高利兵

【摘 要】碳刷和滑环是同步电动机动静接触和交换能量的设备，是电动机励磁系统的重要组成部分。但在运行中由于诸多原因，时常出现发热现象，严重危及电动机的安全运行。本文通过分析励磁碳刷滑环发热的产生发展，引起碳刷、滑环发热的因素，结合实践经验，提出发热和严重发热时处理方法，确保设备正常运行。

【关键词】碳刷滑环；发热分析；预防处理

1 碳刷和滑环发热的产生及发展过程

碳刷正常运行中的温度一般在50℃～80℃，（温升40℃左右），碳刷电流分布整体比较平衡，每块碳刷工作电流在20A～100A。刷握弹簧压力比较均匀，碳刷活动自如且无振动卡涩现象。碳刷与滑环运行中产生的热量由通风系统带走，即发热与散热达到基本平衡。正常运行状态下，当负荷电流增大或个别碳刷工况变差时，温度会有短时少量增加或者不增加，系统能够维持平衡或达到新的平衡状态。但是如果碳刷变短、接触电阻和附加电阻变大、刷握弹簧压力变小、碳刷运行工况变差，当工作电流增加、温度变化时，系统的平衡能力降低，部分碳刷温度将升高，从而整个系统温度升高。有时甚至达到无法控制状态。发热时电刷和集电环温度高达100℃以上，最严重时达到200℃-300℃。此时碳刷工作状态越来越差，碳刷电流分布很不均匀，少数碳刷电流达到300A，而另一些碳刷电流接近于零。大量碳刷出现不正常的跳动或卡涩，并出现大量火花，刷辫烧断或脱辫，碳刷与滑环摩擦声音变得尖锐刺耳。

2 碳刷运行中发热的起因

2.1碳刷电阻值增大

碳刷使用过程中电阻值（包括自身电阻、刷辫与碳刷接触电阻和散流电阻）逐渐增大；滑环氧化膜太厚，使碳刷接触电阻大大增加，一方面使碳刷本身发热，另一方面使励磁电流分流到其它回路电阻小的碳刷上，使其他碳刷的电阻发热增加。

2.2碳刷卡阻

碳刷通过电流后发热，刷体膨胀，易卡在刷握，这时拉动刷辫感觉很紧，部分碳刷由于振动、刷握不垂直等原因，会在刷握一侧的上沿和另一侧下沿产生明显卡阻，这几种形式卡阻，用钳表仍可测得电流，容易被误导，但碳刷却已经失效，致使其它碳刷分配的电流增加，发热增加。

2.3碳刷压力减小

虽然为恒压刷握，但各个弹簧压力存在差异。用手拉动刷握弹簧，可明显感觉不同弹簧的压力差异，而且在碳刷磨短过程中，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，接触压降发热明显增加。同时由于弹簧压力不足，刷握和碳刷加长增加了碳刷侧面磨擦阻力，碳刷被阻在握内。

2.4碳刷接触面形成气膜

碳刷在允许最大速度下运行，很容易在碳刷接触面产生气膜和跳动，使流过碳刷的电流不稳定，在滑环表面开凹槽和磨花碳刷的接触面虽然可以破坏气膜，但却使碳刷实际的接触面积减小。

2.5电流平衡的破坏

一般情况下，碳刷与滑环接触面的接触紧力较大，即接触压降小，所有碳刷工况相近，每条碳刷的电流大小接近，刷体的平均温度较低，碳刷间电流相对稳定平衡。运行一段时间后，碳刷的磨损量相近，出现了氧化膜（氧化膜应均匀并有光泽）、气膜、卡阻等因素，碳刷磨短或弹簧压力降低，碳刷接触面的接触紧力减小，碳刷间电流重新分配，每条碳刷的电流差别增大。这个阶段时间长，且逐渐变化，不容易引起警觉，当环境温度升高或励磁电流增加时，随时可引起发热，造成平衡破坏。

