汽轮发电机集电环电刷打火的原因分析及在线处理方法

宁夏银星发电有限责任公司 杨 文

某发电公司1号机组集电环碳刷打火严重，被迫降负荷及降低机组无功运行，碳刷载流分布严重不平衡，接触面温度高达200℃，集电环表面最高温接近160℃，现场多数碳刷存在边、角崩裂的现象，严重危及到机组运行。通过现场反复检测、研究、判断为集电环表面存在“高点”，表面光洁度劣化，导致碳刷电流分布不均局部高温“打火”。后经自主研发制作了胶木假碳刷，对集电环表面在线研磨后，消除了发电机碳刷打火问题，避免了发电机非正常停机带来经济损失及恶劣的社会影响，得到了厂家的认可和推广，取得了良好的社会价值。

发电机集电环也叫滑环，集电环装置是发电机设备重要组成部分，其主要功能是将静止励磁电流提供给旋转的发电机转子绕组励磁电流的一种装置。电刷是集电环装置的重要组成部分，是发电机动静接触和交换能量的设备，其状况运行好坏，直接关系到发电机组安全稳定运行。然而，在日常检查中，经常发现因各种原因会造成发电机碳刷“打火”故障，如不及时消除，可能导致碳刷碎裂，集电环高温运行“环火”，严重时会烧毁集电环，威胁机组安全稳定运行。本文就发电机集电环碳刷打火原因分析及在线消除方法进行简要探讨。

1 设备简介

某发电公司安装两台由上海发电机厂制造的QFSN2-660-2型静止励磁系统的汽轮发电机。发电机集电环装置在同轴上由两个集电环单件构成。集电环是合金钢锻件，经加工和热处理热套于集电环套筒的环形构件。将集电环热套在集电环套筒后形成了一个完整性能的集电环构件，这两个环形构件的接触表面均为镀银的，使接触面的电阻降到最低，以达到降低集电环温度的目的。

集电环套筒表面周向上有均布的，与轴向成45°的斜槽，斜槽的进风口处修成有利于通风的单边喇叭口，进一步增大自抽风能力，这些斜槽除具有自抽风能力外，还增加了集电环的散热面积，以达到降低集电环温升目的。集电环构件也是热套在具有绝缘筒的集电环轴上的环形件，它高速旋转的表面与静止电刷的接触面是动、静电流的交换面。每只集电环的周向上装有6个刷盒座，每个刷盒座上可插入2只刷握，刷盒、附件及弹簧件组成了刷握，每只刷握能装6只25x32x100mm型电刷，每一极集电环分别布置72只碳刷。刷盒座被紧固在一对同心的镀银汇流环上，刷握顶部是绝缘手柄，可供运行人员在不停电的条件下更换碳刷。每只电刷均有6只恒压弹簧，提供一个作用于电刷中心线上的恒定压力。刷架是以环氧玻璃布板为主的组合框架，用螺栓将它与导风圈、汇流环连成一个整体，紧固在底架上面的绝缘材料板上。

2 案例概述

某发电公司安装两台由上海发电机厂制造的QFSN2-660-2型、水氢氢冷却方式、静止励磁系统的汽轮发电机，励磁系统使用上海摩根碳刷传输励磁电流。附着于集电环上的碳刷，依靠弹力搭接、滚动搭接原理构成可靠的连接系统，碳刷附着于无线旋转的集电环上，提供给集电环电流，使其加载于发电机转子之上，形成磁场被切割，产生电能。据供货厂家指导意见，该厂选用性能优良的进口电刷(摩根NCC634、罗兰LFC554)，正常工况下集电环表面温度一般不超过100℃。但在2018年11月至2019年4月期间，某发电公司运一号机组持续发生集电环高温、碳刷碎裂等严重缺陷，碳刷温度最高点达到了140℃左右，经紧急在线处理后恢复运行，鉴于碳刷发热“打火”的常见性以及可能造成的严重后果，现将整个分析处理过程进行总结，对碳刷打火原因进行深入分析，总结了极其实用的在线处理方法。

3 原因分析及对策制定

（1）安装不规范，碳刷握的弹簧压力不足或压力不均匀，与集电环表面间隙过大。一般电刷的材质比较脆，当同集电环表面的空隙过大的时候，其运行的过程中不能整体与集电环接触，会呈斜面接触，因此容易产生电刷崩裂情况。

