摘要：发电机碳刷和滑环在运行中由于多种原因，时常出现发热现象，严重时甚至危及发电机的安全运行。本文通过某厂滑环碳刷过热处理过程，分析了滑环碳刷发热的原因，总结出严重发热时的两种应急处理方法，在实用中取得了显著成效。
关键词：滑环；碳刷；发热；振动；处理
0 引言
山西漳电蒲洲热电有限公司一期安装2台哈尔滨电机有限责任公司制造的QFSN-300-2型静止励磁系统的汽轮发电机。集电环材料为高硬度锻钢，外圆周表面开有螺旋沟，沿集电环圆周均布斜30°的通风孔，以改善与电刷的接触并强化冷却。集电环通过绝缘套筒热套于轴上。两环间装有离心式风扇，此风扇直接热套于轴上，加强集电环部位的通风冷却。刷架与导电环合二为一，每个导电环由两瓣拼成，其材料为纯铜板,承担着导电作用,整个导电环经绝缘板固定到基础上。刷盒自成一体，可在运行中即插即拔，每个刷盒并排安装4个电刷，由恒压弹簧保持适当的压力，每极碳刷共40块。刷架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，中间排出，由装在转轴上的离心式风扇驱动。在刷架集电环部位加装隔音罩，兼有密闭通风和隔音功能，进风由正负极母线封母开口加装滤网引入，出风由管道引至厂房6.3米层。发电机转子额定励磁电压365V，额定励磁电流2642A。
2017年4月，该厂运行中的两台机组相继发生滑环及碳刷发热严重的异常事件，碳刷及滑环表面温度最高点达到了300℃左右，经紧急处理后相继恢复正常。鉴于碳刷发热的常见性，以及碳刷严重发热时可能造成的滑环烧毁、甚至停机等恶性后果，将处理过程进行总结，对碳刷发热原因进行分析，并总结了两种有效的处理方法。
1 碳刷及滑环发热原因分析
1.1 碳刷及滑环发热的发展过程
正常情况下，碳刷运行温度一般在50℃～80℃（温升40℃左右），碳刷电流分布整体平衡，每块碳刷工作电流在20A～100A。碳刷在刷握内活动自如且无振动卡涩现象。碳刷与滑环在运行中发热与散热基本平衡，当转子电流增大时温度会有短时少量增加直至达到新的平衡状态。但是如果因碳刷变短、刷握弹簧压力变小、碳刷质量不合格等原因将会造成碳刷运行工况变差，此时当转子电流增加，部分碳刷温度将升高，从而使整个系统温度升高，温度升高进一步引发碳刷振动，加剧发热。严重发热时碳刷和滑环温度高达120℃以上，甚至出现温度失控，最严重时达到200℃～300℃。此时碳刷工作状态恶化，碳刷电流分布很不均匀，少数碳刷电流达到200～300A，而另一些碳刷电流很小或接近于零，大量碳刷出现不正常的跳动或卡涩，甚至出现大量火花、刷辫变色、断股或脱辫等。
1.2 影响碳刷及滑环发热的因素
碳刷的发热主要由5点组成：刷辫电阻发热、碳刷自身电阻发热、刷辫与碳刷接触电阻发热、摩擦发热、碳刷与滑环接触电阻发热。
滑环的发热主要由4点组成：滑环本身电阻发热、碳刷与滑环接触电阻发热、碳刷与滑环摩擦发热、碳刷传导发热。其中滑环本身电阻发热很小可以忽略，碳刷传导发热与碳刷与滑环摩擦发热最为明显，实际表现为靠近发热碳刷处滑环温度明显偏高。
1.3 碳刷及滑环发热的原因分析
（1）碳刷及刷辫电阻发热：碳刷运行中自身电阻（包括刷辫电阻、碳刷自身电阻）随着温度升高逐渐增大，实际测量中电阻与温度呈下表所示趋势变化：
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（2）碳刷与滑环接触电阻发热：长时间发热可能造成滑环氧化膜增厚，使碳刷接触电阻增加，一方面使碳刷本身发热，另一方面使其它碳刷的电流增大发热增加。
（3）碳刷卡涩：碳刷发热刷体会产生一定的膨胀，易产生卡涩，拉动刷辫感觉不灵活；部分碳刷由于振动及刷握不垂直等原因，会造成刷握侧面磨损明显，进一步造成碳刷晃动、发热，此时用钳形电流表仍可测得电流，但碳刷实际运行工况已恶化，并导致其它碳刷分配的电流增加，发热增加。
（4）碳刷压力减小：刷握各个弹簧压力总会存在差异，表现为碳刷长度一致时用手拉动感觉不同的压力差异；长期发热会造成弹簧退火压力下降；另外在碳刷磨短过程中，弹簧压力也会不同程度减少。压力小到一定程度时，会造成碳刷接触不稳定，接触电阻发热明显增加。
（5）碳刷振动：两种原因会引起碳刷振动，一种原因为滑环表面受损，另一种为碳刷过软或研磨过度造成碳刷在刷握内晃动，剧烈振动会造碳刷与滑环摩擦发热、碳刷与刷握摩擦发热显著上升。在实际中表现为即使未加励磁电流，振动较大的碳刷发热也很明显。
（6）电流平衡破坏：碳刷在运行中逐渐磨短、碳刷卡涩、弹簧压力减小这几种情况会造成碳刷流过的电流减小，电流重新分配使各碳刷电流差别增大，碳刷电流过大引起发热。此过程一般是逐渐形成的，容易被忽视。当环境温度升高或励磁电流增大时发热增加，一旦达到120℃以上，碳刷电阻发热将显著增加，温度失控。
