑环碳刷装置的作用、结构以及装置中各部件的常见故障进行分析，根据20多年的检修经验总结出常见故障的处理方法及日常维护要点，应用这些方法检修维护能保证机组长期安全运行，减少故障发生，避免了企业不必要的经济损失。

发电机；滑环碳刷装置；刷握；压簧压力

0 引言

大型汽轮发电机滑环碳刷装置正常的检修维护量并不算大，只要维护得当就能保证滑环碳刷装置的正常运行，如果不了解滑环的维护要点，势必造成滑环在运行中发生故障，给发电机的安全运行造成威胁。

1 发电机滑环碳刷装置的作用

滑环碳刷装置是发电厂选用静态励磁方式时必不可少的，是用来将整流装置变换出的静止的直流电流提供给旋转的发电机转子励磁绕组用作励磁电流，建立励磁磁场，通过电磁感应原理由汽轮机拖动发电机转子旋转，实现机械能向电能的转换。

2 发电机滑环碳刷装置的结构

发电机滑环碳刷装置主要指滑环与碳刷装置。

2.1 滑环装置的结构

滑环是合金钢锻件经过加工和热处理后，热套于转轴绝缘套筒上的环形构件。滑环在发电机转子上成对安装，在发电机上依据提供励磁电流的正负极性对应分为正负极滑环。正负极滑环中间为一个离心风扇即滑环风扇，发电机运行中通过其鼓风提供的冷却风量来冷却运行中由滑环与碳刷导电、摩擦产生的热量。滑环表面都有等距离的矩形螺纹槽，可以使碳刷与滑环接触面的各个部分轮流导电与轮流冷却，减少刷面局部过热。

2.2 碳刷装置的结构

碳刷装置通常由刷握、刷握座、刷架、碳刷、底架、引线组成。

刷握及刷握座组件是表面镀银的铜质部件。刷握座用螺栓紧固在镀银汇流环上，刷握由刷盒和恒压弹簧及附件组成，其上绝缘手柄可以在机组运行时更换碳刷，恒压弹簧能给刷盒内的碳刷提供一个作用于碳刷中心线上的恒定压力。

刷架是金属结构件组成的左右分瓣的组合框架，由导电环、刷座及风罩部件组成，对地要绝缘。用螺栓将它与导风圈、汇流环连城一个整体，紧固在底架上。具有支撑、导风、汇流与绝缘等功能。

碳刷是以天然石墨为基料的多种添加剂及粘接剂的混合体，性能好的碳刷必须具有较低的摩擦系数，较高的自润滑能力和载流能力，能适应一定线速度下运行。

3 发电机运行中滑环碳刷装置常见故障分析

3.1 碳刷常见故障分析

3.1.1 碳刷的过渡磨损

碳刷过度磨损是常见问题，往往发现压簧由于自身弹力收紧进入刷盒内部，这时碳刷磨损量达到或超过三分之一到二分之一程度的情况。

过渡磨损使碳刷与滑环的接触电阻增大，运行中会引起发热等不良后果，也会引起压簧压力变化出现碳刷气垫或跳跃现象，造成压簧压接部位发生偏移，碳刷受力不均匀与滑环接触面积变小，引起碳刷斜磨，接触电阻变大、从而进一步加剧发热，引起碳刷冒火等问题发生。

3.1.2 碳刷在刷盒中卡涩

碳刷可能不是规则的矩形体，在刷盒内有卡涩的现象；另外碳刷的研磨不到位，碳刷相对刷盒的尺寸较大，或者刷盒使用后盒内有氧化蜕皮损伤等迹象，使得与碳刷的接触部位有凸起，导致卡涩。压簧压偏没有正对碳刷中心位，以及清理不及时刷握积灰或刷盒内有异物导致碳刷卡塞。碳刷与刷盒配合间隙小，在正常运行时碳刷由于滑环的转动在刷盒内处于上下微小振动中，相互的接触电阻太小在热和电的作用下会造成碳刷粘附在刷盒壁上发生卡涩现象。所有的卡涩现象都可能引起碳刷等烧损事故。

3.1.3 碳刷铜辫断裂

引起这种现象的原因有以下几方面。

a）制造质量本身的问题，即碳刷的软铜线与铜线鼻子加工焊接不牢固或使用中作业人员没有正确操作使得组成刷辫的软铜线部分股数折断，使用中碳刷本身的振动及冷却风的扰动使刷辫与刷握接触部位的连接螺栓处易发生疲劳断裂。

b）更换碳刷时作业人员由于未掌握作业工艺，未将碳刷刷辫线鼻子与刷握连接牢固，或在使用中由于接触电阻变大长时间运行时烧断。

c）碳刷制造时不统一考虑压簧压力的不均匀，使得运行中各个碳刷的电流不太一致，如电流范围20～90 A，这样在运行中就会造成大电流的碳刷发热而烧断刷辫，最后导致其他碳刷电流加大。恶性循环会引起更大的环火故障或发电机失磁现象发生。

