小水电机组励磁碳刷频繁更换及打火原因分析与改进

秦维海

摘   要：南方雨水较多，在山区多的地方小水电机组发电业发达，机组利用小时数很长，但很多小水电机组设备都是一些小的电机厂生产，制作工艺相对较差，在运行中会频繁停下来进行检修和维护，浪费水能现象严重。本文针对某小型水电厂小水电机组励磁碳刷频繁更换及打火现象，进行了详细的原因分析，并根据原因分析得出的结果对滑环电刷加以改进，对小机组稳定运行起到了很好的作用。

关键词：小水电  碳刷  频繁更换  原因分析

中图分类号：TV734                                 文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）08（c）-0108-02

某小水电厂位于南方山区，共有三台500kW小水电机组，三台机组均为20世纪90年代中期投产发电，每台机组年均发电7000h左右，为解决山区电力匮乏及有效利用水资源做出了突出的贡献。三台机组所采用的励磁方式均为静止励磁方式，给转子通过脉动的直流电流，机组转子集电环每极四个电刷，共8个电刷，采用J102电刷，电刷尺寸12.5×25×40mm，并采用单边弹簧压电刷形式，机组正常运行时励磁电流150A左右。

1  异常现象

经过长期对三台机组每次更换电刷时间和耗用电刷数量的统计、分析，平均每月一台机组需更换2～3只电刷，一台机组将近3个月时间左右整台机组电刷需全部更换一遍，电刷更换频率太高，维护工作量较大。机组运行期间，每台机组因集电环电刷温度过高、电刷打火，产生环火，而且小机组碳粉较多，很多都附着于转子外表面和励磁回路各引线和绝缘部件上，引起转子回路绝缘下降，多次出现过烧毁集电环、发电机组跳机恶性事件。

2  原因分析

针对小机组励磁电刷频繁更换及打火这个情况，我们专门成立了QC小组进行攻关，从人机料法环5个方面进行分析造成励磁电刷频繁更换及打火的原因。

2.1 人的方面

现场所有检修技术人员都是专业人员，许多毕业于电力学校，而且有多位工作多年的老师傅，对各种类型发电机机组检修有足够的工作经验，特别对处理滑环及电刷方面更有很多积累的宝贵经验，在业务技术上，现场的工作人员完全有能力处理机组电刷更换频繁及打火问题的能力。所以确定人的方面为非要因。

2.2 环境方面

小机组因为取水源的特殊位置，机组安装的位置不是很好，设备运行的环境相对较差，这个很难进行改变，安装成功后也无法进行移位，设备设计制造时已跟厂家要求考虑安装位置的特殊情况，厂家也在设计制造上进行了考虑。所以环境方面确定为非要因。

2.3 材料方面

机组所使用的是金属石墨电刷J102，查电刷技术性能表得知J1O2电刷电流密度20A/cm?、每50小时磨损量为小于0.4mm，根据我们日常对电刷更换的情况统计来看，每台小机组滑环电刷磨损约15～17mm左右就需要对本只电刷进行更换。如果我们按照单只电刷平均磨损量16mm作为更换电刷的标准，那么每只电刷磨损16mm用的时间：16 mm/0.4mm*50h=2000h，2000h也就约等于83d，基本与我们三个月时间更换同一只电刷时间大致相同，所以实际电刷的运行时间与理论上时间一致的，但我们认为机组厂家在滑环电刷设计上是欠考虑的，未能考虑到机组的长周期运行及电刷频繁的更换造成人员维护量的增加，所以我们认为可以选用其他满足此类转速要求且每50h磨损量更小的电刷来代替目前所使用的J102电刷，应该更能够减少现场的维护量和延长机组的运行时间。

另外厂家原配的J102电刷全部长度为40 mm，对于这种长周期运行的机组来说，所配置的长度相对较短，平时磨损的长度约16mm，磨损的有效长度过短，势必造成机组经常性停机而频繁更换电刷。

机组运行时，励磁电流为150A，每极共4只电刷，平均每只电刷的电流为150A/4只=37.5A/只，J102电刷电流密度为37.5A/（1.25cm×2.5cm）=12A/cm?，若某一只电刷接触不良或每只电刷接触面只有75%，则150A/3/（1.25cm×2.5 cm）=16A/cm?，接近J102电刷电流密度电流额定值。电刷截面积过小，造成每只电刷上通过的电流很易接近电流密度电流额定值，故我们确定选型配置不当为要因。

