(青岛华丰伟业电力科技工程有限公司 山东青岛 邮编266100)
摘要：本文从碳刷过热、氧化膜、工作环境等三个方面进行分析，剖析影响碳刷性能和使用寿命的因素，探讨解决碳刷问题的新方法，同时分享关于碳刷的新技术、新应用，希望能更有效的提高发电机碳刷工作性能、延长使用寿命，同时降低碳刷故障率，保证机组安全稳定运行。
关键词：碳刷、性能、使用寿命、温度、湿度、新型应用
引言
碳刷是应用于发电机的滑环上，作为导入励磁电流的滑动接触体，它的导电、导热以及润滑性能良好，同时具有一定的机械强度，其作为发电机的重要组成部件，对机组的安全运行起着重要的作用，所以必须对碳刷和滑环进行有效的维护。但是如何维持碳刷处于良好的状态、发挥最佳的性能，提高碳刷的经济型、安全性这是值得探讨的。
正文
碳刷是发电机的重要组成部分，作为导入励磁电流的滑动接触体，其本质是一个消耗性部件，是机组日常维护工作的重点。结合自身维护经验和对各种碳刷问题的分析，总结了影响碳刷性能和寿命的几个主要因素:
1.碳刷电流分布不平衡，导致部分碳刷过热加剧磨损
滑环和碳刷是通过相互滑动接触从而传导励磁电流的，根据容量、型号的不同，每个滑环上大约分布着数十只碳刷，理想状态下各个碳刷的电流是均衡的。但是因为碳刷安装结构、材质和运行方式等各方面原因，各个碳刷的电流总是存在差异。励磁装置输出电压恒定，那么就可以理解为，碳刷电流分配不均匀都是各个碳刷接触电阻不同引起的，从而导致个别碳刷电流过高。而且碳刷与滑环之间是滑动接触，电流从面积很小的真实接触面上通过，因而使接触部分的温度比碳刷的平均温度要高出很多，高温使刷体发生氧化，碳刷与滑环的连接变弱，碳刷的磨损速度增快，甚至导致接触表面的碳石墨剥落到滑环上，引起碳刷的加速磨损。
1.1根据碳刷的安装结构方面分析，接触电阻主要包括以下几个方面：碳刷与滑环的接触电阻、碳刷与刷辫的接触电阻、刷辫与刷架的接触电阻、刷架与励磁母线接触电阻。
通常在发电机运行时测量压降可间接判断各部件接触是否存在问题，可通过测量单个碳刷总压降、碳刷接触压降、刷体压降、刷辫压降等进行相互间对比来检查是否存在不平衡情况。在碳刷的日常检查中还可使用热成像仪对运行状态的各个碳刷温度进行对比检查，通常刷架温度应不高于120℃、刷体温度不大于80℃。同时可定期使用钳形电流表进行电流测量，及时发现电流不平衡、卡阻等情况。
1.2碳刷压力不符合要求，导致的碳刷与滑环接触不良
在任何转速下，弹簧的压力必须保证碳刷与滑环能够良好的接触，以确保电流在各个碳刷的平均分布。如果弹簧压力偏小，虽然可以降低摩擦系数、减少纯机械性的磨损，但是会导致碳刷与滑环的接触不良、电流分配不均、且易造成火花；如果弹簧压力过大，虽然保证了碳刷与滑环的接触，但机械磨损增加，总的结果使碳刷磨损加大。
1.3因碳刷的材质问题导致接触电阻偏差较大
关于碳刷的使用型号：应符合厂家要求。同一电机必须使用同一型号、甚至于同一批次产品。而且建议使用前对所有的备用碳刷进行阻值测量，发现阻值偏差较大的碳刷及时作废不可继续使用。
2.氧化膜对碳刷的影响
碳刷在发电机滑环上运行时，在其接触面上形成一层均匀、适度、稳定的氧化膜，这是运行良好的主要标志之一。因为这层氧化膜的存在，改变了碳刷与滑环的接触特性、减少了摩擦、降低磨损，同时可有效延长碳刷使用寿命。氧化膜的形成需要一些条件，当条件不满足时，碳刷氧化膜无法形成或形成不良。
2.1滑环的粗糙度
虽然适当的粗糙度能给碳刷提供一个良好的接触面并能保证获得良好的电流传输。但是滑环表面不可过于粗糙，因为滑环工作起来像旋转的砂轮一样，更容易导致碳刷得过度磨损。
