摘 要：大梁子水电站（以下简称电站）设有两台装机容量16MW的立式混流水轮发电机组（以下简称：机组），机组为转速750r/min，其水轮发电机（以下简称：发电机）集电环的外径800mm，集电环外沿的线速度31.4m/s，在同类型的机组中其转速和集电环外沿线速度均属较高，发电机在运行过程中集电环与碳刷之间极易产生较大火花，给发电机组的安全稳定运行带来一定的安全隐患。

关键词：碳刷;火花;安全隐患

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.143

1 安全隐患

电站自2006年投运以来，发电机的碳刷火花一直是重点监视、巡查的对象。发电机碳刷火花过大或碳刷本体温度较高时（最高温度达到110℃），将对集电环表面造成不同程度的灼伤。当碳刷火花过大无法控制时，需停机处理，以确保维护人员的人身安全和集电环不被烧毁。发电机上导内部因高转速而产生大量油雾，与碳刷磨损产生的碳粉，混合附着在刷柱、集电环、转子等设备表面上，不仅降低了转子的绕组绝缘，还污染周边设备的卫生，增加了运维人员的工作量。同时由于维护周期频繁，致使汛期期间产生不必要的弃水损失，电站安全生产受到了极大的影响。

2 历史数据调查

电站对2009年至2017年电站发电机碳刷火花处理次数、碳刷架和集电环清理、碳刷及碳刷弹簧更换进行了调查与统计，详见表1，表2。

通过表1、表2的数据调查统计可以看出，2009年每月电站运维人员对碳刷火花的处理最高达36次（处理方法为使用白布擦拭集电环碳粉、更换碳刷弹簧、碳刷和停機配合清理碳刷架、集电环、刷柱等），且每月更换碳刷弹簧、碳刷和碳刷架及集电环清理的次数也超过电站的要求。经2011年、2015年、2017年几次技改后，对碳刷火花的处理频率明显减少，可以和电站要求的设备定期维护同步开展。

3 原因分析

根据历史数据调查统计及多年来处理发电机碳刷火花的经验积累，从碳刷选型、机组振动情况、碳刷与集电环的接触面积、碳刷压力分布、发电机上导产生油雾的影响、集电环表面粗糙、磨损失圆等方面分析，最终确定以下要因。

3.1 碳刷选型

目前市场针对发电机使用的主流产品分为：金属石墨类、天然石墨类、电化石墨类。

金属石墨类：主要材料是电解铜和石墨，电阻系数和电刷压降较小，耐磨性能较其他类碳刷稍差，导电率高于其他类碳刷，磨损后碳粉量小。

天然石墨类：主要原材料是天然石墨，粘接剂采用沥青或树脂，电阻系数和电刷压降较大，比较耐磨，有良好的润滑性能和集流性能，磨损后碳粉量过大且造价高。

电化石墨类：主要材料是炭黑、焦炭和石墨等各种碳素粉末材料组成，电阻系数和电刷压降较大，比较耐磨，有良好的润滑性能，磨损后碳粉量过大。

3.2 碳刷与集电环的接触面积

根据发电机说明书规定，碳刷与集电环的接触面积不小于80%。当碳刷与集电环接触面积很小时，不能正常分担励磁电流，而通过其他碳刷电流密度必将增大（碳刷发热量与电流的平方成正比Q=I?Rt），产生火花，致使温度急剧上升，此情况在机组满负荷且碳刷接触面磨偏不规则时更为严重，逐步恶化形成环火。

3.3 碳刷压力分布

根据发电机说明书规定，碳刷不发生火花的最小压力为15–20 kPa，且各碳刷压力应均匀。引起碳刷压力分布不均的原因主要有以下几种：

（1）使用质量较差或是不合格的弹簧;

（2）恒压弹簧受热软化，压力不足;

（3）个别碳刷磨擦过短，压力弹簧无法压紧;

（4）碳刷在刷握内的活动间隙小于规定的0.1—0.2mm，碳刷出现机械卡涩现象。

当碳刷压力过低时，碳刷与集电环不能良好接触，容易产生火花。。当碳刷压力过高时，引起机械磨损致使碳刷的迅速磨损。因此碳刷上的压力应力求均匀，否则将导致电流的分配不均，引起部分碳刷过热或产生火花。

