水轮发电机励磁碳刷滑环发热分析及压力试验

杜 娟， 张 铖， 何延东， 包 金

(1.辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺113001； 2.国家电投东北电力有限公司 本溪热电分公司，辽宁 本溪 117000；3.国家电力投资集团公司 抚顺新亚电力有限公司，辽宁 抚顺 113006)

水轮发电机励磁碳刷滑环发热分析及压力试验

杜 娟1， 张 铖2， 何延东1， 包 金3

(1.辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺113001； 2.国家电投东北电力有限公司 本溪热电分公司，辽宁 本溪 117000；3.国家电力投资集团公司 抚顺新亚电力有限公司，辽宁 抚顺 113006)

碳刷和滑环是发电机励磁系统的重要组成部分。在发电机运行过程中，由于一些因素经常会出现碳刷发热、磨损的现象，严重影响发电机的安全运行。通过试验测试碳刷的受力情况，对两台发电机正极和负极各8块碳刷上的压簧压力进行分析，比较了两台发电机碳刷上的压簧压力，分析了碳刷发热、磨损的原因，并给出了更换建议。

碳刷； 压簧； 压力； 发热； 磨损

抚顺清远水力发电有限公司位于辽宁省抚顺市大伙房水库，共有2台20 MW的水轮发电机。一号发电机的碳刷自2014年C级检修以后经常发生打火、过热、磨损等情况。其中，正极碳刷第1、3块经常在较短时期内磨损，负极碳刷第1块打火、发热时温度高达160 ℃。该水电站分别使用了更换新碳刷和用砂纸打磨滑环的办法，但碳刷过热问题仍然未能得到解决。如果不能及时有效地采取措施消除碳刷打火现象，则会造成发电机滑环形成环火并严重发热，最终导致发电机被迫停机。

发生上述现象的原因可能有以下几种：(1)滑环、碳刷、刷握及刷架表面脏污；(2)刷握边缘卡涩，弹簧压力不匀；(3)机组轴系振动较大，带动滑环一起振动；(4)碳刷接触不良，发生打火现象；(5)碳刷质量存在问题[1-2]。

结合该水电站实际情况分析得知，第二种原因的可能性较大。机组运行时，虽然使用同一型号的碳刷，但由于其压力不同，碳刷与滑环接触电阻不相同，致使同极滑环不同碳刷间电流不均匀，部分碳刷电流过大[3-4]。如果压簧对碳刷压紧度不够，会导致碳刷不能与滑环充分接触。因此，需要通过试验测试每块碳刷的受力情况，比较各碳刷的压力，以便发现问题压簧并及时更换[5]。

1 发电机及其主要参数

两台20 MW水轮发电机型号和各参数均相同，其型号为SF-20-28/5500。20 MW水轮发电机外形如图1所示[6]，发电机参数见表1。

图1 20 MW水轮发电机外形

参数数值参数数值额定功率/MW20转速/(r·min-1)214额定容量/kVA23530额定励磁电流/A565额定电压/V6300空载励磁电流/A310额定电流/A2156正极碳刷数量/块8磁极个数28负极碳刷数量/块8

2 试验设备及试验方法

2.1 试验设备

测试发电机励磁碳刷的弹簧为卷簧式恒压弹簧(恒压弹簧，下同)，如图2所示。试验使用的主要设备有浙江省乐清市爱德堡仪器有限公司生产的NK-100型指针式拉力计(见图3)、佳能60D数码相机。

图2 恒压弹簧照片

图3 NK-100型指针式拉力计

2.2 试验方法

使用NK-100型指针式拉力计的PULL端，对碳刷上恒压弹簧的压力逐个测试。在滑环和碳刷间夹一张软纸片，用拉力计拉住碳刷尾部缓缓往外拉，当软纸片刚好能从碳刷下抽出时，拉力计的读数即为恒压弹簧的压力[7]，测试过程如图4所示。对每个压簧做2次测试，然后取2次测试值的平均值作为其压力。一号机正极8块碳刷及压簧如图5所示。一号机负极，二号机正极、负极的各8块碳刷及压簧与一号机正极类似。