因此，必须将集电环的表面粗糙度限制在特定的范围之内，如果其表面的粗糙度小于或等于0.2 微米,则有必要采取纠正措施来增加表面的粗糙度( 使用磨石，研磨材料等)。同时应避免集电环粗糙度超过2 微米，否则碳刷将出现过度磨损。根据艾尔森的推荐：材质为钢或青铜的集电环粗糙度最佳范围是0.75~1.25 微米，能使碳刷发挥最佳性能。
2.2温度过高
碳刷的氧化膜一般在70℃较容易形成。在设备运行状态下当集电环、碳刷出现过热故障时，通常都已超过150℃，此时不建议立即换上新的电刷。因为滑环温度过高，新的氧化膜不易形成，无法起到润滑的作用，碳刷的磨损将加剧，而且温度仍然继续升高，将成为一个恶性循环。建议采取一定的外部降温方法，使集电环温度降到正常范围内，持续一段时间后安装新的碳刷，使其表面氧化膜逐渐形成，进入良性的循环状态。
2.3空气湿度和腐蚀气体的影响
空气中的水汽是构成滑环氧化膜的重要成分。在干燥的空气里，因为缺少水的化学作用，氧化膜的主要成分为大量的氧化金属，由此会造成较高的摩擦系数，导致碳刷快速磨损，甚至出现氧化膜恶化和碳刷振动的情况。应当注意，在炎热的环境中过于饱和的湿度会使氧化膜逐渐变厚，这不利于电流的传输，会导致温度过高，甚至滑环出现擦伤的情况。
2.4滑环和氧化膜的检查
在发电机的日常巡视中均会对碳刷和滑环进行检查，这里建议在发电机运行期间使用频闪仪对滑环进行定期的目视检查，可及时发现滑环表层氧化膜的擦伤、划痕或斑点等情况。滑环表面的氧化膜正常情况下是均匀的且颜色一致，在湿度过高或长期低负荷运行会导致氧化膜条纹的宽度和颜色深浅不一或轻微擦伤、若氧化膜出现斑纹状则应考虑是否收到油污的污染，出现其它更严重的损伤需综合各方面检查数据，全面分析原因。
3.碳刷工作环境的影响
根据相关资料显示：碳刷温度每升高5ºC，磨损量将增加约6％。为了优化电刷寿命，冷却风应保持在65ºC的警戒线以下，最佳进风温度在40ºC以下。进风温度过高应立即对空气循环风道、通风流量和过滤器等几方面进行检查。
前边已经提到合适的湿度有利于氧化膜的形成，而且湿度有一定的润滑作用，有助于将摩擦保持在可接受的范围内。在较低的绝对湿度下运行会增加电刷的磨损。
4.新型的应用
4.1将碳刷和滑环位置装设一个更加独立的刷罩，在正负极滑环之间的大轴上安装一个独立的冷却风扇，保证刷罩内部空气的循环流动。这种独立的循环可以更大程度的避免外部的油污和粉尘的影响，保持刷罩内空气的质量。
4.2刷罩内部风道加设空气处理装置。这个空气处理装置包括了滤网和冷却器，循环的空气在经过滤网清除碳粉后，通过换热器降温后再次进入碳刷工作位置。冷却器基本都是采用空-水换热器，与外部循环冷却水相连，外部冷却水在换热器中流过，带走刷罩内循环空气的热量，可有效降低内部空气的温度。
结束语：
碳刷的稳定运行，对发电机起着重要作用。虽然通过装设新型的应用对于提高碳刷使用性能、延长使用寿命具有明显效果，但是对于运行维护人员提出了更高的要求。所以，生产运行中应加强对滑环及碳刷的维护管理，建立维护制度、提高工作人员的技术水平、积极使用新设备和新方法对设备进行检查，更早的发现设备问题进行分析处理，从而不断提高设备的运行稳定性，这是我们共同努力的目标。
参考文献：
[1]华美热电有限公司编,电气运行规程,2007
[2]国家电网公司发布,国家电网公司电力安全工作规程(变电站和发电厂电气部分)(试行),北京:中国电力出版社,2007