电气-发电机碳刷运行及维护

发电机碳刷运行及维护（天津国华盘山发电有限责任公司，301900）摘要：发电机碳刷的运行质量直接影响到发电机的安全运行。电力系统中因为碳刷维护不当，导致发电机滑环、转子烧损的现象时有发生，盘电公司高度重视发电机碳刷的运行维护，并进行了一系列的技术改造，发现并解决了治理了存在问题，积累了丰富的运行维护经验。主题词：碳刷；打火；维护1、机组滑环、碳刷工作情况简介天津国华盘山发电有限责任公司（以下简称盘电），装有两台俄产500MW汽轮发电机，发电机型号为TBB-500-2EYЗ，发电机的励磁系统为两机式励磁系统，励磁机为同轴50Hz三相隐极式同步发电机。定子输出的三相交流电经可控硅整流后，经过发电机碳刷能够长期供给发电机转子3800A的额定励磁电流。发电机励磁系统配有自动化水平较高的自动励磁调节装置两套，以保证机组安全稳定运行，在必要时给发电机提供２倍的强励电流，并持续10秒的时间。2、S27型碳刷在现场的使用情况2.1、盘电公司的发电机碳刷每极10组，编号为从西侧下部开始排序，每组5只碳刷，标号分别为从左至右按照1-5标号。在投产初期使用的是俄罗斯进口的碳刷（6010和I14型），后因碳刷材质过硬、供货等等原因，进行了碳刷的国产化改造。两台机组的碳刷改用了S27型。在S27碳刷的使用过程中，出现了各个碳刷电流分布较不均匀现象，个别碳刷载流量200A（额定值为64A），且调整后维持时间较短的问题，如下图1：050100150200250135791113151719212325272931333537394143454749调整前调整后（图1）2.2、S27碳刷电流分布存在问题的观察分析2.2.1励磁电流为2490A左右时，碳刷应该分布的电流平均值为50A，但实际的电流分布很不均匀，因为1、10组碳刷在转子的最底部的两侧，每组碳刷的1、5号碳刷靠近刷架两侧，电流分布较平均值小得太多，且通过调整其压簧压力不能增加其载流量。由此现象基本能够判断是集电环偏心度误差大的原因。2.2.2因为个别碳刷载流量较大，势必造成其温度过高、刷辫变色严重等后果，并伴随出现了碳刷打火、振动，甚至是刷辫烧断。运行人员频繁调整，但是效果并不明显，徒增运行维护量。机组在强励时，很可能因为少数碳刷过多的承载电流而导致刷辨烧断，最终导致机组失去励磁。2.2.3在滑环上发生连续火花而转变为弧形火花，碳刷经常发生端部破裂、损坏现象，是由于碳刷过软造成的。应换用材质相对稍硬的碳刷，其它型号的应碳刷应全部收回，以防止混用。2.2.4发电机投产初期，由于电刷装置的编号模糊、安装位置不对，碳刷中心与滑环中心线不垂直，造成碳刷与滑环表面摩擦的受力不均匀，出现打火现象。可以利用停机机会重新配置刷框位置，并使其与滑环中心线垂直，做好编号，对号入座。2.2.5发电机滑环由于各种原因引起失圆后，会导致碳刷跳动，打火更加严重，给运行维护带来不利。采取的措施是：在停机时检查滑环的状态，用千分表测量滑环表面的摆度（最大值与最小值之差）不应超过0.05mm(3000r/min)或0.07(3000r/min);滑环表面凸凹不平，光滑度应不超过0.5-1.0mm，（或是粗糙度达到△0.8）否则，应对发电机滑环进行车削、复圆，并进行研磨剖光。2.2.6碳刷引线、引线和接线端子的固定螺丝松动，在长期高温运行及高速旋转产生的振动下可能造成个别碳刷的引线松脱或紧固螺丝松动，使得接触电阻增大，温度升高。采取的措施是：在检查时应试拉各碳刷刷辫，发现有松动、脱落的应立即予以紧固，刷辫变色的应予以更换，在更换新的碳刷时还应检查同一组的其他碳刷连接是否紧固。2.2.7碳刷和滑环表面脏污，碳刷和滑环在长期运行中，由于积灰和碳刷粉末加上轴承座轴封处漏出的油气侵入，会在碳刷和滑环表面聚集许多油污，阻塞滑环通风孔，使得碳刷温度升高，可能在个别甚至全部碳刷上发生火花。采取的措施是：对碳刷及滑环表面进行定期吹扫擦拭，保持其清洁干净。吹扫时应使用洁净的压缩空气（无油、无水），压缩空气压力应在250~300kPa/cm2。滑环擦拭应注意大轴转向，擦拭时，帆布沿时针方向拖拽，防止帆布脱落卷入滑环内。当需要沾酒精擦拭时，应在无火花时进行。对碳刷及滑环表面进行吹扫擦拭工作列入定期工作内容。2.2.8碳刷在刷握中卡涩，电流减小。由于所使用的个别刷握内部不光滑，在更换碳刷时都要对碳刷进行人工打磨，因而碳刷表面很难达到平整光滑，碳刷与刷握的接触面很难达到要求，在运行中经常会出现卡涩。应尽可能选用与刷握相匹配的碳刷，使碳刷在刷握内有0.1～0.2mm的间隙，并利用停机的机会将刷握内侧表面打磨光滑。运行中要经常检查，使碳刷在刷握内活动自如，并且在选择电刷时应选择电刷基体中鳞片石墨量偏高、自润滑性能好的碳刷。盘电公司对机组的碳刷进行了改造，使用了NCC634碳刷。（更换后电流分布如下图2：）制图时发电机运行工况：有功功率500MW、无功功率120MVar、定子电压19.72kV、定子电流15.2kA、转子电压340V、转子电流3060A。