3.2 刷握及刷握座氧化剥落故障分析

由于制造时材质本身的缺陷，金属内部微小的裂缝在通常情况下不易发现，再加上本身加工后要进行镀银处理使得处理过的表面比较光滑，不易被发现，长期运行中在电流作用下发热氧化、变形，隐形缺陷就逐渐暴漏出来。另外，使用中可能是不太注意安装时的操作规范使得在刷握及刷握座的接触导电部位由于碰撞或挤压变形损伤，长时间通电发热氧化出现氧化剥落现象。

3.3 压簧常见故障分析

a）压簧压力降低。发电机长期运行压簧一直保持在45～70℃之间，再加上压簧本身疲劳的效应使得弹簧的压力要比新投运时有所降低。

b）压簧脱落，这主要是制造质量问题，制造厂对压簧的铆接不太牢固，如在某单位600MW 3号机组在使用中就发生过1个4孔的刷握有1个铆钉出现晃动断开问题。

c）压簧使用中错位，主要有压簧卷绕的不规则在出刷盒孔拉伸时与孔底对应位置有卡涩现象；另外，在按压碳刷时成卷状的压簧没有正面压在碳刷对应按压孔内，而是斜着按压孔的偏左或偏右侧位置，错位容易使碳刷与滑环的接触倾斜，导致碳刷偏磨与刷盒卡涩和滑环接触不良，引起发热等问题。

3.4 滑环常见故障分析

3.4.1 滑环（碳刷）过热甚至环火

这是最恶劣的事件，轻微的环火不会导致运行事过，严重的可能烧坏碳刷、刷握、刷握座、碳刷架、甚至滑环等严重事故。

如2002年11月国电太原第一热电厂13号300MW发电机组运行中由于碳刷运行不良，引起滑环碳刷发热导致环火，造成滑环碳刷烧损停机故障。

2005年2月20日17：45，洛河电厂4号机300MW发电机转子滑环碳刷环火，造成发电机外侧外滑环刷架严重烧损，刷架内40余只碳刷、刷盒严重烧熔，转子接地停机的严重事故。

引起环火的主要原因是碳刷与滑环的接触不良，接触不良指接触电阻偏小或偏大。接触电阻小使得流过碳刷的电流就大，可能超过设计的载流量引起碳刷滑环发热出现环火，或接触电阻大在电流作用下产生电阻发热引起环火。

引起环火的另外原因是滑环碳刷间气垫作用，间断导电放电发热引起环火，以及滑环碳刷间有异物引起碳刷电流严重不均匀引起发热，或异物灰尘堵塞冷却风的流动加速热量的聚集引起发热导致环火。压簧压力不均匀引起碳刷电流严重不平衡，大电流下碳刷过热烧断刷辨恶性循环，电流重新分布后又加剧其他碳刷过流过热引起环火的恶性事故。

3.4.2 受到润滑油污染

由于滑环碳刷装置紧靠发电机励侧轴瓦位置，容易受到润滑油的污染。某单位600WM机组中滑环碳刷装置紧挨的是位于发电机励端的九瓦。在2010年9月就发生一次因为九瓦漏油污染滑环事件，部分碳刷导电能力变差，有的电流很小为3～5 A，而其他碳刷电流为40～90 A。

3.4.3 滑环严重磨损

a）机械磨损。在弹簧压力作用下碳刷和滑环表面接触，材料弹性变形的缘故，接触部分互相嵌入，滑环转动时就有相对运动，在摩擦作用下形成磨损。碳刷质量较次，内含粗硬颗粒，滑环表面可能出现金属光泽或纹路；另外，更换碳刷时在碳刷滑环间粘附其他硬质微小颗粒或滑环碳刷装置周围环境较差有灰尘等扩散物，污染了滑环碳刷装置。

b）电气磨损和机械磨损。电流流过碳刷和滑环的接触面，导电的部位不断变化，大电流密度下个别接触点温度会很高，同时有电弧的高温作用，接触面两边局部熔化、脱落，金属会变成金属蒸汽，碳刷结构变软氧化腐蚀而脱落，这就是电气磨损的现象。导电机理不同，发电机滑环负极磨损较大。