解决对策：按照厂家技术文件要求，在厂家技术人员的指导下对发电机刷握间隙进行统一检查调整至4mm，并测量刷握恒压弹簧压力均达到正常。

（2）碳刷混用，造成不同材质、不同导电性能的碳刷混装，碳刷载流分布不均匀。

解决对策：经抽取现场碳刷样品检查，该批次使用的碳刷均为上海发电机厂指导使用卡朋罗兰品牌，型号为LFC554型进口电刷，该碳刷性能优良，现场检查未发现不同品牌的电刷混用。同时，经核查采购经销商，该厂采购的碳刷均为卡朋罗兰品牌国内授权经销商，未发现存在非正式厂家生产牌号或其它牌号的碳刷。

（3）检修人员操作不规范，未按照规定对新碳刷进行研磨或研磨不均匀。设备异常打火期间更换碳刷数量明显上升，损坏的碳刷多数出现崩角，裂变等情况。

解决对策：按照厂家指导要求，对碳刷更换作业进行细致、规范的培训，且现场由熟练工带领进行碳刷更换，严格按照厂家要求对新碳刷进行细致打磨，杜绝因人为因素造成设备故障。

（4）集电环室内空气循环差，温度高积粉多，长时间未清理，造成碳刷打火。碳刷在同集电环的机械摩擦过程中，会产生很大的热量、流过碳刷的电流会产生热量，集电环室内的空气循环较差，两者之间产生的热量不能及时的排出室外，热量集中室内，使室内的温度升高，随着碳粉越积越多，如未及时的清理干净，导致碳刷温度增高而出现打火。

解决对策：加强室内的通风冷却，在发电机集电环处引接一路仪用压缩空气，对碳刷和发电机集电环积粉进行吹扫清洁，同时使碳刷与集电环面等零部件的温度低降。另外，检修人员定期检查设备各部位是否有粉尘积垢，需要及时的清扫干净；此外，结合机组检修，定期将集电环螺旋导风槽里的碳粉物清除干净，避免影响通风和散热的效果。

（5）人员技能及经验不足，日常巡视检查过程中未能及时发现集电环局部高温及碳刷载流分布不均匀的缺陷，造成碳刷及集电环长时间过热，进行形成打火缺陷。

解决对策：针对人员技能及经验不足等问题，联系厂家专业技术人员针对此类问题开展现场专项培训，人员达到熟练水平方可上岗作业。

综上述原因分析，针对具体原因分析制定出的解决对策，逐项落实实施后，碳刷“打火”故障并未有效消除，且随着负荷率的增加有形成“环火”的趋势。机组多次被迫降负荷及降无功运行，碳刷电流分布严重不平衡，接触面温度高达200℃，集电环表面最高温接近160℃，现场多数碳刷存在边、角崩裂的现象，严重危及机组运行。后经技术人员及厂家技术指导现场反复检测、分析、研断，确定此次打火故障的主要原因为发电机集电环表面存在“高点”，因电腐蚀造成集电环表面光洁度劣化，致使碳刷电流分布不平衡局部高温打火。

解决对策：为研磨集电环表面“高点”，进一步提高集电环表面光洁度，技术人员自制作了同比例胶木材质的碳刷。胶木即电木，具有较高的机械强度、良好的绝缘性，耐热耐高温耐腐蚀，用其代替碳刷可以有效研磨集电环表面“高点”及毛刺且不会对集电环造成二次损坏。其制作过程相对简单，即选用耐热性能更佳的原胶木，按原碳刷规格比例1：1切割打磨成碳刷状，为进一步提高研磨接触面积，取旧碳刷比照，在胶木碳刷端面画出相同弧面，用磨具沿弧面打磨，直至胶木碳刷弧面成与集电环接触面达到75%以上，为防止取出时不慎滑落，将制作好的胶木碳刷顶部打孔系好绝缘绳（如图1所示），将其按照碳刷安装要求安装于新刷握上，根据故障集电环碳刷电流分布情况，依次谨慎、轮换、替代电流分布不均，载流能力较低的碳刷刷握，逐步对集电环表面进行持续研磨、清洁，消除集电环表面“高点”，同时对集电环表面光洁度进行修复抛光。经多轮次，反复不断的对集电环持续研磨，碳刷打火现象逐步减少，直至彻底消失，观察集电环表面光滑度明显提升，此方法取得了立竿见影的效果，避免了机组非停造成的经济效益损失响。同时，得到厂家的认可和赞许，值得在同类故障中广泛推广，取得了良好的社会价值。

图1 自制胶木碳刷

某火电机组在运行中集电环打火严重，造成集电环及碳刷异常发热，为避免机组非正常停机带来的经济损失，以及事故扩大造成恶劣的社会影响，本文通过深入分析，提出了有效的在线处理对策，通过研发自制胶木碳刷，对发电机故障集电环在线研磨，有效解决了集电环“打火”故障，避免了机组非停的带来经济损失及恶劣的社会影响，鉴于取得的良好效果，希望对同行业类似故障有一定的借鉴作用。