摘要：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，因碳刷、压簧、集电环三者运行中故障较多，由此引发较多绝缘事故。本文就我司发电机运行中发现碳刷、恒压簧断裂、刷握机构失效等问题开展专业分析，制定相应改善措施后，效果十分明显，既保障了机组安全稳定运行，又达到节能节能降耗目的。
关键词：刷握；滑环；振动；节能
1 引言
华润电力（六枝）有限公司两台汽轮发电机为哈尔滨电机厂有限责任公司QFSN-660-2机组，刷架安装有保持弹簧式组合刷盒，每个刷盒分别安装4块碳刷，长、短引线集电环各有16个刷盒（共128块碳刷）。#1、2机组分别于2016年8月、12月相继进入商业运营。
2 现象及问题
机组投入商业运行后，碳刷、压簧频繁断裂。每月会发生碳刷边缘断裂2~4块、恒压簧压卷断裂3~5个（如图1）。
定期维护中，个别碳刷温度高达106.1℃，高于平均值约57.2℃；集电环温度运行温度39.2~61.8℃左右。
碳刷有效利用率较率低，维护费高。碳刷磨损掉15mm左右必须更换，否则容易造成碳刷卡在刷握内磨损铜辫。每周需更换约5~8块。
3 原因分析
滑环与电刷是通过滑动接触面来传递功率的，是传递励磁电流的中间环节，也是机组的薄弱环节。电刷及恒压簧断裂一般都是由于设备本身原因及维护不到位而造成的。
3.1电刷的接触特性分析
刷的接触特性主要表现为瞬变的接触压降和摩擦系数，而接触压降和摩擦系数又和滑环表面的线速度、电刷的电流密度以及加于电刷上的压力等因素有关，并主要反映在接触面的稳定和各电刷的均流问题上，作为上海摩根生产的NCC634型电刷，其技术特性数据如下：
电阻uΩm 18
肖氏硬度 52
体积密度g/c.c 1.28
接触电压V 2.32~3.48
摩擦系数 0.2
额定电流密度A/cm2 10
允许圆周速度m/s 80
机组滑环455，转速3000r/min ,滑环表面线速度：V=πDn=3.14×0.455×3000/60=71.435m/s，满足厂家提供的圆周速度。转子的额定电流4487A，电刷的电流密度：4487/64*2.5*3.2=8.76A/,处在上限值区域，裕度较小。当接触面低于70%时，电流密度（12.51 A/）超过极限值。
3.2 载流均衡性分析
理想状态下，电刷全接触时，电刷额定电流：10A/*25mm*32mm=80A,而发电机额定励磁电流4487A，则均匀通过每个电刷电流为4487/64=70.1093A，显然存在偏差，不能真实反映实际运行工况。查阅2018年3月发电机电刷定期维护记录，通过这些数据，计算出每个电刷电流分布变差系数，找出其特性，判断出电刷运行安全分布范围。
电流分布变差系数，每块电刷电流值X的标准差与电刷电流值的平均值的百分数。对上述电流数据整理，计算出每块电刷变差系数(%)
12 11 4 91 0.8 16 32 25
30 86 20 29 51 30 70 86
36 20 16 92 46 80 9 33
2 17 27 115 26 5 18 4
15 9 34 83 3 20 61 11
14 54 49 22 64 18 9 36
18 62 1 266 11 88 94 6
54 7 29 98 25 51 12 7
对这些数据分布研究，得出数据分布规律，经有关资料介绍：电流分布变差系数80%以下，运行特性评价为好；小于30%为优秀，大于80%为不良，直至消缺处理。由下图可看出，机组有9.38%的电刷存在电流分布变差系数为不合格，也就是这些电刷其接触面稳定性较差。影响载流均衡主要因素如压簧压力、温度等.
