0 引言

发电机励磁碳刷和滑环是发电机动静接触和能量交换的设备，碳刷作为发电机中唯一一个需要不断更换的易耗元件，是发电机励磁系统的重要组成部分。但在发电机运行过程中常出现碳刷电流不均衡现象，使得流过部分碳刷的电流升高，随着运行时间的增长，碳刷电流升高会使碳刷温度升高，损坏碳刷表面组织结构，引起碳刷冒火，严重时还会形成环火，对发电机安全稳定运行造成直接威胁。本文针对内蒙古华宁热电有限公司（以下简称华宁热电）2×150 MW循环流化床机组发电机碳刷电流不均衡问题进行分析和处理，供同类机组处理相关问题借鉴。

1 设备概况

华宁热电2×150 MW循环流化床机组采用中国长江动力（集团）公司武汉汽轮发电机厂制造的QF-155-2型发电机，额定励磁电压290 V，额定励磁电流1467 A。励磁碳刷64个（正、负极各32个），现用碳刷为上海摩根碳制品有限公司制造的型号NCC634软石墨碳刷，碳刷规格为高100 mm，厚度25 mm，宽32 mm。碳刷电流密度范围为7~10 A/cm²，每个碳刷上可通过电流56~80 A^[1]。

发电机励磁装置采用型号为08D机端处自并激静止可控硅励磁系统，励磁变压器由发电机机端提供励磁电源，励磁电流通过碳刷和随转子转动的滑环，送至发电机转子绕组上，当转子转动时形成一个旋转磁场以切割定子绕组，在定子绕组上得到交流电动势。励磁滑环分为正、负两极，采用螺旋状接触面，对应各个滑环位置，同时安装有2组刷架，刷架下部为直流母线端子排，通过电缆与刷架相连。发电机正常运行时，碳刷在压簧的作用下始终与滑环紧密接触，为发电机提供励磁。如果滑环与碳刷出现故障，会影响励磁系统的正常运行，导致磁场异常，影响机组安全稳定运行。因此，滑环与碳刷的正常运行对发电机正常运行至关重要。

2 运行中出现的问题

一般情况下，运行时碳刷与滑环接触面接触良好，各个碳刷运行工况相近，每个碳刷的电流大小接近，刷体平均温度较低，碳刷电流相对平衡。华宁热电2台发电机在正常运行时励磁碳刷电流均出现不均衡现象。通过测量显示，碳刷与滑环接触表面温度在30~60 ℃，碳刷无明显振动，个别碳刷存在卡涩、发热现象，温度情况尚可；但碳刷均流情况较差，碳刷最高电流达到70 A，最小为0，电流分布极不均匀。对电流低的碳刷表面用砂纸打磨后，电流恢复正常，但运行一段时间后电流值又变小，且流过64块碳刷刷辫的电流总和与励磁最大电流存在约300 A的差值，也就是说约有300 A的励磁电流没有经过刷辫，而是直接从刷握流过。碳刷电流不均衡影响了机组的安全稳定运行。

3 原因分析及处理 3.1 碳刷电流、温度测试

对2台发电机碳刷电流进行测试，发现均存在碳刷电流不均衡问题，且2台发电机问题基本相似，因此本文基于1号发电机正极1—16号碳刷电流数据进行分析，具体数据如表 1所示。从表中数据可知碳刷存在电流不均衡问题，有的电流高达70 A，有的电流接近于零，电流偏差较大。

3.2 原因分析

造成碳刷电流不均衡的原因主要有以下几点：

（1）碳刷备件存放过程中，如果碳刷品质差，碳刷易受潮，不利于形成良好的氧化膜，从而加剧碳刷的磨损。

（2）碳刷运行一段时间后，会出现卡涩、磨短或弹簧压力不均匀等问题，使得碳刷在运行过程中接触电阻增大，流过碳刷的电流变小，励磁电流会分流至电阻较小的碳刷上，易造成其温度升高，这也是电流分配不均衡的一个重要原因^[2]。

（3）由于发电机励磁碳刷靠近发电机5号轴承位置，油雾渗漏会对滑环碳刷造成污染，加上发电机长期运行，碳刷刷架碳粉积聚较多，使碳刷接触电阻增大，引起碳刷电流分布不均衡。

（4）碳刷和刷握间隙配合存在问题，导致碳刷卡涩或者被吸附在刷握上，电流未全部通过碳刷刷辫流入，部分电流通过刷握流走，引起碳刷电流不均衡，长期运行易出现过热现象^[3]。

