基于毛尔盖水电站水轮发电机励磁碳刷打火原因及对策分析

基于毛尔盖水电站水轮发电机励磁碳刷打火原因及对策分析

蒋勇

阿坝水电开发有限公司四川阿坝623504

摘要：对于水轮发电机来说，碳刷是保证发电机能量交换以及动静接触工作正常进行的重要设备，同时也是发电机励磁系统的重要元件，由于运行中种种因素的影响，励磁碳刷经常会出现打火的问题，这一问题的存在在很大程度上影响了水轮发电机的正常运行，本文则针对实际工作中遇到的问题，对水轮发电机历次碳刷打火原因进行简要的分析，并提出了几点解决问题的对策，帮助技术人员对水轮发电机解决励磁碳刷打火的问题。

关键词：水轮发电机；励磁；碳刷；打火；原因

碳刷又被叫做电刷，在电机设备中作为一种滑动接触件并得到广泛的应用，石墨、金属石墨、浸脂石墨是碳刷主要的集中类型，一般是纯碳通过加凝固剂制成方形，并卡在金属支架上，由金属支架中的弹簧将碳刷压紧在转轴上，当电机转动的时候，通过换向器将电能输送给线圈。在实际发电工程中，能够导致电机碳刷打火的原因有很多，需要我们在实际工作中多加留意，并寻找到适合的解决方法。

一、故障概述

毛尔盖水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州黑水县境内，是黑水河干流水电规划“二库五级”开发方案的第三个梯级电站。毛尔盖电站为混合式开发引水式电站，具有年调节能力，毛尔盖水电站作为龙头水库，总库容5.35亿立方米，调节库容4.43亿立方米，总装机426MW（3×140MW+1×6000kW）。

水库水位落差70m(2063m-2133m)，电站发电机型号：SF140-20/6600，额度转速：300r/min，励磁系统型号：EXC9000，碳刷型号：D172，尺寸60*32*25

现每3个月清扫一次碳刷集电环，一般每次清扫会更换两三只碳刷，严重时会更换有6、7只，长时间运行时会存在打火情况，绝缘降低。

二、故障原因分析

由于本电站定期会对碳刷集电环进行清扫，每次清扫都会对碳刷损坏以及碳刷打火情况的原因进行分析，经总结，故障出现的原因如下：

在正常工况下，碳刷应该保持在50~80℃范围内能够处于正常运转状态，其温升程度在40℃，这样状态的碳刷其工作电流能够控制在20~100A之间，并且能够保证每个电刷之间分配到的电流都是相对一致的，这样碳刷承受弹簧的压力也能保持均匀与一致，在刷握中碳刷能够保持顺畅的活动，也不会发生卡涩、振动等问题[1]。

碳刷发热是水轮发电机正常的现象，但是如果没有及时处理碳刷过度发热的问题，那么就会导致碳刷与碳刷之间或者碳刷与滑环之间出现打火的问题，当打火问题严重时，就会出现刷握、碳刷、滑环等原件烧损的问题。

通过分析损坏的碳刷我们发现，碳刷与滑环摩擦产生的热量、碳刷自身产生的热量、碳刷接触压降时产生的热量是导致碳刷发热的三个主要因素，这些因素产生的热量计算公式如下：

碳刷与滑环摩擦产生的热量：Q=FTv

碳刷自身产生的热量：Q=RTI2

碳刷接触压降时产生的热量：Q=ETI

式中：

F——碳刷压紧力；

V——滑环与碳刷的相对运动速度；

I——碳刷电流；

R——碳刷电阻；

E——接触压降；

T——时间。

结合实践以及理论分析我们发现，碳刷打火的具体原因有如下几点：

第一，碳刷、滑环、刷握表面存在脏污，导致元件上产生的热量无法正常散发，热量的积累导致碳刷温度过高，进而引发碳刷打火的问题，一般来说，刷柱表面存在脏污，往往必然伴随着打火问题的存在，如果刷柱之间的绝缘强度达不到技术要求，甚至会导致坏火现象的发生[2]。

