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发电机励磁碳刷滑环发热的分析预防和应急处理分析

十里泉发电厂三十万千瓦机组励磁方式为静止型三机励磁系统,发电机刷架与导电环合二为一,每个环由两瓣拼成,其材料为铸硅黄铜。外圆周表面开有螺旋沟,并有沿集电环圆周均布斜30°的通风孔,以防止气垫现象及加强集电环本身的冷却。每个导电环上分别设置四排碳刷,以减小集电环表面的磨损。电刷与集电环有独立的通风系统,冷空气由两个集电环的外侧进入,中间出去,由装在转子上的两个并联的离心式风扇驱动。进风和出风均由管道引至厂房外部,有利于降低噪声和排出碳粉。发电机转子额定励磁电压365V,额定励磁电流2642A。刷握采用恒压式,每极碳刷共40块。
碳刷是发电机动静接触和交换能量的设备,碳刷运行的好坏,直接关系到发电机的运行安全,然而实际运行中,碳刷与滑环发热现象极为普遍,如果不能及时有效地采取措施加以处理,或者处理不得当,将会扩大故障,造成严重发热、滑环烧坏,导致发电机停机事故;造成不必要的损失。
 
碳刷和滑环发热的产生发展过程
 
碳刷正常运行中的温度一般在50℃~80℃,(温升40℃左右),碳刷电流分布整体比较平衡,每块碳刷工作电流在20A~100A。刷握弹簧压力比较均匀,碳刷活动自如且无振动卡涩现象。碳刷与滑环运行中产生的热量由通风系统带走。即发热与散热达到基本平衡。正常运行状态下,当负荷增加电流增大或个别碳刷工况变差时,温度会有短时少量增加或者不增加,系统能够维持平衡或达到新的平衡状态。但是如果碳刷变短、接触电阻和附加电阻变大、刷握弹簧压力变小、碳刷运行工况变差,当工作电流增加,温度变化时系统的平衡能力降低,部分碳刷温度将升高,从而整个系统温度升高。有时甚至达到无法控制状态。发热时电刷和集电环温度高达100℃以上,最严重时达到200℃~300℃。此时碳刷工作状态越来越差,碳刷电流分布很不均匀,少数碳刷电流达到300A,而另一些碳刷电流接近于零。大量碳刷出现不正常的跳动或卡涩,并出现大量火花,刷辫烧断或脱辫;碳刷与滑环摩擦声音变得尖锐刺耳。
 
引起碳刷、滑环发热的因素
 
(1)碳刷发热量由4部分组成:碳刷自身电阻发热Q1,碳刷接触压降发热Q 2,磨擦发热Q3,刷辫与碳刷接触电阻和散流电阻发热Q4
碳刷自身电阻发热:Q1=I2·R (其中:I-流过碳刷的电流,R-碳刷电阻)
碳刷接触压降发热:Q2=I·△U(其中:△U-接触压降)
磨擦发热:Q3=F·v (其中:F-碳刷压紧力,v-碳刷与滑环的相对运动速度)
接触电阻和散流电阻发热:Q4=I2·r (其中: I-流过碳刷的电流, r-接触电阻和散流电阻等效值)
碳刷总体发热量为:Q=Q1+Q2+Q3+Q4
这四部分在碳刷发热总量中所占比例大小,随着碳刷运行阶段及状况的改变而不断变化。
(2)滑环的发热由3部分组成:滑环自身电阻发热Q11 ,碳刷接触压降发热Q 22 , 碳刷热传导热量Q 33
滑环的总体发热量为:Q′=Q11+Q 22+ Q 33
在滑环发热总量中,滑环自身电阻发热Q11所占比例甚小,可以互略;所以滑环的发热由碳刷的发热量决定,随着碳刷温度的整体变化,滑环温度随之将有不同程度的变化。
 