3 发热处理

（1）当发热处于初期，发热温度不高，如100℃以内，此时可以采用调整部分工作不良的碳刷的方法。如更换磨损较短及工作电流很小的碳刷；调整或更换部分弹性较小刷握的弹簧；处理碳刷卡涩等措施，优化电流分配，减少发热量。

（2）适当降低电动机的无功负荷，减少励磁电流，从而降低碳刷的工作电流，减轻发热。

（3）出现个别碳刷断辫或脱辫，可先减小励磁电流；出现环火，则大量减小励磁电流，调整碳刷电流平衡后再更换碳刷，不可强行更换大量碳刷。

（4）清理通风口，保持风道畅通，增加散热量。

4 发热严重时的处理

（1）当温度升高达到120℃以上，采取更换碳刷或调整刷握的措施已经不能降低整体温度，因为新换碳刷与滑环接触面积较少且不光滑，加上在这种恶劣工作环境下，无论分配的电流多少，热传导使其温度短时间很高，因此不能良好工作。另外由于整体温度较高，所有碳刷、刷握的工作条件很差，温度短时不但不能降低，而且将可能继续升高。此时最重要的措施是找出故障起因，降低工作温度，改善碳刷、刷握的工作条件。

（2）采用拔除故障碳刷的方法

如果正常运行中，工作电流和环境温度变化不大，而碳刷温度严重升高，部分碳刷出现振动，这种情况主要可能是因为少量碳刷故障引起（如电阻增大、弹簧压力减小、，碳刷卡涩、碳刷断辫等）。

此时应准确判断出引起发热的碳刷，将其拔除，消除“害群之马”，使其他运行正常的碳刷重新正常工作，进入正常平衡状态。这种做法的关键是做出准确判断，故障碳刷一般表现为振动较大，电流较大，其温度高于整体温度。如果不能判断或判断不准确，可以用试验的方法每隔一段时间依次取出一把碳刷，直至整体温度出现明显降低，待系统温度恢复正常后，再将所取出碳刷重新装上。

碳刷设计上有很大余度，故拔除少量碳刷不影响正常运行，拔除故障碳刷一方面去除了发热严重的碳刷，抵制了温度进一步升高，另一方面消除或降低了产生振动的因素。

5 碳刷更换

当运行中的碳刷磨损到其顶部仅高出刷握顶部约3mm时，应更换新的碳刷。更换碳刷应在机组启动前进行，如机组在运行中，更换时应视情况适当降低无功。一般情况下，在同一时间内，每个刷架上最多更换1/5的碳刷，且新旧型号必须一致，不同型号的碳刷不能用到同一个集电环上。更换碳刷应由有经验的人员执行，工作人员应站在绝缘垫上，不得接触两极或一手接触碳刷一手接地。碳刷使用前要进行适形研磨（磨弧），然后才允许投入使用，磨弧专用工具按集电环、碳刷架装置仿制，新更换的碳刷要保证有一定电流，以达到良好工作状态。

6 预防和运行检查

电动机励磁系统的碳刷和滑环避免发热的关键还是预防工作，首先选择质量合格的碳刷和刷握。在运行中观察是否有火花及火花的大小、集电环和碳刷装置的温升及噪声。开机时，应检查构成滑动接触的各个部件的工作是否正常、氧化膜是否过厚或过薄、集电环的表面状态是否良好、通风沟是否堵塞、碳刷镜面是否光亮、碳刷体在刷握内上下滑动是否灵活、弹簧压力是否均匀等。要配备远红外测温仪经常测量，掌握温度的变化情况，用直流钳形电流表，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。

7 结束语

同步电动机功率大、运行时间长，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，是保证电动机长期稳定运行的重要工作之一。因为发热作用时间越长，对碳刷和滑环损坏越严重，恢复正常难度也就越大。出现发热时，必须采取及时有效措施，控制发热、降低发热，保持碳刷工作状态良好。当发热严重时，应查明原因，采取必要适当措施，避免事故发生和扩大。