2.4 设备方面

该电刷配置的电刷卡为半边单圈弹簧形式，只压电刷半边，弹簧压力小，压力不均，机组运行中有振动，导致电刷跳跃或电刷卡阻，使之接触不良，有一个电刷接触不良，其它电刷的电流密度就增大了，滑環及电刷温度就会升高。机组运行时滑环温度应不高于100℃，每个碳刷电流控制在20～50A，刷体温度控制在不大于80℃，连接线发热温度不超过75℃，（温升40°）以内，因为碳刷的负温度特性，随着碳刷温度的增高，它的接触电阻反而降低，在80℃～100℃时最低。当温度超过100°C时，接触电阻又急剧增加，这对接触面的稳定和电刷间的均流极为不利。当一只碳刷进入不正常状态，并开始发热，由于电刷的负温度效应，接触电阻反而减少，这样，流过此碳刷的电流增加，则该块碳刷越加的发热，直至接触电阻降至最低点，流过的电流最大为止，如此恶性循环，使电刷劣化加速。这种“崩溃”式变化，使原流过此电刷上的电流进行“雪崩”式的重新分配，可能使电刷上的电流负荷差达10倍以上。接触电阻小的电刷将得到大部分的电流，很可能使它们也发生“雪崩”。这种连锁反映的后果是非常严重的。重点检查无电流和温度，及时消除碳刷电流不平衡、卡阻等因素，保证碳刷在良好平衡状态工作。故确定电刷在运行中压力不均也为要因。

2.5 制度方面

对于机组励磁电刷的维护、更换工作均有维护细则参照执行，对于维护更换工艺也进行过培训。在制度的执行、维护的到位方面没有问题，所以此条不是要因。

3  设计改进

针对QC攻关得出的要因确认结果，我们主要从电刷选型、弹簧等方面对整个机组集电环回路进行设计改进。

一在电刷上我们选择耐磨性能更好的D172电刷，选用电刷的尺寸为25×32×70mm的电刷，增加了电刷的截面积。D172电刷的性能为电刷电流密度12A/cm?、每50小时磨损量为小于0.2mm，每极计划配置6只电刷，大大增加了电刷与集电环的接触面积。通过每只电刷的电流密度为150A/6/（2.5 cm×3.2cm）=3.125A/cm?，比D172电刷电流密度额定值12A/cm?小很多，减少了集电环过热的可能。

二是更换电刷型号的同时增加了电刷的长度，由原40mm长改进为70mm长，这样电刷磨损的有效长度可以达到40mm，电刷磨损40mm所用时间：40mm/0.2mm×50h=10000h，近416d，比原先更换电刷时间延长5倍。

三是我们同时选用适合于D172电刷尺寸双簧恒压刷握，该压簧为双圈，更能保证电刷与集电环的压力均匀，接触良好，减少了电刷打火的可能。

四是改变集电环的尺寸。因为增加了电刷的尺寸、改变了刷握的形式，必须同时改变集电环的尺寸，我们在保持原有集電环外罩尺寸和大轴尺寸不变的情况下，重新设计制作了新的集电环，将原集电环平面宽度为20mm现改为35mm。

4  实施效果

根据设计改进的要求，我们绘制图纸在专业发电机配套厂家定制了集电环、刷架，并购买了电刷、刷握进行改装。第一台机组与2015年1月14日改装完成。为确保改造实施的成功，我们严格按照滑环电环安装维护标准执行，安装时保证集电环表面应光滑、无麻点、无刷印或沟纹。刷架刷握及绝缘支柱应完好，固定牢靠，绝缘电阻测试应满足GB/T8564的规定，刷握距离集电环2mm～3mm间隙，刷握应垂直对正集电环，弹性良好。电刷与集电环的接触面，不应小于电刷截面的75%，碳刷压力均匀，电刷与刷盒壁间有0.1mm～0.2mm间隙，电刷在刷握内滑动灵活，同一刷架上每个电刷压力调整一致。保证安装的电刷为同一型号。励磁引线及电缆应完好无损，接头连接牢靠，固定夹板完好。日常维护中检查刷握和刷架上有无积垢，每月一次定期用鼓风机吹扫，特别是绝缘件上的碳尘及灰尘，以避免降低励磁回路的绝缘电阻。检查碳刷是否接触良好无卡塞，在刷握内能自由活动，定期用红外成像仪检测集电环及电刷温度。

目前改造后已运行50月，期间没有发生过电刷打火现象，只更换过一次电刷，运行工况良好，只在机组停机时机对集电环、碳刷回路进行了检修。

参考文献

[1] GB/T 817—2014，立式水轮发电机组检修技术规程[S].北京：国家能源局，2014.

[2] 郝林.机组碳刷装置打火与运行温度偏高的原因与技术改造[J].城市建设，2012（36）：1.