碳刷运行中发热的起因分析
 
4.1  碳刷电阻值增大
碳刷使用过程中电阻值(包括自身电阻、刷辫与碳刷接触电阻和散流电阻)逐渐增大;滑环氧化膜太厚,使碳刷接触电阻大大增加,一方面使碳刷本身发热;另一方面使励磁电流分流到其它回路电阻小的碳刷上。同时使其他碳刷的电阻发热增加。
4.2  碳刷卡阻
碳刷通过电流后发热,刷体膨胀,易卡在刷握,这时拉动刷辫感觉很紧;部分碳刷由于振动、刷握不垂直等原因,会在刷握一侧的上沿和另一侧下沿产生明显卡阻,这几种形式卡阻,用钳表仍可测得电流,容易被误导,但碳刷却已经失效,致使其它碳刷分配的电流增加,发热增加。
4.3  碳刷压力减小
虽然为恒压刷握,但各个弹簧压力存在差异。用手拉动刷握弹簧,可明显感觉不同弹簧的压力差异;而且在碳刷磨短过程中,弹簧压力也会不同程度减少。压力小到一定程度,接触不稳定,接触压降增大,接触压降发热明显增加。同时由于弹簧压力不足,刷握和碳刷加长增加了碳刷侧面磨擦阻力,碳刷被阻在握内。
4.4  碳刷接触面形成气膜
碳刷在允许最大速度下运行,很容易在碳刷接触面产生气膜和跳动,使流过碳刷的电流不稳定。在滑环表面开凹槽和磨花碳刷接触面虽然可以破坏气膜。但却使碳刷实际的接触面积减小。
4.5  电流平衡的破坏
一般情况下,碳刷与滑环接触面的接触紧力较大,即接触压降小,所有碳刷工况相近,每条碳刷的电流大小接近,刷体的平均温度较低,碳刷间电流相对稳定平衡。运行一段时间后,碳刷的磨损量相近,但出现了氧化膜(氧化膜应均匀并有光泽)、气膜、卡阻等因素,碳刷磨短或弹簧压力降低,碳刷接触面的接触紧力减小,碳刷间电流重新分配,每条碳刷的电流差别增大。这个阶段时间长,且逐渐变化,不容易引起警觉。当环境温度升高或励磁电流增加时,随时可引起发热,造成平衡破坏。
 
发热的处理
 
(1)当发热处于初期,发热温度不高,如100℃以内,此时可以采用调整部分工作不良的碳刷的方法。
如更换磨损较短的以及工作电流很小的碳刷;调整或更换部分弹性较小刷握的弹簧;处理碳刷卡涩等措施,优化电流分配,减少发热量。
(2)适当降低发电机的无功负荷,减少励磁电流,从而降低碳刷的工作电流,减轻发热。
(3)出现个别碳刷断辫或脱辫,可先减小励磁电流;出现环火,则大量减小励磁电流,调整碳刷电流平衡后再更换碳刷。不可强行更换大量碳刷。
(4)清理通风口,保持风道畅通,增加散热量。
 