压簧、碳刷使用不当都会引起滑环磨损加剧，如果超过一定程度就会影响滑环碳刷装置正常运行导致停机。云南曲靖电厂300MW机组发生过类似问题，发生此类问题必须进行车削处理或更换新备件。

3.5 通风系统常见故障分析

通风不良是通风系统最普遍、最常见的问题，表现在发电机滑环冷却风进出风道堵塞，常见的是进风滤网堵塞。如2013年10月28日发现某单位2号发电机滑环温度为77℃，刷架罩外壳温度达45℃，经过检查发现冷却风进风滤网堵塞，清理滤网后2013年10月31日再次测量时滑环温度降为47℃，刷架罩外壳温度降为42℃。

通风系统如滑环的等距离矩形螺纹槽、及在螺纹内侧滑环周向的轴向斜孔或槽也有堵塞现象，也会导致通风散热不良，引起其他不良后果。

4 发电机运行中滑环碳刷装置常见故障的处理方法

4.1 日常维护时的要点

4.1.1 碳刷的日常维护要点

碳刷日常维护的内容主要指定期巡检。

a）检查碳刷的磨损情况，发现有较短的碳刷及时更换，通常磨掉三分之一时更换新碳刷。

b）检查碳刷在刷盒内的活动情况，发现碳刷在刷盒内有卡涩现象及时处理。

c）检查碳刷与压簧的压接位置，发现错位时及时调整。

d）定期测量碳刷的电流，根据经验电流范围通常为10～100 A之间，做好与此前记录的数据对比，如发现个别碳刷电流异常偏大或偏小时，必须找原因，并及时作出处理。通常电流偏小可能是压簧压力小、碳刷卡涩、或滑环受到油污染等。电流偏大通常是新更换碳刷或更换刷握（压簧）引起，如果是其他情况一定要查明情况，找到对应的处理方案。

e）定期测量碳刷的温度，与电流一块测量，在维护中这一参数比较重要，通常温度在30～70℃之间。对温度与电流的测量数值要进行综合的分析，对于异常的个别碳刷要进行调整，特别是对于电流小、温度高的碳刷，要对其刷辫处进行拉伸，让其在刷盒内上下活动，首先检查是否卡涩，观察一段时间看其电流的变化，如果变化不大要对碳刷进行重新研磨或进行碳刷的更换或调整。

f）定期检查碳刷与刷握的连接情况，通常采用紫铜螺丝连接，不仅要检查螺丝的紧固情况，用力要合适。还要检查连接螺丝处的温度（发热）情况，异常时及时处理。此外要检查刷辫运行中是否有断股或与碳刷本体开脱情况，发现异常及时处理。

4.1.2 滑环的日常维护要点

碳刷滑环日常的维护要点比较简单，重点是测量其温度，滑环表面温度一般不超100℃，在这一温度下能使滑环产生和保持合适的环膜，保证滑环稳定运行。正确维护中，碳刷的选用比较关键，性能稳定、质量较好的碳刷能保证导电的一致性，碳刷切不可混用或随意更换牌号。如某单位始终使用原制造厂推荐使用的摩根碳刷，十多年来运行都比较稳定。

4.1.3 滑环碳刷装置其他部件的日常维护要点

这里主要指刷握、刷握座、刷架、底架、引线等的日常维护情况，通常这些部件无异常，需要注意的是在更换碳刷取下或安装刷握时，不要用力过猛或用硬质物件触碰这些部件，以免碰伤接触面造成安装错位、接触不良或导致碳刷卡涩等问题出现。检查个别部件的连接螺丝紧固是否合理，相应部位的绝缘良好，检查发现这些部件如果积灰严重或有异物时要及时清理。

4.1.4 通风系统的日常维护要点

通风系统日常维护的主要工作是发电机滑环冷却风的入口滤网的清理，特别对于某300MW机组来说，维护人员坚持一个月进行入口滤网的清理，能保证冷却风的干净及风量的充足，满足滑环碳刷装置冷却的需要。对于夏天环境温度较高时清理周期适当缩短，15 d或20 d清理一次。出口滤网网眼相对较大一般随机组检修时进行清理。

