浅谈碳刷和集电环故障及磨损分析
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摘 要：发电机碳刷和集电环的维护及故障处理是发电厂运维人员必须掌握的技能之一，在实际工作中由于对碳刷的重视不够、维护不当、处理不及时，往往会引发严重的后果。本文针对碳刷和集电环运行中常见的问题展开分析，提出一些解决办法，希望对今后在碳刷和集电环的运行维护及故障处理提供思路，从而保证设备的安全稳定运行，提高企业的经济效益。
中图分类号：U262 文献标识码： A
碳刷在集电环上正常运行时，在和集电环接触面上形成一层均匀的氧化膜，这是发电机集电环运行良好的重要指标。因为这层氧化膜的形成改变了碳刷与集电环的接触特性、减少了摩擦、降低磨损、延长了碳刷和集电环的使用寿命、
氧化膜的正常厚度在8～100nm的范围内，一般为25nm。氧化膜具有较好的性能，使碳刷与集电环之间降低了摩擦系数，减少了摩擦热的产生和碳刷的磨损。集电环和碳刷磨损的原因多数是由于碳刷的过热而使氧化膜被破坏而产生的。
1、水电站发电机组碳刷及集电环常见故障的原因及解决方法
水电站发电机组碳刷及集电环在运行中常见的故障为发热、产生火花、集电环磨损、烧损碳刷架及集电环。从产生过热故障的原因分析，主要有以下几方面：
1.1 由于通风不良引起的发热：通风不良主要是由于冷却风道堵塞、集电环通风孔堵塞、风扇风量下降等原因导致，尤其是当运行中集电环表面温度过高时，导致碳刷磨损加剧，碳粉积聚增加，堵塞冷却风道滤网从而影响集电环表面的散热。因此在日常维护和常规检修时，应对集电环表面及冷却风道滤网进行清理，保持其散热正常通畅。
1.2 由于接触电阻过大或分布不均匀而产生的发热：集电环和碳刷是通过相互滑动接触导通励磁电流的，根据容量及型号的不同，每个集电环上大约分布着十几只碳刷，由于接触电阻的不同，电流分配的差异，导致的发热不均匀有以下几方面：
（1） 碳刷与滑环表面接触电阻、碳刷与刷辫接触电阻、刷辫与刷架引线接触电阻过大。检查碳刷架及刷辫的螺丝是否紧固。检查碳刷和集电环接触面的清洁程度，是否存在油污等。
（2） 碳刷压力不均匀或不符合要求，可能是碳刷过短、弹簧由于过热变软老化失去弹性等原因。用弹簧秤检查碳刷压力。恒压弹簧应完整无机械损伤，压力应符合其产品的规定，同一集电极上的弹簧压力偏差不宜超过5%；同一碳刷架上的每个碳刷的压力应均匀。
（3）集电环与转子引线接触电阻过大，对集电环与转子引线间的紧固螺栓进行加固。
（4）碳刷材质不良、导电性能差、使用的型号不符合要求或者使用了不同型号的碳刷。同一发电机上应使用同一型号、同一制造厂的碳刷，对于外观检查有明显差异的碳刷应更换。
1.3 由于机组大轴摆幅和机械振动偏大及摩擦等原因造成的过热：
（1） 机组大轴摆幅和机械振动偏大：会导致碳刷架固定螺栓的松动以及碳刷碳刷在刷盒内做不规则的跳动，极易与集电环间产生火花，从而使过热加剧以至烧损集电环和碳刷、碳刷架。加上固定螺栓松动，进一步会导致由于碳刷架严重烧损而使集电环发生短路故障的严重后果。
（2）由于机械及摩擦等导致的过热，如果在开机时还未加励磁，就发现集电环与碳刷温度高，或者运行中温度过高，拔出几只碳刷后，温度降低，就可以判定是由于机械及摩擦原因导致的。机械及摩擦导致发热的情况主要有以下几个方面：A、碳刷接触面研磨不良或运行中一次更换过多的碳刷。运行中更换碳刷的数量不超过每极集电环上碳刷总数的三分之一，并注意清除干净该碳刷表面上的石英砂等其它杂质，以免其附着在碳刷表面在运行时机械磨损集电环和碳刷，更换的新旧碳刷的型号必须一致。如在机组A级检修时一次更换的碳刷量较多，应当在投运前冲转时，为碳刷表面形成良好的氧化膜留够充足的时间。B、碳刷与集电环接触面过小，接触面积一般不应小于单个碳刷截面的75%。C、碳刷在刷盒中跳动动作规定，无规定时，其间隙可为0.1～0.2mm。电刷外形要方正，上下端尺寸误差不得大于0.05mm。D、刷握与集电环表面间隙过大。由于碳刷材质较脆，当刷握与集电环表面间隙过大时，运行中碳刷不能整体接触集电环，与集电环呈斜面接触，容易造成碳刷崩裂。刷握与集电环表面的间隙应符合产品技术要求，无规定时，其间隙可调整为2～3mm。调整间隙时，可使用一层2～3mm厚的纸垫粘在集电环表面，将刷握抵到纸垫上，然后紧固定位螺栓，再取出纸垫。
2、发电机碳刷和滑环之间磨损问题及采取措施
2.1纯机械磨损