第二，如果长时间没有对碳刷进行更换，那么碳刷就会由于磨损而变得过短，进而导致碳刷电阻减小，碳刷电流过大，碳刷发热速度低于散热速度，进而引发碳刷打火问题的出现。

第三，质量不合格的碳刷，其发热能力相对较差，并且这样的碳刷往往存在材质过软的问题，进而导致刷握中长期堆积这由于摩擦而掉落的碳粉，这些碳粉在油雾化较为严重的环境中，难以实现有效散热，进而导致碳刷与其他元件之间的摩擦力过大，发生碳刷打火问题。如果碳刷的赢多过高，那么就会由于过大的摩擦力引起元件的损伤，并引发碳刷打火，元件烧坏等问题。

第四，卡涩的碳刷，往往会导致滑环和碳刷之间存在不可靠接触的问题，进而降低分配到的励磁电流，电流甚至会降为0.如果卡涩碳刷的数量发生增加的情况，那么将有更多的励磁电流分配到正常工作的碳刷上，进而导致碳刷发生量过大引发碳刷打火的问题[3]。

第五，弹簧老化，出现性能下降的问题。如果弹簧长期处于受热的状态，则会发生老化、弹性形变等问题，进而造成弹簧性能出现下降，碳刷受到的压力有着明显的减小，让滑环和碳刷之间出现不必要的间隙，导致元件之间出现接触不良的问题，进而导致电阻增加和励磁电流分配不均的问题，这种问题是碳刷电流过大，温度提升的又一原因，也是引起碳刷打火的重要原因。

第六，粗糙的滑环接触面会增加碳刷与其之间的摩擦力，摩擦所生的热量也会引起碳刷过热导致的碳刷打火问题。

第七，滑环与碳刷没有处于同心运行状态。

三、故障处理方案

在安装碳刷及其元件时，需要严格按照技术标准开展设备安装工作，保证碳刷及其元件的安装质量符合相关技术要求，避免滑环与碳刷没有处于同心运行状态等问题的出现，保证元件处于良好的运行状态。

定期对设备进行全面的检查，对于安装位置以及安装牢固度存在问题的碳刷或元件进行调整，重点检查碳刷、刷握、滑环、弹簧是否存在问题，对各个接触面进行处理，避免有脏污粘在接触面上，另外还需要对碳刷等元件的磨损情况、材质情况、卡涩程度、弹簧性能等进行观察，并明确碳刷与滑环之间的运动情况。

对于磨损严重的碳刷需要及时更换，材质不合格的碳刷也需要更换，更换弹性下降的弹簧以及出现卡涩问题的碳刷，必要时需要对滑环的圆度以及光滑度进行检测，并利用车床对滑环进行切削调整[4]。

通过以上处理方法，需要让滑环、碳刷、刷握等元件上的接触面保持清洁，并及时替换掉不符合技术要求的元件，使得碳刷的发热量得到有效的控制，进一步缓解碳刷发热的情况。并需要通过定期检修的方式处理光滑度和圆度达不到要求的滑环，使得碳刷打火的问题得到进一步解决。

在日常碳刷维护过程中，技术人员必须站在绝缘垫上进行材质，并穿戴好相应的绝缘劳保护具，避免触电事故的发生。碳刷更换前，应对更换碳刷接触表面按照滑环接触面形状进行打磨，保证碳刷与滑环接触良好，同时每次更换碳刷数量应不超过单极总数的10％[5]。

四、总结

励磁碳刷打火是水轮发电机运行过程中十分常见的故障，也是十分好处理的故障。但是，这一故障的存在同样会对发电设备造成巨大的损坏，所以我们应该从故障的发生原理入手，针对具体的设备特点，采取相应的检修手段，将励磁碳刷打火问题遏制在未发生时，实现水轮发电机组的高效、稳定运行。希望本文针对毛尔盖水电站140MW水轮发电机励磁碳刷打火原因及对策分析能够为各位提供一定的借鉴与参考。

参考文献：

[1]肖元强,牟玉雷,郑仁钊,卢旭东,张文渊,王艳兵.某水轮发电机组碳刷温度分布和温升特性分析[J].水电能源科学,2018,36(06):171-174.

[2]杨文广,詹伟芹,王欣,张辉,徐智.1000MW发电机转子测量碳刷打火问题治理[J].大电机技术,2017(06):74-77.

[3]张伟军.发电机碳刷打火的原因与预防措施[J].科技经济导刊,2017(21):95.

[4]赵丽萍,梁朝弼.小湾电厂发电机碳刷打火分析处理[J].云南水力发电,2017,33(01):158-161.

[5]梅森.发电机励磁碳刷打火原因分析及处理[J].科技创新与应用,2016(21):168.