发热严重时应急处理
 
(1)当温度升高达到120℃以上,采取更换碳刷或调整刷握的措施已经不能降低整体温度,因为新换碳刷与滑环接触面积较少且不光滑,加上在这种恶劣工作环境下,无论分配的电流多少,热传导使其温度短时间很高,因此不能良好工作。另外由于整体温度较高,所有碳刷、刷握的工作条件很差,温度短时不但不能降低,而且将可能继续升高。此时最重要的措施是找出故障起因,降低工作温度,改善碳刷、刷握的工作条件。
(2)采用拔除故障碳刷的方法
①如果正常运行中,工作电流和环境温度变化不大,而碳刷温度严重升高,部分碳刷出现振动,这种情况主要可能是因为少量碳刷故障引起(如电阻增大、弹簧压力减小、,碳刷卡涩、碳刷断辨等)。此时应准确判断出引起发热的碳刷,将其拔除,消除“害群之马”。使其他运行正常的碳刷重新正常工作,进入正常平衡状态。这种做法的关键是做出准确判断,故障碳刷一般表现为振动较大,电流较大,其温度高于整体温度。如果不能判断或判断不准确,可以用试验的方法每隔一段时间依次取出一把碳刷,直至整体温度出现明显降低。待系统温度恢复正常后,再将所取出碳刷处理良好重新装上。
②效果分析
碳刷设计上有很大余度,故拔除少量碳刷不影响正常运行,拔除故障碳刷一方面去除了发热严重的碳刷,抵制了温度进一步升高,另一方面消除或降低了产生振动的因素。
(3)采用涂抹凡士林的方法
①用洁净的软毛刷蘸取少量的干净的凡士林,轻轻地涂于滑环表面;或者取下刷握将凡士林涂于碳刷顶部。涂抹凡士林时切记注意安全,要做到少量多次均匀。在很多次出现严重发热时,碳刷与滑环温度升到300℃以上,整体温度很高,电流分布很不平衡。碳刷有轻微抖动现象。我们在碳刷和滑环涂抹少量凡士林,经过几分钟后温度由300多度迅速降低到80℃左右;又过了几分钟降到了60℃左右,恢复了正常。由此可见,此种方法是卓有成效值得一试的,尤其是振动为引起发热主导因素的机组,可以有效减轻振动效应。通过处理,避免了不必要的停机事故。
②功能分析
凡士林为油壮物质,常用作润滑剂。具有良好的粘附性、抗水性、拉丝性、低温性和化学安定性,用于金属零件、机器的防锈和橡胗软化剂。外观为淡褐色至深褐色均质无块软膏,滴熔点为45℃-80℃,运动粘度(100℃)10~30mm2/s。闪点(开口)不低于190℃。由其性能特点可见,涂抹凡士林,使碳刷得到很好润滑,大大降低振动,使接触部位得到良好接触,同时滴熔时也吸收了少量热量;清除了滑环上部分碳粉和灰尘。改善了碳刷的工作条件。所以可以很快降低整体温度。
 
正常运行的维护和注意事项
 
(1)检查集电环上的碳刷有无冒火现象,如出现火花,应设法进行处理。碳刷发生火花的原因和消除方法见表1。
 
表1  碳刷发生火花的原因和消除方法
出现火花可能的原因和性质
消除方法
碳刷研磨不良,其接触面积过少
重新研磨碳刷
碳刷型号不符合规定,或不同型号碳刷用在同一集电环上
更换制造厂指定的或经过试验合格的碳刷
刷架位置不对
调整刷架位置,使其轴线与集电环的轴线平行
刷握与集电环之间的间隙不符合规定
调整其间隙使其符合要求(3~4mm)
碳刷和引线,引线和端子间连接松动,发生局部火花
拧紧碳刷和引线
弹簧发热变软失去弹性,碳刷压力不均
更换弹簧(碳刷在刷握中应能自由活动,碳刷压力应为0.015~0.02Mp)
碳刷磨损后长度过短
更换碳刷
碳刷在刷握内摇摆或积垢不能在刷握内自由活动,火花随负荷增加而增大
检查碳刷在刷握内能否自由活动,更换摇摆和滞涩的碳刷,清理刷握积灰
集电环磨损不均或表面不平,跳动过大及机组振动过大引起碳刷振动,火花随振动而变
查明振动原因并消除,在停机时检查集电环的状态
 