分别对一号机和二号机正极、负极碳刷的压力值进行比较，再对比两台发电机励磁碳刷恒压弹簧的压力，以便在发电机运行、检修及维护时做参考。

图4 恒压弹簧压力测试过程

图5 一号机正极8块碳刷及压簧

3 试验数据与分析

3.1 试验数据

(1)分别对一号机正极及负极各8块碳刷的压力测试2次，并分别计算其平均值，结果见表2及表3。

表2 一号机正极8块碳刷的压力测试值及平均压力 N

续表2

表3 一号机负极碳刷的压力测试值及平均压力 N

(2)分别对二号机正极及负极各8块碳刷的压力测试2次，并分别计算其平均值，结果见表4及表5。

表4 二号机正极碳刷的压力测试值及平均压力 N

3.2 结果分析

分析一号机和二号机上正负极碳刷的平均压力。在比较压力时，同一极性碳刷的压力允许偏差不超过5%。

由表2及表3可知，一号机正极碳刷第1、5块压力最小，与其他压力相比第4块压力过大，需要更换压簧；一号机负极碳刷压力较均匀，基本在14～27 N变化。

由表4及表5可知，二号机正极第1、8块碳刷的压力过小，需要更换压簧，其他碳刷压力值较均匀，基本在30～37 N变化；二号机负极第6、8块碳刷的压力最小，其他碳刷的压力较均匀，基本在34～40 N变化。

对表2、表3和表4、表5进行对比可以看出，二号机正、负极碳刷的压力明显大于一号机正、负极碳刷的压力。

4 结 论

碳刷压簧压力的大小对维护发电机的安全运行是很重要的。若压簧的压力过低，则不能保证碳刷与滑环始终保持良好的接触，此时会因电气损耗的增加而引起碳刷过热，因火花增大而引起烧伤，从而使磨损增大；若压簧的压力过高，则机械磨损所产生的热量增加，碳刷温度升高，导致碳刷快速磨损[8]。加在碳刷上的压力应尽量均匀，否则会导致电流的分配不均匀。受压簧压力大的碳刷，接触电阻小，通过的电流多；相反，受压簧压力小的碳刷，接触电阻大，通过的电流少。因此，可能会引起部分碳刷打火或过热、磨损等现象[9]。所以，同一台机组碳刷的压力应控制在平均值的±5 N范围内，同一极性碳刷的压力值允许偏差为5%[10]。为了使发电机组能够安全稳定运行，已建议该水电站将压簧全部更换成型号一致、压力均等的压簧，该建议已被企业采纳[11]。在发电机组检修过程中，两台机压簧已全部更换，解决了发电机励磁碳刷滑环发热的问题[12]。

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Heat Analysis of Hydro-Generator Excitation Carbon Brush Slip Ring and Pressure Experiment

Du Juan1， Zhang Cheng2， He Yandong1， Bao Jin3

(1.SchoolofMechanicalEngineering，LiaoningShihuaUniversity，FushunLiaoning113001，China；2.BenxiCogenerationBranchCompany，SPICNortheastElectricPowerCo.,Ltd.，BenxiLiaoning117000，China；3.SPICFushunNewAsiaPowerCo.,Ltd.，FushunLiaoning113006，China)

Carbon brush and slip ring were important parts of the generator excitation system. Due to some factors, the phenomenon of carbon brush getting high temperature or wearing affected the safe generator operation seriously. The force of pressure spring was got on carbon brush by experiment, pressure values of both 8 positive carbon brush and 8 negative carbon brush in two generators were analyzed, the pressure spring pressure of two generators carbon brush was compared, reasons of brush getting high temperature were got , and proposals for change were given.

Carbon brush； Compression spring； Pressure； Heat； Wear

2017-02-23

2017-08-21

国家自然科学基金项目(51303075)。

杜娟(1983-)，女，硕士，讲师，从事工程图学、水轮机运行及维护方面的研究；E-mail：dujuan0921@163.com。

1672-6952(2017)06-0040-04

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

TV734.1

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.06.008

(编辑 宋锦玉)