4.2 检修时的要点

4.2.1 提高滑环碳刷装置检修质量

通常对于滑环碳刷装置每隔180 d以上进行检修1次，认真检修是对其各个部件全面的体检，发现问题能及时修复，重点项目有以下几方面。

a）通风系统的彻底清理，这里包括滑环冷却风进出风的滤网清理、风道的清理以及拆开移走刷架后对滑环的等距螺纹槽、螺纹槽内侧滑环周向的轴向斜孔（槽）清理；特别是滑环轴向斜孔（槽）的清理要采用软质的棉布条在每个孔内来回拉动，清理干净内部沉积的碳粉灰尘，这些部位积灰较多往往会被忽略。另外滑环与磁极引线连接处的积灰也要清理，该部位也会影响散热或引起转子接地现象的发生。

b）连接螺栓的紧固检查，滑环碳刷装置是组合体，本身就要求各部位连接要牢固可靠，利用检修停机的机会，一定要仔细检查各个部件间的连接情况，有松动的要重新进行紧固，保证装置导电良好及结构稳定。每个大修周期将滑环连接的正负极电缆（或母线）互换，以便减少单一负极滑环的磨损。

c）碳刷更换要科学，检修时更换的碳刷多，除上述选用质量一致性能良好的碳刷外，安装碳刷前要用金相砂纸适当的研磨，要保证更换后的碳刷在刷盒内活动灵活，碳刷在刷盒内应有0.1～0.2mm的间隙，上下活动无卡涩现象，要保证碳刷与滑环的接触面与滑环弧面接近。检修中要注意调整刷盒底部到滑环外径距离不小于2mm，通常应为4～ 5mm，保证转动部分与静止部分不得有任何接触。碳刷更换要从刷辫穿入刷盒由碳刷顶住压簧抽拽到相应位置，然后将刷辫安装到刷握对应螺丝孔内，刷辫（线鼻子）方向要保证碳刷在压簧作用下，刷辫不要成为碳刷与滑环接触的阻力。

d）滑环碳刷装置固有绝缘的检查修复，这里指与装置连接的直流电缆等部位的绝缘，要保证完好，有开裂损坏等情况时一定要处理修复。另外，底架对地的绝缘也要随时检查，不符合要求时一定要处理。

4.2.2 碳刷装置其他检修要点

碳刷装置长期运行难免将原来的镀银层氧化，其优良的导电性能逐渐降低。为了恢复其导电性能，在使用3～5个大修周期后应该将整个装置返厂进行氧化层的去除，也就是重新进行装置的镀银处理。

刷握上的恒压弹簧压力会逐渐衰减，使用中也会使得碳刷与滑环的接触电阻增大，影响导电性能；同时增加发热，使用时间如3～5个大修周期后对恒压弹簧进行压力校验或更换修复，保证刷握的恒压弹簧要同一规格、同一公称弹力。这方面制造厂要不断提高恒压弹簧的制造水平，保证恒压弹簧的性能一致，提高装置整体运行水平。

5 结束语

通过了解滑环碳刷装置的结构及各部件在这个组合体中的作用，从源头制造上把好质量关是避免故障发生的关键。检修人员必须提高业务水平，加强对滑环碳刷装置进行巡回检查，做好记录；特别是利用停机检修机会全面对滑环碳刷装置进行检查，使滑环碳刷装置的所有问题及早排除、及时处理，做到大问题不发生，小缺陷尽量避免，从而保证滑环碳刷装置以及整个发电机组的安全运行。

Fault Analysis and Treating M ethods of Turbine Generator Slip Ring Brush Device

LISiguo1，LIU Bin2，ZHANG Guoqing3
（1.Shanxi Xingneng Power Generation Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030206，China；2.Shanxi No.1 Electric Power Construction Com pany of China Energy Engineering Group，Datong，Shanxi 037043，China；3.Shanxi Vniversity，Taiyuan，Shanxi 030013，China）

Static excitation and revolvingexcitation are twoexcitingmodesof largegenerators,while slip ringbrush device is thekey componentofstatic excitation.In this paper,through the analysis of the function,structure and common faultsof turbine generator slip ring brush,maintenance essentials and the treatmentmethods for the common faults are summarized.The application of thesemethods can ensure theunit’ssecureoperation and reduce faultoccurrencesoas toavoid economic loss forenterprises.

generator；slip ringbrush device；brush holder；pressureof thepressingspring

TM311

B

1671-0320（2015）06-0058-04

2015-09-11，

2015-10-23

李思国（1971），男，山西临县人，1994年毕业于太原工业大学电机工程系电机专业，工程师，从事发电厂电气检修工作；

刘 斌（1961），男，山西山阴人，1988年毕业于山西电力职工大学热能动力专业，工程师，从事项目管理工作。

张国庆（1962），男，河北井陉人，1984年毕业于大连理工学院工业涡轮机专业，副教授，研究方向为蒸汽轮机及空冷系统。