3.4 发电机上导产生油雾的影响

发电机运行时各部轴承瓦温度较高，经透平油进行冷却，当油冷却轴承瓦的同时，易汽化而形成油雾。上导内部产生的油雾窜至机罩内，油雾与碳刷碳粉混合，附着碳刷、刷柱及集电环等表面上。这不但影响了碳刷散热，还容易造成环火。

3.5 集电环表面粗糙、磨损失圆

由于碳刷不同型号、机组振动、碳刷与集电环的接触面积不符合规定、碳刷压力分布不均等因素致使集电环表面粗糙度太差。而碳刷火花不仅造成碳刷的磨损，也使得集电环表面产生麻点，集电环表面粗糙度更差，从而加速碳刷和集电环的磨损，长期恶性循环，造成集电环偏心失圆，从而引起碳刷与集电环接触不稳定，碳刷跳动，部分碳刷过热或出现火花，甚至会烧毁碳刷、刷架、集电环，造成转子回路短路接地。

4 对策实施

根据确定的要因，电站进行了以下技改：

（1）电站将原来使用的电化石墨类碳刷更换成金属石墨类碳刷。电化石墨类碳刷在使用过程中，虽然具有良好的润滑性能和集流性能，比较耐磨，但是在碳刷磨损过程中，产生大量碳粉末，粉末极易附着在碳刷、刷柱、集电环、转子上，不但影响转子绕组的绝缘强度，而且污染了发电机及周边设备的卫生。而金属石墨类碳刷导电率高，磨损后碳粉量小，保障了碳刷、集电环、转子及附属设备的清洁性。

（2）碳刷投入使用前，使用“800目”精细砂纸对碳刷表面手动打磨至平整、光滑，加大了碳刷与集电环的接触面积，均衡分配各个碳刷的励磁电流。

（3）碳刷弹簧投入使用前，筛选质量较好且恒压的。同一批生产的碳刷弹簧相互间均存在差异，根据碳刷弹簧的外径、长度、垂直度及表面有无加工的毛边选择压力较为均衡的碳刷弹簧。在运行中，碳刷弹簧长期受热会软化，定期进行更换并时时监测碳刷弹簧的强度，达不到要求的及时更换，使碳刷压力分布均匀。

（4）根据发电机上导产生的油雾排放位置进行分析，通常油雾由轴承中心位置排出，极易与碳刷磨损的碳粉混合，附着在碳刷、刷柱、集电环转子及附属设备上。电站根据这一特点，在上机罩两侧增设呼吸器（油雾排放口），在轴承中心位置增设油雾挡板，使上机罩内大部分油雾通过两侧呼吸器排出，减小轴承中心位置油雾的排放量。

（5）根据电站设备定期维护要求，在每月的设备定期维护时（汛期根据实际情况开展），清扫碳刷、集电环、刷柱，检查刷握、更换较短的碳刷（运行时同一极碳刷一次更换不允许超过两块），检查集电环表面的磨损情况，在所有检查均正常的情况下，碳刷火花情况仍然没有较大改善，需要对集电环厚度、偏心度进行检测。

5 效果检查

2017年1月份电站岁修后完成了针对发电机碳刷火花缺陷的所有技改。技改后监测了7月-12月的数据，详见表3、表4。

6 制定巩固措施

（1）将发电机碳刷火花作为重点监察、监测对象，做好相关记录，并加强机动性巡查。

（2）制定发电机碳刷火花处理方法、发电机碳刷维护标准，并纳入电站运行规程、检修规程的修订中。

7 结束语

有刷励磁作为励磁系统的重要环节之一，其运行时的稳定性直接影响机组运行时励磁响应速度、磁场的产生。经几次技改后，有效的控制了碳刷火花这一缺陷，为电站的安全稳定运行及“无人值班，少人值守”奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1]刘云.水轮发电及故障处理与检修[M].北京：中国水利水电出版社，2002（2007重印）.

[2]IEC 60773 测定电刷运行特性的试验方法和设备[S].

作者简介：杨巍（1986-），男，辽宁北票人，本科，助理工程师，研究方向：水电站动力设备与管理。