碳刷和滑环表面相接触，由于弹簧压力作用和材料弹性变形的缘故，使直接接触部分互相嵌入。当相对滑动时，当然有摩擦作用而形成磨损。如果碳刷颗粒细软，则碳粉易被沾在滑环表面，使滑环成为具有亮滑的石磨镜面，碳刷的磨面也很光滑，两者的机械磨损都较小。但如果碳刷质量不佳，颗粒粗硬，或甚至含有少数如金刚砂之类的硬质颗粒，则必然会对滑环表面进行刮割，使后者出现金属光泽或纹路，碳刷本身也会出现硬粒脱落后而划出的纹道，这就使机械磨损大大增加。
2.2在电流作用下的电器磨损和机械磨损
在电流作用下，不仅有机械磨损，还有电器磨损。所谓电器磨损，指的是由于电弧高温和放电等因素的作用，使极面材料受到损坏的情况。而由于电器磨损影响极面，所以也会对机械磨损的程度产生影响。
由于电流通过碳刷和滑环的接触面，且其直接传导的部位不断变动，电流密度又很大，使一些点温度很高：又由于电弧的高温作用，会使两侧极面局部熔化、脱落，金属会变成金属蒸汽，碳刷则结构松化，受氧化腐蚀而脱落，此即电器磨损的表现。但是，极性不同，磨损情况是不一样的。在电弧作用下，阳极（正极）表面局部灼热而蒸发出“金属蒸汽”，使阳极表面损蚀，这叫“阳极蒸发”；阴极（负极）因受正离子撞击和高温作用发射电子，使阴极表面也遭受破坏，这叫“阴极粉化”。由于阳极蒸发和阴极粉化的作用，碳刷和滑环由于电流方向不同会出现极性差别。
当电流由碳刷流向滑环时，此时碳刷为正极，滑环为负极，则结果是，碳刷面上发生微小程度的阳极蒸发，碳粒、石墨离子迁移到滑环表面，碳刷有电气磨损。滑环表面有轻微的阴极粉化，并附着碳粒、石墨，成、光泽的镜面。由于滑环表面平滑，机械磨损较小。
总的来说，当碳刷为正极时，碳刷电气磨损大，机械磨损小，滑环的电器磨损和机械磨损都很小；当碳刷为负极时，碳刷电气磨损小、机械磨损大，滑环的电气磨损、机械磨损都很大。为了使磨损均匀一些，对于滑环，因为正环电流由碳刷流向滑环，碳刷正极性，滑环负极性，故正环磨损小，负环磨损大，故两环极性应经常调换。各电厂大修时应常倒换正、负环的连接电缆。
当没有电流时，碳刷磨面上的粗硬粒子易嵌入滑环表面，引起较大的机械磨损，甚至引起摩擦振动。当过流电流时，碳刷磨面上的粗硬粒子被炸裂、粉化，沾在表面，减小摩擦，使机械磨损减小，并使碳刷运行十分平稳。所以，在正常情况下，电流对减小机械磨损还有好处。但是，如果电流密度过大，则阳极蒸发严重，会使电器磨损加剧。二电器磨损加剧后，使滑环表面粗造化，碳刷表面附着金属粉，机械磨损又会增加，所以通过碳刷的电流密度应有一个限度。
2.3其他方面的影响
（1）弹簧压力。压力过小碳刷和滑环表面接触不稳定，容易引起电弧，使电气磨损增大。压力过大，刷面的硬粒对滑环表面的刮割严重，又会使机械磨损增加。因此，弹簧压力要适中。
（2）碳刷本身电阻。不同批次的碳刷混用，其电阻系数不一样，运行中碳刷温升不同，导致并联碳刷的电流分配不均匀，不仅个别电流超标，而且磨损增大。
（3）刷架。碳刷中心线不完全垂直于滑环圆周切面，势必造成碳刷的接触不良、弹簧压力不一致。刷握与滑环表面距离不一致，碳刷有效接触面有差别，刷架周边有毛刺不光滑，易挂碳粉和粉尘，这都会造成碳刷电流偏差增大。
（4） 外界环境。滑环和碳刷靠近发电机轴瓦，存在油雾，影响碳刷和滑环的使用寿命。周围空气湿度影响滑环碳素薄膜的形成，从而影响碳刷的导电性能。
2.4采取措施
（1）机组大修时倒换正、负环的连接电缆。
（2）选用质地均匀、材质较好、厂家指定的同一型号碳刷。更换碳刷时，尽量使更换产品与运行碳刷保持生产批次相同，尤其是在滑环的同一极上。保证每块碳刷的电阻系数相同，使碳刷的电流分配均匀。
（3）适当增加负极侧碳刷数量，降低电流密度，减少电气磨损，从而降低机械磨损。
（4）指定维护制度，及时擦拭滑环，更换碳刷时弹簧压力套调整适当。运行维护时，特别是在更换新刷块和日常清扫刷握时，定量调节刷握弹簧压力为一定值，虽然刷体长短不一，并联运行的碳刷压力却保持一致，使碳刷的磨损有效降低，延长使用周期。
（5）在停机后，对滑环作充分的研磨，消除滑环上的毛刺。检查刷握的位置，在机组中、小修时，注意刷架的安装，使每个刷握安装孔与滑环切面垂直，保持滑环轴线与刷架的的轴线同心。机组停运时，按照规定调换滑环极性，控制滑环的异常磨损。
（6）加强对发电机的卫生监督和检查，确保发电机在清洁的环境中运行。利用机组停运的机会，彻底整治发电机轴瓦漏油，使碳刷附近的油雾减少，及时清理滑环和刷架。
参考文献
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