汽轮发电机集电环和碳刷的维护与检修

电力安全技术　第１６卷（２０１４年第４期）　汽轮发电机集电环和碳刷的维护与检修　杨成余　（河南理工大学，河南焦作４５４００３）　［摘要］剖析了汽轮发电机集电环和碳刷发生故障的各种原因，并结合现场实际情况总结了　某６００ＭＷ发电机集电环和碳刷正常运行时的维护项目和应注意事项，阐述了停机时集电环和碳刷　的重点检修项目以及发生环火时的处理方法。　［关键词］集电环；碳刷；刷握；维护检修　２００３年，河北某发电厂６号机组运行时正极　集电环环火严重，打闸停机。停机检查发现，该机　不仅会加剧机械磨损，而且会使集电环因摩擦发热　量较多而产生过热现象。　（４）碳刷电流超出规定值。理论上如果各碳刷　工况相近，则每个碳刷的电流大小相等，平均分布。　但实际上，由于受碳架构造、弹簧压力、集电环表　组正极集电环外表面（碳刷接触面）被烧成麻点且　变色，内表面靠近导电螺钉附近被严重电灼伤，大　轴被灼伤弯曲。抢修９天后机组并网投入正常运行。　２００８年，河南某电厂２号发电机负极集电环　下部出现连续火花，有电弧放电现象，并伴随浓烟　和较大的放电声，造成机组紧急停机。该事故造成　直接经济损失２５万元，间接经济损失２　７００万元。　面氧化膜、气膜、碳刷长短等因素的影响，各碳刷　的电流分布不均，存在个别碳刷电流过大或过小的　现象。并且随着环境温度的升高，励磁电流的增加，　个别碳刷的电流可能会超出碳刷的允许电流值，从　而导致集电环温度升高。　国内电厂发生多次轻重程度不同的集电环环火　故障，造成机组降出力或停运。集电环和碳刷故障　直接影响发电机的稳定运行，甚至造成重大损失。　（５）碳刷的负温度效应。碳刷具有负温度特性，　即随着碳刷温度的升高，接触电阻反而降低，且在　８０～１００℃时最低，但超过１００℃时则急剧增加。　这对接触面的稳定和各碳刷间的均流极为不利。当　碳刷开始发热时，因负温度效应，接触电阻减少，　电流增加，碳刷发热，直至接触电阻降至最低，电　流升至最大，形成恶性循环，使碳刷加剧劣化。　１　集电环和碳刷故障的原因　（１）碳刷刷握与集电环机械磨损。刷握螺栓松　动或者卡槽变形，使得刷握最底端与集电环表面发　生硬磨擦，产生零星火花。　（６）碳刷表面无法形成或形成不良的氧化膜，　不能起到润滑作用。氧化膜的形成需要适宜的温度　（一般为７０℃）、湿度、含氧量。温度、湿度、含　氧量过高或过低，都不利于氧化膜的形成。另外，　（２）碳刷与刷握的间隙过大或过小。若碳刷与　刷握之间的间隙过小，则会使碳刷在刷握内上下自　由滑动困难，甚至有可能卡住碳刷；若碳刷与刷握　之间的问隙过大，则会使碳刷在电机运转时晃动，　与集电环接触不稳定，甚至使碳刷“啃边”。以上　２种情况不仅会使集电环过热，而且还有可能使碳　刷与刷握侧壁产生电流通路，出现碳刷附焊现象。　（３）碳刷压力调整不当。若碳刷压力过小，则　会使碳刷与集电环接触不良，容易产生火花使集电　环过热，严重时甚至烧蚀集电环使之出现麻点；若　碳刷压力过大，则会使碳刷与集电环的摩擦力增大，　一　一　空气中的油气、铁屑、碳粉等也不利于碳刷表面氧　化膜的形成。　（７）集电环表面不光洁。集电环表面如有铁锈、　毛刺或粘有灰尘、油污、碳粉，将影响碳刷通流，　增大接触电阻，增加电损耗和摩擦损耗，引起温度　过高。长期运行会产生电弧灼伤，使得集电环表面　产生麻点和凹槽，致使碳刷与集电环接触面变小，　接触电阻变大，温度升高。　第１６卷（２０１４年第４期）　电力安全技术　（８）油雾和粉尘的污染。