（5）碳刷在运行过程中经常出现跳动现象，加剧了碳刷磨损，产生大量碳粉，聚集在刷握内造成碳刷卡涩，也可能导致碳刷发生崩角，使碳刷和滑环接触不良，分流量减小，引起碳刷电流分布不均匀，从而造成部分碳刷过载。

（6）发电机个别碳刷弹簧压力偏大，导致碳刷电流分布不均衡。华宁热电所用碳刷刷握为恒压弹簧结构，按照规定，弹簧压力应保持在0.015~0.02 MPa^[4]。如果弹簧压力过小，碳刷与滑环表面的接触电阻增大，引起碳刷发热；弹簧压力过大，虽然接触电阻变小，接触压降降低，但摩擦发热现象加剧。弹簧压力保持在一个合理的范围内，才能同时控制接触发热和摩擦发热，避免碳刷电流不均衡。

3.3 处理措施

基于上述原因分析，结合日常运行维护经验，采取以下措施，处理了发电机碳刷电流不均衡的问题。

（1）更换品质较高的碳刷，利用检修机会将2号发电机部分碳刷更换为相同规格的美尔森LFC554碳刷。机组启动后对其电流进行测试，碳刷电流偏差较小，但在运行一段时间后又出现了碳刷电流不均衡现象，因此更换碳刷并未彻底解决碳刷电流不均衡问题。

（2）检修时对滑环表面存在毛刺、不光滑的位置进行打磨，对发电机滑环以及刷架上聚集的碳粉、油污进行吹扫、清理，疏通刷架风道，确保滑环及刷架冷却通风效果良好。

（3）对电流经常出现偏高或偏低的碳刷刷架及刷握进行配套更换，调整了刷握与滑环之间的间隙。

（4）严格执行碳刷装配工艺，装配碳刷前对碳刷表面进行研磨，并对弹簧进行检查。经测试，弹簧压力均正常，减少了因弹簧压力不均匀造成电流偏差大的问题。

（5）当运行中的碳刷磨损至原碳刷高度的2/3时，要及时更换碳刷。更换碳刷前对其表面进行研磨，直至表面光滑^[5]，并保证碳刷在刷握内上下活动自如。刷握下边缘和滑环工作表面之间的距离控制在2~3 mm，距离过小，会碰撞滑环表面，易受损；距离过大，碳刷跳动易产生火花。每次更换的碳刷数量不超过每极碳刷数量的10%^[6]，并做好碳刷更换记录。

（6）调整碳刷刷握弹簧压力，对个别弹簧压力变化较大的刷握进行更换，使整台发电机刷握的弹簧压力基本均匀。

采取以上措施后，经测试2台发电机励磁碳刷电流不均衡问题得以改善，1号发电机正极1—16号碳刷电流（如表 2）与处理前比较，电流偏差大碳刷个数明显减少。同时对处理前、后2台机组的碳刷温度进行比较，发现碳刷温度较处理前也有所下降，碳刷温度红外成像测试结果见图 1、图 2。

4 防范措施

为了防止发生发电机碳刷电流不均衡问题，提出以下防范措施。

（1）机组停运时，对发电机滑环、碳刷、刷架、刷握进行清理，防止在滑环处积灰过多形成碳粉堆积，造成通风不良。发电机检修时，重点检查滑环附近的积灰情况及轴瓦是否漏油，并在发电机大修时将发电机端盖揭开对滑环进行整体吹灰及清洗。

（2）检查刷握与滑环、碳刷与刷握之间的间隙是否合适，间隙太大会造成碳刷卡涩，影响碳刷电流的均匀分配。

（3）加强发电机轴瓦渗油情况监视，防止轴承漏油。油污与碳粉混合在一起不但会影响滑环的散热效果，还会导致滑环与碳刷接触不良。

（4）加强碳刷的维护，定期对碳刷进行检查，并及时更换已经被磨短的碳刷。更换新碳刷前，必须按照滑环外圆尺寸对新碳刷进行研磨，尽量保持碳刷与滑环的接触面能达到80%以上，且合理调整滑环和刷握间隙，避免因间隙配合不良影响碳刷正常运行^[4]。

（5）加强日常维护监视工作，用钳形电流表和红外成像仪定期对碳刷电流、温度进行测试并做好记录，掌握每个碳刷的电流和温度情况，将碳刷电流控制在10~60 A，刷体温度控制在80 ℃以下，发现碳刷电流偏低或偏高时及时处理，避免因碳刷电流过大引起环火，影响发电机的安全稳定运行。