汽轮发电机接轴碳刷的异常分析及改造

戚慧茗

（国能江苏谏壁发电有限公司，江苏 镇江 212006）

0 引言

碳刷是发电机固定部分和转动部分之间传递能量或信号的装置。碳刷的作用如下：（1）消除大轴对地的静电电压；（2）供转子接地保护装置用；（3）供测量转子线圈正、负极对地电压用。

碳刷性能良好的标志：（1）在换向器或集电环表面能较快形成一层均匀、适度和稳定的氧化薄膜；（2）电刷的使用寿命长，不磨损换向器或集电环；（3）电刷具有良好的换向和集流性能，使火花抑制在允许的范围内，并且能量损耗小；（4）电刷运行时，不过热，噪声小，装配可靠，不破损。

碳刷若存在问题，将会给机组安全稳定运行带来巨大的潜在威胁，原因如下：（1）发电机采用水—氢—氢冷却方式，严禁发电机周围明火；（2）发电机转子一点接地保护设置了跳机程序；（3）轴振标准在80 μm以内，达到130 μm就会跳机，长期振动较大不利于机组安全稳定运行。

1 设备概述

某厂七期两台1 000 MW机组，发电机原厂汽端6号轴承座、励端7号轴承座分别装有5只大轴接地碳刷。其中汽端碳刷为两组，每组两只碳刷，装在转子大轴正上方12点处的一组用于转子一点接地保护测量，装在大轴东侧3点处的一组用于转子轴电流、轴电压参数的测量；励端仅一只碳刷，装在大轴12点处，用于测量转子轴电压。

制造厂原采用EG5U AG20型号双层碳刷，材质有两种：滑入边选择使用润滑性能好的石墨基电化石墨材质，滑出边选择使用含银电化石墨材质。简单地说，这种碳刷使用时转子先通过碳层滑入，再由银层滑出。该碳刷截面尺寸为2×0.8=1.6 cm2，弹簧压力为0.4 kg/cm2。

2 异常情况分析及处理

两台1 000 MW机组自2011年投产运行后，大轴接地碳刷发生了多次异常情况。

2012年7月4日，#13机组#6轴瓦轴振逐步升高，且上下波动幅度较大（图1）。

图1 #6轴瓦轴振曲线

就地测#6轴瓦振动、温度正常，就地听音正常，但检查发现#6轴承座的发电机大轴接地碳刷时常发生跳火现象，且时有爆鸣状火花。对发电机接地碳刷滑环清理并更换接地碳刷后振动稍有好转，但过不了多久振动再次加剧。据此分析，很可能是由于电火花干扰#6轴承座的振动测量元件，使其轴振异常升高。

2012-07-01 T16：05，#13机组“发电机转子一点接地报警”，就地检查转子系统未发现明显异常，按相关规定解除转子一点接地保护。随后检查发现用于转子一点接地装置测量的碳刷有跳火现象（图2），于是开抢修工作票进行发电机接地碳刷的清理。完成后保护班对励磁系统进行检查，正常后复归光字牌，投入转子一点接地保护。发电机#6轴瓦接地碳刷与大轴接触不良是接地报警的主要原因，能否完全消除此缺陷是转子接地正常投用的前提条件，运行人员对碳刷的维护也是重要的原因。

图2 碳刷有跳火现象

根据这些现象，结合实际情况分析，这两次异常都是碳刷接触不良跳火导致的。而碳刷跳火一般有以下几种情况：

（1）碳刷过短导致其压簧伸长、压力下降，碳刷与滑环接触不够紧密[1]；

（2）碳刷的均压弹簧压力偏小，碳刷与滑环接触压力小，接触电阻增大；

（3）发电机轴瓦振动大，导致滑环与碳刷接触不良[2]；

（4）滑环不圆导致滑环与碳刷接触不良，接触电阻大；

（5）滑环与碳刷的接触面有脏污，导致滑环与碳刷接触不良；

（6）碳刷设计不合理或者碎裂，导致其与滑环接触面积过小，接触电阻过大；

（7）轴电压过高[3]。

为保证机组安全，必须消除这5只碳刷的接触不良和跳火现象。为此，运行维护人员采取了一些临时措施：

（1）增加碳刷更换频率，碳刷稍有碎裂和脏污就进行更换，新碳刷长度更长，使得压簧行程缩短，增加了接触压力，改善了接触效果；

（2）更换碳刷前对碳刷与滑环的接触面充分研磨，使碳刷与滑环尽量紧密贴合；

（3）每次更换碳刷时检查刷架结构及弹簧松紧度，清理刷架积粉；

（4）使用棉布蘸取四氯化碳溶液清洗滑环；

（5）加强对接地碳刷与转子大轴间接触电阻的监测，定期测量电阻，确保转子接地保护装置的可靠运行。

此后情况虽有所好转，但碳刷破损情况发生频繁，运行维护人员工作量大幅增加，未解决根本问题。

由于制造厂选用刷盒尺寸较小，碳刷截面积、弹簧压力均偏小，在现场恶劣的运行环境下易产生振动，使碳刷破裂及磨损严重；又因发电机汽端密封瓦盖处长期有油汽渗出，油污及碳粉附着在测量碳刷的刷架和转轴上，增大了碳刷与转轴之间的接触电阻，易产生火花。最终，向设备管理部申请利用停机检修的机会，将刷握进行改装，增大刷盒的尺寸，即增加碳刷与转轴的接触面。