单侧电刷均流性情况 整机电刷均流性情况
3.3 振动方面
轴系振动会带动滑环一起振动，造成冲击摩擦，使得滑环表面氧化膜动态平衡被打破，使电刷的接触电阻、接触压降以及流过的电流密度随电刷的振动发声瞬时阶跃变化。由于各电刷在滑环上滑动条件各不相同，加上压簧压力存在偏差，各个电刷振动受力大小也不一样，这样会导致电流分布系数变差的电刷边缘碎裂，这些边缘的破碎处为高速气流提供了入口，使电刷与滑环间形成了空气薄层，导致接触压降急剧降低，使电刷运行很不稳定，在“气垫”气流作用下，将在电刷上产生一个不平衡的偏转力矩，使电刷倾斜，幅角增大，加剧了电刷的振动，使运行恶化
3.4 刷握方面
如下图，刷握在恒压簧与刷盒体连接处理上采用铆接，由于恒压簧黄卷直径偏小，使刷握内侧受力，造成实际压力变小和压力偏心，在压力不均匀情况下碳刷运行中振动增大。
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。
原刷盒及压簧结构
3.5 刷盒方面
刷盒槽开口较小，只有2.1cm，影响碳刷伸缩量；刷握底托与刷盒底平面设计距离34mm（标准35mm）。底托不能接触滑环，安装到机组上刷握底平面与滑环表面实际距离在610mm之间，电刷实际未使用长度约5565mm左右，使得碳刷不能有效利用，存在浪费现象；刷盒的截面尺寸飘偏最大值0.013mm，内表面粗糙度Ra3.1，低于标准Ra 3.2μm。影响碳刷自由伸缩，易造成卡涩。
综上述，造成电刷及压簧断裂原因，一方面是接触面稳定及电流密度分布，另一方面刷握本身设计上存在缺陷。
4 改进措施
4.1 刷握改进
重新车削刷握，要求满足技术要求刷握内外尺寸、内外尺寸必须保持一致，刷握内外金属表面光滑均匀镀银，刷盒的截面尺寸为25+0+0.1mm32+0+0.084mm内、外表面粗糙度均不低于Ra 3.2μm。
4.2 恒压簧改进
衡压簧更换为大卷压簧（宽度增加0.0012mm）且能在140℃温度下正常工作。压力范围在1.25kg～1.40kg。所有压力偏差互差不大于10%。刷握与固定座导电接触面不低于80%。弹簧在恒力区内，弹力衰减不得超过2%，安装方式由原来铆接加工成螺栓固定。
4.3刷盒槽口深度改进
刷盒槽口深度增加，由230mm加深至412mm。保证电刷有效利用。
4.4 安装工艺控制
安装时，电刷与刷握之间隙约为0.1～0.2mm，电刷在刷握内上下自由活动，刷握到集电环表面的距离为2～4mm。
4.5定期维护实施
电刷，每月开展一次红外线成像测温、电刷电流测试及电流分布变差系数分析，发现电流变差系数大（大于70%）温度低的电刷，必须高度重视强化跟踪频次。其处理原则：必须严格按照电流、温度，从小到大顺序检测调整或更换；电刷实际运行中，碳刷磨损值低于25mm必须更换 。
电刷压簧压力检测。自制电刷压簧测试工具定期开展压力测试。确保每个压簧压力必须满足压力范围在1.1kg～1.3kg。弹簧外观应保持光亮，不得有裂缝，擦伤和折损。不满足要求的及时更换。
4.6逢停必扫
滑环维护。按照逢停必扫原则，在盘车状态，用干燥无油污、压力不超过0.2Mpa的压缩空气，首先对集电环进风孔逐一吹扫，然后对准集电环出风口反复吹扫直至无粉尘、风道通畅。检查滑环表面有无磨损的沟壑。尤其对于滑环连接的母线铜排及转子引出线积粉清扫，必要时可用积碳清洗剂反复擦拭直至干净清洁。
4.7 极性互倒
正负极性定期互换。机组运行时，负极滑环处于发射电子状态，随运行时间增长，集电环表面会出现发射电子较多，滑环表面会变得粗糙不光滑，因此，机组运行一年必须对正负电源互换（接线铜排），从而达到平衡滑环工作环境延长寿命作用。
5 效果确认
5.1 电刷载流均流性改善明显
2019年3月定期碳刷电流 单位：A
50 7 44 35 38 34 46 32
26 31 28 73 9 34 37 23
69 13 9 36 22 36 50 69
39 45 51 83 33 23 44 40
68 38 28 47 21 30 42 43
32 12 29 46 30 82 57 79
26 63 18 33 43 41 22 44
12 65 27 34 76 29 26 64
将上述数据整理计算，评估其电流变差系数对比如下：
整改前整机电流变差系数分布
整改后电流变差系数分布
5.2 电刷、滑环运行温度改善效果明显
改造后，集电环运行温度平均在35~49℃左右，同比降低5.2~9.5℃；碳刷最高运行温度同比降低22.1℃左右；运行至今，未出现电刷、压簧断裂，刷辫断股事件
5.3电刷运行成本降低
目前，电刷有效利用可达71%左右，一个季度平均更换8~10块，年累预计约消耗电刷40块。改造后同比减少约200块，节约备件成本费用约4.86万元（双机约9.72万元左右）。
6 结束语
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。
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