发电机碳刷电流分布图0102030405060708090135791113151719212325272931333537394143454749碳刷号码电流值改造前现在（图2）2.2.9碳刷在刷握中振动造成碳刷冒火，由于刷握与滑环间的距离相对较远，基本上都在1mm以上（安装标准值为2-3mm），当碳刷磨损到一定程度的时候，刷握对碳刷的固定作用变差，使碳刷在刷握中随着电机的旋转而振动冒火，有些碳刷甚至出现个别边角被打掉的现象，严重影响机组的安全运行。因此在检查中对于碳刷长度磨损至规定值时（碳刷长度的1/3的）应及时更换，同时在安装时应合理调整刷握与滑环的距离，使之保持在2～3mm的间距。2.2.10由于原始弹簧与电刷无绝缘，电流流经弹簧，一方面会使弹簧发热变软、失去弹性。另一方面会导致电刷的电压降增大，不利于碳刷的工作。可以采取措施是：将弹簧与碳刷绝缘，并注意使各恒压簧压力均匀，其差别不应超过5%（最大不超过10%。）2.2.11原来用于压紧碳刷的弹簧，常因碳刷的跳动使弹簧被弹出，起不到压紧碳刷的作用；况且弹簧因受热性能改变，加之运行时间的延长，压力渐渐失常，虽然在运行中控制弹簧压力选取在94～125kPa之间，出现了8%左右的偏差值（测量值），（注：理想偏差值应小于5%，最大偏差不得大于10%）这都将造成碳刷的电流分布不均，导致一些碳刷过流、发热乃至出现打火现象。采取的措施是：更换恒压弹簧。但是由于碳刷布置的位置不同，整个刷架的自重使位于滑环上下部的碳刷所施压力是不一样的，致使各碳刷电流仍非绝对均匀。2.2.12虽然现场碳刷恒压簧都已经进行了技改，日常的跟踪仍要深入进行，盘电规定：每日前夜晚高峰过后对碳刷的电流分布情况进行平衡，发现调节困难的，可以通过消除卡涩、均衡碳刷氧化膜、更换恒压簧位置等方式消除不平衡情况。3、盘电现场恒压簧改造后NCC634碳刷电刷电流分布情况3.1、盘电公司对现场碳刷压簧进行了改造，使用了恒压弹簧。使用后在较长一段时间内，机组的碳刷工作状况良好，电流分布的偏差状况得到了很大的改观，但依旧存在偏差，仍需要进行日常维护和调整，引发偏差的原因在于：个别刷握的碳刷卡子造成碳刷卡涩导致伸缩不顺畅，此类现象状况经过简单调整即能改观。（恒压弹簧改造后各碳刷电流分布情况如下图3：）机组各碳刷电流分布0102030405060701234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950碳刷编号电流值调整前调整后（图3）3.2、随着恒压弹簧的使用和运行经验的积累，盘电公司在日常维护中将只是横向比较调节电刷电流的思维方式作出了调整，融入了比较纵向“环电流”分布的思维方式。有了这种全新的思维方式，通过比较“环电流”的分布情况，可以发现碳刷磨损规律、转子失圆情况、恒压簧重点检查部位和方法。（恒压簧“环电流”正常分布情况如下图4：）24日1#机负极北侧碳刷分布010203040506012345678910碳刷编号电流24日调整前24日调整后（图4）3.3、“环电流”概念引入后，由于滑环电阻率不均、环氧化膜不均匀的原因，在日常维护中可以通过比较环电流的分布情况，及时发现了因为转子失圆导致的电流分布不均、发现因为轴向位移变化引起的碳刷跳动和磨损，避免引发严重后果（下图5为碳刷运行中“环电流”不平衡且调整效果不显著的情况。）由此可以判断，发热依旧能够使得弹簧的特性发生改变，经过采用更换恒压弹簧的位置，或是更换新的恒压簧能够将电流分布更均匀。（调整后电流分布如下图6：）因此，我们应消除对恒压弹簧的“恒压”认识，影响其“恒压”的因素有：金属疲劳、压簧特性、刷架偏心度、碳刷高线速度下的风压偏差等。25日1#机负极北侧碳刷分布0510152025303512345678910碳刷分布电流25日调整前25日调整后（图5）26日1#机负极北侧碳刷分布010203040506012345678910碳刷分布电流26日调整前26日调整后（图6）4、结论：4.1、以上手段以及有关数据可以说明，盘电公司经过两次碳刷选型改造和一次恒压弹簧技术改造，两台机组的碳刷维护、调整取得了长足的进步，基本能够保证碳刷电流的分布均匀，加之形成了一整套行之有效的维护、数据采集管理模式，因此，在发电机碳刷的维护调整上已经积累了丰富的经验。在环境温度34℃的情况下，滑环、碳刷运行最高温度67℃（允许温度120℃），且消除了碳刷打火现象，确保在盘电不出现滑环烧伤事件。4.2、在碳刷的维护管理上，盘电公司开始对恒压弹簧构成成分进行技术数据积累，对其使用寿命、压力变化特性以及弹簧片疲劳特性进行把握，并由此掌握恒压弹簧性能变化的前期诊断技术。在确保恒压弹簧良好工作状态的基础上厉行节约，为创造节约型企业尽职尽责。4.3、此外再通过减小碳刷所受风压来降低碳刷振动幅度和频度、通过改变碳刷与滑环接触面积改善电流分布、利用专用碳刷来平衡碳刷氧化膜等方法，盘电公司已经开始着手进行摸索和试验，初步试验能够在机组发生串轴和转子失圆的情况下，通过有效地进行碳刷开槽、倒角等方式，缓解碳刷所出现的打火、振动、损坏严重等问题。