某些集电环冷却方式　象时，应及时更换碳刷；同时要控制每次更换的碳　为两侧进风，集电环易受油雾污染，易粘灰尘，导　刷数量，每天最多更换每个刷架上２Ｏ％的碳刷，　致碳刷因积灰严重而卡涩。　并做好详细记录。记录内容包括：更换碳刷的位置，　（９）集电环通风孔积灰堵塞。集电环表面存有　新更换碳刷的生产厂家、型号、采购批次、直阻，　螺旋散热沟，钻有斜向通风孔，并在２个集电环中　更换后碳刷的电流值，更换周期。同一集电环上使　间加有同轴风扇，向外排风。如果维护不当，容易　用的碳刷必须是同厂家、同型号、同批次的产品。　导致通风孔积灰堵塞，影响集电环的冷却。如果出　碳刷更换必须由有经验的电气专业人员执行，工作　风道与入风道离得很近，还会引起出入风道串风，　人员应戴绝缘手套或橡胶手套，站在绝缘胶皮（垫）　大大降低冷却效果。　上，不得同时接触集电环的两极或一只手接触碳刷　（１０）集电环同心度超标或发电机轴瓦振动过　而另一只手接触金属外壳。碳刷应在套有细砂纸的　大。集电环同心度超标或者发电机轴瓦振动过大，　磨弧专用工具（按集电环、碳刷架装置仿制的工具）　均会引起碳刷在刷握中跳动，使得碳刷边角缺损，　上适当研磨后，才能投入使用，并且不宜采用金刚　集电环与碳刷接触不良，从而导致碳刷温度升高，　砂纸研磨碳刷，以防金刚砂颗粒嵌入螺旋通风槽　甚至发生环火。　内，擦伤碳刷和集电环表面。新更换的碳刷要保证　２Ｏ～１００　Ａ的电流，以保证良好的工作状态。　２集电环和碳刷的日常维护项目　（６）每周应检查碳刷的活动情况，保证碳刷能　够在刷握中上下自由移动，碳刷与刷握内壁的间隙　碳刷的日常维护通常是在电机运行时进行，要　应控制在０．１～０．３　ｍｍ之间。可用提碳刷的方法　注意做好防止电击和被转动机械卷住的措施。　来检查判断碳刷在刷握内有无卡涩现象。如有卡刷　（１）每日应对碳刷做直观检查。观察是否有火　和碳刷焊附现象，应立即拔出碳刷，对其进行研磨　花及火花的大小。如果发现碳刷产生火花，应设法　并清理刷握内壁的积灰积尘，使碳刷能够上下自由　及时处理。　移动。　（２）每日应检查碳刷有无抖动、跳动现象。如　（７）每周应检查碳刷刷辫是否有固定螺栓松　果碳刷有抖动、跳动现象，必须拔出该碳刷所在刷　动、导线变色、烧伤或断股现象，并及时更换发黑、　握，检查碳刷是否损坏、集电环表面磨损是否均匀、　烧伤或断股的碳刷。当刷辫的螺栓受发热或振动的　机组振动是否过大，并及时消除故障。　影响而发生松动时，应立即紧固。　（３）每日应用红外测温仪测量集电环表面温　（８）每周应检查集电环表面、刷握、刷架上有　度，其温度应不高于１２０℃；测量碳刷刷体温度，　无过多的碳粉，每月应用干燥的压缩空气清理集电　其温度应不高于８Ｏ℃。每周应进行１次发电机集　环、刷架装置附近特别是绝缘部件上的碳粉及积尘，　电环、碳刷及正负极铜排接头的红外成像测温，记　以避免降低励磁回路的绝缘电阻。并且，所用的压　录当时发电机的有功功率、无功功率、励磁电流、　缩空气必须经过干燥、除油处理。如果集电环表面　环境温度、碳刷和集电环的温度情况，并进行劣化　过于脏污，可用干净的白布蘸四氯化碳擦拭，使其　趋势分析。有条件的企业，可以增设集电环碳刷温　保持洁净光亮。　度、隔音罩内环境温度、冷却风扇出风温度在线监　（９），每周应使用压缩空气和吸尘器清理１次隔　测装置，将温度值远传至集控室监控画面，并设置　音罩内的杂物和积尘，并且隔音罩内的座式轴承下　高温报警装备。　