(2)经常检查碳刷的活动情况。用提刷的方法检查鉴定碳刷在刷握内上下活动是否自由,有无卡刷和碳刷焊附在刷握壁的现象(碳刷与刷握配合的间隙太小会产生卡刷现象;碳刷受力不合理时,会产生碳刷焊附现象,当碳刷工作时上下微动,碳刷与刷握壁之间的接触电阻逐渐降低达到一定程度时,由于热和电的作用,碳刷就粘附在刷握壁上而失去了上下活动的能力)。当发生有卡刷和碳刷焊附现象时,应立即研磨碳刷和清理刷握内壁,使碳刷恢复上下自由活动能力。
(3)经常检查刷辫是否完好,碳刷是否有脱辫现象,导线是否氧化及是否有烧断股线现象等。接触是否良好,有无过热现象,如出现发黑或烧伤等现象,则应该更换碳刷。
(4)检查有无碳刷颤振的情形。集电环磨损不均,碳刷松弛,机组振动等原因都将会引起碳刷颤振,此时必须将其从刷握中拔出检查是否有损坏情形,查明颤振原因并消除。为有效减小振动,刷握最低点距离滑环3~4毫米,既保证足够间隙余度,又可以减小振动现象。
(5)检查刷握和刷架上有无积垢,定期用刷子扫除或吹风机吹净;每次停机时,应清除集电环通风沟、孔内的碳尘物,以免影响散热及通风效果。
(6)控制碳刷电流分配和温度变化。配备直流钳形电流表和远红外测温仪,定期测量和掌握集电环表面无过热现象,其温度应不高于120℃;每个碳刷电流控制在20~100A,刷体温度控制在不大于80℃,及时消除电流不平衡、气膜、氧化膜、卡阻等因素,保证碳刷在良好平衡状态工作。
(7)检查碳刷的磨损程度。刷块边缘是否存在剥落现象,如果碳刷磨损严重或刷块有剥落现象,就必须更换。正常运行中,一般碳刷磨损掉 1/3,或碳刷在刷握内有摇摆的情形,应及时更换,消除碳刷太短、电阻值变大、卡阻、阶梯形四面体等现象。
 
碳刷更换
 
当运行中的电刷磨损到其顶部仅高出刷握顶部约3mm时,应更换新的电刷;更换碳刷应在机组启动前进行,如机组在运行中,更换时应视情况适当降低无功;一般情况下,在同一时间内,每个刷架上最多更换1/5的碳刷,且新旧型号必须一致,不同型号的碳刷不能用到同一个集电环上;更换碳刷应由有经验的人员执行。工作人员应站在绝缘垫上,不得接触两极或一手接触碳刷一手接地。碳刷使用前要进行适形研磨(磨弧),然后才允许投入使用,磨弧专用工具按集电环、碳刷架装置仿制。新更换的碳刷要保证有一定电流,达到良好工作状态。
 
结论
 

发电机励磁碳刷滑环发热现象运行中时有发生,严重威胁发电机的安全运行。因此,对集电环和碳刷的监视、维护并及时处理其发生的故障和损伤,是保证发电机长期稳定运行的重要工作之一。运行中观察是否有火花及火花的大小,集电环和碳刷装置的温升及噪声。开机时,应检查构成滑动接触的各个部件的工作是否正常,氧化膜是否过厚或过薄,集电环的表面状态是否良好,通风沟是否堵塞,碳刷镜面是否光亮,碳刷体在刷握内上下滑动是否灵活,弹簧压力是否均匀。出现发热时,必须采取及时有效措施,控制发热、降低发热。因为发热作用时间越长,对碳刷和滑环损坏越严重,恢复正常难度也就越大。当发热严重时,应查明原因,采取必要适当措施,避免事故发生和扩大。本文所提出的两种应急处理方法,是经过实践证实卓有成效的,希望有一定的借鉴作用。避免发热关键还是预防为主,首先选择质量合格的刷握和碳刷,运行中做好维护,配备远红外测温仪经常测量,掌握温度的变化情况,配备直流钳形电流表,定期测量各个碳刷工作电流,尽量调整各个碳刷电流基本平衡;出现发热及时处理。保持碳刷工作状态良好。

公司名称:湘潭碳刷厂(代理正宗英国摩根碳刷、法国罗兰碳刷进口碳刷发电机碳刷、轧钢电机碳刷)

联 系 人:胡经理

联系电话:0731-58638583

公司网址:
http://www.xttsc.cn/
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http://www.pe1688.com/

 

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