3 碳刷改造的过程

3.1 第一次改造

该厂四、五期300 MW发电机组上采用的是具有良好集电性能的上海摩根NCC634型碳刷，其标配的恒压弹簧压力为1.2 kg/cm2，碳刷截面积尺寸为3.2×2.5=8 cm2，压力及截面积均远大于原碳刷，且该厂对NCC634型碳刷有多年运行维护经验。运行人员与设备管理部进行了多次讨论分析，一致认为将碳刷改型后能够使碳刷与滑环更好地接触，提高其工作稳定性，减少维护工作量，故决定优先对#13机组6号轴承座的碳刷尝试更型。经过设备管理部和检修人员对刷架和刷握的改造，最终原刷架保留，将原来的小刷握（图3）更换为NCC634的刷握（图4），将刷架清洗干净，保证刷握与刷架接触良好，至此，成功更换了碳刷。

图3 汽端转子接轴刷握改装前

更换好#13发电机汽端6号轴承座的碳刷后，振动恢复了正常（图5），碳刷暂时未再产生跳火（图6）。后经过同样的处理，将#13、#14发电机组的大轴接地碳刷一一更换。改造工作完成后，短期内减少了清理碳刷的次数，减小了运行维护人员的工作量，降低了维护成本，同时操作风险也随之降低。

图5 6瓦振动恢复正常

图6 碳刷改装后无火花

第一次改造在短期内取得了成功，但随着机组长周期运行，2014年6月发电机大轴接地碳刷再次产生了问题：

（1）运行人员抄表时多次发现发电机轴电压参数异常，数值上下波动较大，有效值从正常的17 V左右上升到50 V左右，对发电机大轴接地碳刷检查发现碳刷又发生了跳火现象，更换碳刷后参数正常；

（2）发电机转子一点接地保护发生间歇性误报警，检查发电机大轴接地碳刷有跳火现象，更换碳刷后报警消除。

通过运行和检修人员的仔细排查发现，汽端转轴上接轴碳刷接触部位有发白痕迹（图7），励端无异常，在机组大修时对该部位检查，发现转轴表面有轻微磨痕（图8），初步怀疑为恒压弹簧压力问题，但用哪种压力的恒压弹簧是需要结合碳刷等因素进行多方面验证的，该厂不具备试验条件，且1 000 MW机组投入运行后必须安全稳定。在综合考虑后，设管部决定对汽端接轴碳刷进行第二次改造，以便彻底解决碳刷跳火的问题。

图7 汽端转轴上接轴碳刷接触部位有发白痕迹

图8 转轴表面有轻微磨痕

3.2 第二次改造

第二次改造的目标仍然是增加碳刷与滑环的接触面积，但弹簧压力可稍微降低，防止对大轴滑环表面造成磨损。于是设备管理部采用了65Mn硬料弹簧钢带，该材料硬度和弹性都很好。该钢带宽40 mm，厚度0.8 mm，钢带表面附一层编织软铜线作为导体与滑环表面接触摩擦。根据现场实际位置，在发电机#5轴瓦处加装了两组该接轴装置，一组为转子轴电流测量用，另一组为转子一点接地保护测量用，新增接轴装置与原大轴接地碳刷并列运行。

第二次改造取得了彻底的成功，机组投运后未发生碳刷跳火等异常情况，发电机转子轴电压稳定，在12～15 V。观察运行一段时间后，取消原#6瓦侧大轴接地碳刷（图9），由#5瓦侧新增大轴接地装置替代原#6瓦侧接轴装置独立运行（图10），将转子一点接地保护跳闸出口压板重新投入。

图9 已经取消的#6轴瓦接地碳刷

图10 #5轴瓦新增的大轴接地装置

这次改造成功的原因，总结出来主要有以下两点：

（1）65Mn硬料弹簧钢带弹性良好，不再受到汽轮机大轴轻度振动的影响，彻底解决了碳刷的振动问题。

（2）编织软铜线作为与滑环接触并摩擦的主体，其接触面积比碳刷更大，最主要的是将原来的单面接触改为了多点接触，在滑环有油污且轻微振动的环境下，多点接触的效果明显好于单面接触。

由于该碳刷采用编织软铜带作为磨损件，磨损周期较长，相对于原来5块碳刷每隔一周左右就需清理更换来说，不但大大减轻了运行维护工作量，而且大大节约了碳刷维护费用；但缺点是更换难度较大，单次更换时间较长。目前更换工作已交由检修人员进行，并新增了碳刷维护规定：凡是更换转子一点接地保护用碳刷时，需解除转子一点接地保护跳闸出口压板。

4 成果总结

通过对发电机转子汽端大轴接地碳刷及励端接轴测量碳刷的两次改造，碳刷带来的接地不良导致转子一点接地保护误跳机现象再没发生过。这两次改造积累了运行维护经验，解决了因碳刷异常而造成的一系列不安全情况，总结下来有以下成果：

（1）降低了碳刷维护成本，节省两台1 000 MW机组原碳刷每年的维护费用近50万元，碳刷更换次数大大减少（图11）。

图11 碳刷更换次数折线图

（2）操作风险降低，避免了因碳刷接触不良误发转子一点接地信号或有可能造成的误跳机，转子一点接地保护装置的投入使用也提高了发电机安全运行可靠性。

（3）消除了发电机6号轴承座轴振异常升高的情况，确保了机组安全运行。

（4）消除了大轴接地碳刷跳火可能导致的一些其他安全隐患，如氢气爆炸、油膜击穿等。