绝缘垫片表面及周围也不允许附着碳尘、灰尘和油　（４）每目应用直流钳形电流表测量每个碳刷的　污等。检修维护人员应加强对发电机油档的检修维　电流，将每个碳刷的电流控制在２０～１００　Ａ，及时　护，避免出现渗漏油现象，以减少对集电环的污染。　消除电流不平衡现象，保证碳刷电流在允许载流量　（１０）机组运行期间，每月应测量１次发电机　范围内。　轴电压。　‘　（５）每日应检查碳刷的磨损情况。当碳刷磨损　（１　１）应加强对供货厂家的资质审查，选用业　到其顶部仅高出刷盒顶部约３　ｍｍ或碳刷有剥落现　绩优秀、质量优良的厂家。每次碳刷的采购数量要　一　一　电力安全技术　第１６卷（２０１４年第４期）　满足在２年内碳刷更换采用同厂家、同型号、同批　次产品的要求。有关人员应共同对碳刷备件进行验　收，验收时要抽检１０％碳刷的电阻值。除保证日　常更换外，其余的大批碳刷备件应贮存在物资部仓　库内，贮存环境的温度、湿度等应符合要求，以防　止碳刷备件受潮损坏。仓库保管人员、运行人员应　每月对碳刷备件进行抽检，以掌握碳刷备件的贮存　状态是否正常。　３集电环和碳刷停机时重点检查项目　（１）每次机组停运期间，均应清理集电环螺旋　通风沟、斜向通风孔内的碳粉和积尘，以免影响通　风效果。　（２）为使正、负集电环的磨损均匀，每隔一段　时间（至少１次／年）交换发电机的集电环极性。如　果因系统设计无法实现集电环的极性交换，可在汽　机房励磁母线正、负极分叉处增加１套励磁封母极　性互换装置，通过改变封母连接方式实现发电机集　电环的极性定期互换。改造前、后一次系统接线如　图ｌ和图２所示。图２虚线部分为励磁封母极性互　换装置，可通过改变母线联结片改变母线连接方式。　（３）停机时应检查刷架各处的固定螺栓是否紧　固、底板有无变形，集电环表面有无划痕、灼痕，　集电环有无变形偏心。对于集电环表面的凸凹点，　要视集电环损蚀的程度采取相应的方法。对于灼伤　深度小于１　ｍｍ、损伤面积在２０％下的轻度损蚀，　可先用细锉与油石打磨，然后用０号抛光砂布清除　毛刺与麻点（用专用木瓦辅助），最后用白布蘸少　许四氯化碳溶液对集电环表面精抛光；对于划伤或　灼伤较严重的凸凹点，可用重新精车的方法进行处　理，保证同轴度、圆度、圆柱度≤０．０２ｍｍ，粗　糙度≤０．４“ｍ。　（４）每次机组检修期间，应分别测量正、负极　集电环，集电环与发电机端盖之间，集电环与发电　机励侧末端轴承之间等部位转子轴的晃动值。　（５）在机组大、小修时，应进行集电环的硬度　检验和表面探伤。　４运行中碳刷发热或环火的处理方法　（１）若出现个别碳刷断辫或脱辫时，可先适当　一　一　去５０ｏｋＶ系统　机　图１　改造前的一次系统接线　去５００ｋＶ系统　变　发电机　……一　］＿　图２改造后的一次系统接线　降低发电机的无功负荷，减小励磁电流。出现环火　时，应大量减小励磁电流，从而降低碳刷的工作电　流，减轻碳刷的发热。　（２）先调整电流较小的碳刷，不动故障碳刷。　一般情况下，故障碳刷电流比较大，通过调整、打　磨其他碳刷，使电流重新分配，可使故障碳刷电流　下降，从而使故障碳刷温度下降，环火消失。　（３）拔除故障刷握。刷握下边缘距集电环表面　的距离一般约２　ｍｍ，下边缘一般为薄钢板，由于　刷握长期运行，薄钢板受热变形，可能与集电环产　生硬摩擦，形成环火。对于此类故障，应沿圆周挨　个拔除刷握，逐一观察环火有无变化，如果环火无　变化则将刷握插回去，继续拔下一个，直到故障消　失，并处理故障刷握下边缘钢板变形的情况。