摘要：介绍发电机励磁碳刷运行维护特点，结合发电机励磁碳刷运行中发生的异常现象，通过对碳刷维护更换的情况及碳刷发热原理进行分析总结，提出了基于碳刷长度和更换周期来确定碳刷更换的使用周期理念，在实际应用中取得较好的效果，促进了发电机励磁碳刷运行维护水平提高。
主题词：发电机 励磁碳刷 运行维护 过热 更换周期
0. 引言
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发电机励磁碳刷的作用是将外部励磁电流通过碳刷而加到转动的转子上建立磁场，转子磁场切割发电机定子线圈产生电能。励磁碳刷由于通过的电流密度大、与高速旋转的滑环接触传递能量，易引起碳刷超温、打火等现象，导致发电机滑环环火、机组被迫停运、设备损坏等事故。据统计数据看，碳刷接触不良、电流不均故障占比较大，分别为23.3%、21.7%，运维管理方面原因引起碳刷故障占比为70%［1］。提高碳刷运维管理的有效性、可操作性，可以减少类似的故障发生，确保设备运行的可靠性。
1．设备介绍
江苏华电戚墅堰发电有限公司建有四套燃机联合循环机组，分别是2005年投运的GE公司S109FA和2015年投运的三菱MF701F4机组，配置的发电机分别为390H（下称#1、#2发电机）和QFR-480-2-21.5（下称#3、4发电机）型全氢冷发电机，发电机主要参数见表1。
表1.发电机主要参数
型号 参数 | 390H （GE） | QFR-480-2-21.5（三菱） |
额定功率（MW） | 397.8橡胶发泡鞋底 | 480 | rbd-312
额定励磁电压（V） | 750 | 540 |
额定转子电流（A） | 2019 | 3550 |
碳刷个数（个） | 56 | 110 |
| | |
390H发电机励磁碳刷每极有7组刷架，每组刷架有4个碳刷，总共56个碳刷，碳刷采用恒压弹簧，碳刷刷体材质为NCC634。QFR-480-2-21.5发电机励磁碳刷每极有11组刷架，每
组刷架有5个碳刷，总共110个碳刷，碳刷采用恒压弹簧，碳刷刷体材质为NCC634。
2．碳刷运行维护特点
一般发电机励磁碳刷运行维护主要按以下原则进行：
1)建立碳刷运行台账，并做好碳刷更换统计和原因分析。
2)定期测量碳刷及滑环表面温度、碳刷电流，温度最高不应超过120℃，碳刷不均流时应及时调整。
3)检查碳刷或刷辫是否有过热、变、卡涩、跳动、冒火等现象。
4)当碳刷过短、破碎，碳刷摆动或动作滞涩，刷辫过热、断股时应更换碳刷。碳刷磨损超过2/3必须进行更换，有厂家标志线的按厂家要求更换。每次更换不超过20%的碳刷，每次间隔时间为1-2周。
运行值班人员是按值轮转，励磁碳刷的维护检查人员处以轮换、变化的状态，缺乏对励磁碳刷运行状况的整体把控。从维护原则看，碳刷更换主要以长度为依据，维护检查主要
体现在出现异常时的处理。
3．励磁碳刷运行异常情况
按上述维护原则进行碳刷维护，390H型发电机运行17年， QFR-480-2-21.5型发电机运行7年，碳刷运行情况基本正常。2020年#4发电机出现部分碳刷温度过高的现象，热成像仪测量部分碳刷最高温度为136℃，检测最高温度碳刷电流为130A，检查碳刷长度均大于1/2、无油气等异常情况，对比同型号的#3发电机近五年碳刷最高温度，#3发电机碳刷温度均正常，#3、#4发电机碳刷最高温度变化趋势见图1。
图1.#3、4发电机碳刷最高温度变化趋势
修鞋技术更换#4发电机使用时间较长的一组刷架碳刷后，碳刷最高温度下降至107℃，一周后再更
换使用时间长的一组刷架碳刷，碳刷最高温度下降至90℃，碳刷温度基本恢复正常。
4．碳刷更换周期分析
对比历年发电机碳刷维护记录，390H发电机碳刷更换周期分布见图2。
图2.390H发电机碳刷更换周期分布
390H型#1、2发电机碳刷更换周期平均为38个月，超过50个月的占比分别为16%、21.4%，碳刷的磨损相对集中。
QFR-480-2-21.5发电机碳刷更换周期分布见图3。
图3.QFR-480-2-21.5发电机碳刷更换周期分布
QFR-480-2-21.5型#3、4发电机碳刷更换周期平均为44、46个月，超过50个月的占比分别为22.7%、50%，#3发电机碳刷的磨损相对集中，#4发电机碳刷的磨损出现两极化现象。
5．碳刷过热原因分析
发电机在投运初期，无设计安装等问题的情况下，极少出现碳刷运行异常的情况。发电机运行一段时间后，碳刷进入更换周期，此时发电机碳刷开始出现电流分配不均、温度异常等情况，如处理不当，就会发展成碳刷打火、环火，对滑环造成损坏，增加碳刷维护的难度。
碳刷发热主要由3部分组成：自身电阻发热（W=I2R）、接触压降发热（W=IΔE）和摩擦发热（W=FV）,其中：W-发热功率、I-流过碳刷电流、R-碳刷电阻、ΔE-碳刷接触压降、F-
碳刷压力、V-碳刷与滑环相对速度。［2］碳刷虽然采用恒压弹簧，但是由于弹簧个体差异、安装位置的原因，弹簧之间还是存在一定的压力差，压力小的弹簧接触电阻相对大，磨损相对较慢。同时，碳刷使用过程中电阻值逐渐增大的现象［3］。#3发电机NJ1编号组碳刷电流0A ，测量电阻为0.2Ω，新碳刷为0.1Ω，碳刷使用时间6年，剩余长度70%，更换后检测电流平均约50A.。碳刷弹簧压力偏低使用时间过长的碳刷整体电阻偏大，造成励磁电流向其它碳刷分流，使得电阻偏低部分碳刷通过的电流增大，引起碳刷温度异常升高。
#4发电机碳刷有50%的碳刷更换周期超过了50个月，长时间使用，使得这部分碳刷整体电阻偏高，导致导致更换周期短的碳刷温度异常升高。其它机组的碳刷更换周期超过50个月的占比均在20%左右，与每次更换不超过20%的碳刷规定相吻合，20%左右的低效碳刷对机组运行不会造成明显的异常。所以，#1、2、3机组碳刷运行情况正常。
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6．对策措施
从#4发电机出现碳刷温度异常后，更换2组10块超过50个月使用期的碳刷，剩下超过50个月的碳刷占比下降为40%，碳刷运行情况明显好转。
基于上述原因，有条件时更换部分刷架，减少恒压弹簧压力偏差。在执行好碳刷运行维护原则的前提下，对碳刷更换引入使用周期的理念，基于碳刷长度和使用时间来确定碳刷更换。
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