（7）通风不良：进风口滤网堵塞，冷却风量不足。
2 发热的处理
2.1 发热初期处理
发热初期温度在100℃以下时，可通过下列方法消除：
（1）检查清理隔音罩进风口滤网上的灰尘及杂物，保持进风通畅，增加进风量。
（2）有条件时降低机组有功、无功负荷，以减小励磁电流。
（3）大致检查碳刷运行情况，有碳刷过短、刷辫断股、脱辫情况时，应予以更换，但应注意不可一次性更换大量碳刷。
（4）用直流钳形表测量各碳刷电流，电流过小的碳刷应检查原因，碳刷过短的予以更换，碳刷卡涩的进行研磨，弹簧压力小或断裂的予以更换，通过调整使各碳刷电流趋于均衡。
2.2 发热严重时的应急处理
当温度升高到120℃以上，采用上述方法已经很难消除，尤其是温度达到200℃～300℃时，碳刷、滑环整体温度很高，表现为不论碳刷分配电流大小温度均很高，或者测量各碳刷电流差别不大但温度均很高。如前所述，碳刷运行中自身电阻随着温度升高逐渐增大，此时最重要的是设法将整体温度降下来，下列两种方法各有优缺点，在应用中均有很好效果。
方法一：拔下发热严重的刷盒。通过判断拔下发热严重的碳刷，消除发热源，使温度降到“临界点”以下，使碳刷回到正常运行状态。这种方法缺点是耗时较长，难以判断，优点是故障消除后运行稳定，温度不会出现反复。可采用下列步骤进行：
（1）测量并记录滑环表面温度；
（2）拔下一个刷盒，立即测量并记录该刷盒各碳刷温度以作比较。用吹风机加速刷盒降温，检查各碳刷是否正常并处理；
（3）15～20分钟后，再次记录滑环表面温度，回装拔下的刷盒；
（4）重复以上步骤，判断出发热最严重的刷盒，必要时在励磁电流降至最低情况下同时拔下两个刷盒。；
（5）注意在处理过程中，应尽量使隔音罩小室门保持关闭状态。实际中测量隔音罩小室门打开状态下滑环温度要升高20℃左右。
方法二：在碳刷上涂抹凡士林。凡士林具有良好的化学稳定性和抗氧化性，在工业中常用作润滑剂，滴熔点为37℃-54℃，涂抹凡士林，可使碳刷得到很好润滑，大大降低振动，同时滴熔时也吸收了少量热量，改善碳刷的工作条件。这种方法优点是效果明显，可以迅速降低碳刷与滑环整体温度，缺点是如不进行后续碳刷处理，运行一段时间后温度会再次出现升高。实际中采用如下步骤进行，可取得更好效果：
（1）拔下一个刷盒，用吹风机加速刷盒降温，检查各碳刷是否正常并处理，用干净软毛刷蘸取少量凡士林涂抹于碳刷上半部；
（2）回装该刷盒；
（3）重复上述步骤；
（4）注意事项：涂抹凡士林要注意安全，按照少量、多次、均匀原则进行；涂抹凡士林的碳刷运行一段时间后会吸附较多灰尘，及时清理。
3 碳刷与滑环的运行维护要点
3.1 严格碳刷质量管理
同一台机组使用的碳刷必须是同一厂家生产、同一牌号、同一型号的，不可混用。采购碳刷时，要严格进行质量验收，碳刷固有电阻、刷辫与碳刷接触电阻、碳刷硬度要符合规定。
3.2 严格控制碳刷更换工艺
（1）更换碳刷前，要对碳刷进行仔细检查，核对厂家、牌号、型号无误；
（2）碳刷磨损到刷辫根部与刷握上沿平齐时就应更换，防止刷辫与刷握产生卡阻；
（3）碳刷更换前必须研磨(5面研磨)，保证碳刷在刷盒内上下活动自如，但应注意不能过度研磨，否则会造成碳刷晃动、不过电流；
（4）更换新碳刷后，每隔一段时间应进行重点检查；
（5）更换碳刷时要做好安全防护，防止造成转子回路接地。
3.3 碳刷与滑环的检查与维护
（1）现场配备直流钳型表，定期测量记录各碳刷电流，控制每个碳刷电流基本均衡；配备红外线测温仪，定期测量记录碳刷和滑环各处温度，温度最高点不应超过120℃。
（2）运行人员要每班检查碳刷与滑环运行情况，无过热、冒火花、振动等异常，刷辫无变色、断股、脱辫等现象。
（3）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；每次停机后，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。
（4）定期清理隔音罩进风口滤网上的灰尘及杂物，保持进风通畅。
4 结论
发电机滑环碳刷发热现象在运行中时常发生，滑环碳刷发热时间越长，对碳刷和滑环的损坏越严重，恢复正常的难度也就越大，所以当发热严重时，应尽快查明原因，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，在实际应用中证实卓有成效的，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
[参 考 文 献]
哈尔滨电机厂QFSN-300-2型汽轮发电机产品说明书