摘要：分析发电机集电环碳刷的工作原理，提出碳刷维护建议。
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1、概述
对于汽轮发电机来说，集电环碳刷一直是一个薄弱环节。它是静止部件（碳刷）和滑动部件（集电环）的直接接触部位，是励磁调节器向转子绕组输送电流的关键部件，受到多方面因素的影响。我厂二期4×600MW和三期2×1000MW汽轮发电机组励磁系统都采用机端自并励有刷励磁形式。自去年以来，二期、三期发电机碳刷和集电环接触面温度偏高，特别是三期的发电机碳刷和滑环接触面温度高达134℃，影响到发电机的正常运行。本文主要从发电机集电环碳刷的工作原理介绍入手，分析集电环碳刷磨损发热的途径和原因，提出碳刷在运行中的维护建议。
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2、发电机集电环碳刷的工作原理
碳刷是旋转机械的固定部分和转动部分之间传递能量或信号的装置。在同步发电机上，碳刷是把同步发电机转子运行所需的励磁电流通过集电环导入转子线圈，起传导励磁电流的作用。碳刷总成由刷架、刷盒、压簧、碳刷（包括刷辫）等组成，励磁电流从正极直流母排流经刷架、碳刷，并通过集电环正极进入转子线圈后从负极流出。转子集电环以热套形式固定在转子大轴上，集电环下装有绝缘套筒，用以和转子本体隔离。转子正负集电环之间装有离心风扇，刷架两端装有绝缘隔板。运行中，集电环以每分钟3000转的速度旋转，碳刷则与集电环滑动接触导通励磁电流。
集电环结构示意图如下：
3、集电环碳刷磨损的几种途径
碳刷和集电环工作面的磨损有两种：一种是纯机械磨损；还有一种是在电流作用下的电气磨损和机械磨损。
（1）纯机械磨损：碳刷和集电环表面相接触，由于压簧压力作用和材料弹性变形的缘故，使直接接触部分相互嵌入。当相对滑动时，碳刷和集电环摩擦作用而形成磨损，碳刷磨损面会出现粉粒脱落后而划出的纹道，而集电环也会出现金属纹路。
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（2）电流作用下的电气磨损和机械磨损：碳刷在电流作用下，不仅有机械磨损，还有电气磨损。所谓电气磨损，指的是由于电流通过碳刷和集电环的接触面，且其直接接触的部位不断变动，电流密度变化又很大，使一些点的温度很高，两侧极面局部熔化、脱落，金属变成金属蒸汽。碳刷则结构松化，氧化腐蚀脱落，这就是电气磨损的表现。
4、不同极性下集电环和碳刷的磨损情况分析
电流极性不同，集电环和碳刷的磨损情况也不同。阳极（正极）表面局部高温而蒸发出“金属蒸汽”，使阳极表面腐蚀，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”。当电流由碳刷流向集电环时，碳刷为正极，集电环为负极，结果是：碳刷极面上阳极蒸发，碳粒、石墨离子迁移到集电环面上；集电环表面阴极粉化，并附着碳粉、石墨，成光亮的镜面。当电流由集电环流向碳刷时，集电环为正极，碳刷为负极，结果是：集电环面上阳极蒸发，表面腐蚀严重；碳刷
面上阴极粉化。总的来说，碳刷为正极时：碳刷电气磨损大，机械磨损轻微，集电环的电气磨损和机械磨损都小；碳刷为负极时，碳刷电气磨损小，机械磨损大，集电环的电气磨损和机械磨损都很大。这就是为什么发电机转子正极上碳刷磨损厉害一些，而负极则是集电环磨损更严重一些。
5、发电机集电环碳刷的维护建议
对于发电机来说，集电环和碳刷一直是一个薄弱环节。它是静止部件（碳刷）和滑动部件的直接接触部位，是励磁调节器向转子绕组输送电流的关键部件，受到多方面因素的影响。
（1）在发电机运行过程中，集电环和碳刷接触面上有一层氧化膜，它起到减小摩擦系数，降低集电环和碳刷磨损的作用，应经常注意集电环表面状态是否良好。
隔爆型防爆灯 （2）碳刷在刷盒内上下滑动是否正常：碳刷通过电流后发热，刷体膨胀，易卡在刷盒内，会在刷盒一侧的上沿和另一侧的下沿产生明显卡阻，致使其它碳刷分配的电流增加，电阻发热增加。
（3）碳刷的温度和振动是否正常。碳刷在温度达到80~100℃时，碳刷的“负电阻效应”将使碳刷阻值降到最低，加速碳刷的过热。当碳刷温度超过100℃时，其阻值又急剧增加，这对碳刷间的电流分布是极为不利的。
（4）定期用钳型电流表、红外仪测量碳刷上的电流和温度分布情况。碳刷电流分布不均匀的直接表现就是发热，从红外仪上我们可以看出温度高的碳刷往往通过的电流值也异常大。通过对温度和电流的监测，我们可以更直观的看到碳刷的潜在故障，有助于我们分析处理。
（5）经常关注碳刷压簧有无过热变，压力是否正常。压力过高，增加机械磨损；压力过低，增加碳刷与集电环间的接触电阻，容易发热。而不同压力下的碳刷与集电环的接触情况也不完全一样，即其接触电阻不一样，也会造成碳刷间的电流分布不均匀。
水燃料 （6）保持励磁机小室内集电环碳刷冷却风道畅通，及时清理风道内油污、碳渣。有兄弟电厂因为冷却风道严重堵塞，集电环及碳刷运行中产生的热量不能排出去，致使集电环和碳刷的温度升高，使碳刷打火，最终导致集电环烧损事故的发生。
6、更换碳刷的注意事项
运行中需要时刻关注碳刷的磨损情况，当碳刷的磨损长度超过三分之二时，应及时更换新碳刷。在线更换碳刷应注意：
（1）新旧碳刷型号一致，在同一时间内，每个刷架上只允许更换1~2个碳刷。
（2）更换的新碳刷原则上应事先在与集电环直径相同的模型上研磨好。
（3）新碳刷在刷盒中能上下自由移动，并且间隙符合运行规定。
（4）检查压簧的压力正常，本体无变、变脆等现象。
扭力起子 （5）装复后应用钳型电流表测量更换后的新碳刷的电流正常，其它碳刷电流均匀且无过热。
（6）及时分析更换下来的旧碳刷，看其磨面是否光滑。若其磨面粗糙且纹路深浅不一，则需进一步检查其它碳刷以至于集电环的磨损情况，需要时处理。若磨面弧度不正，则考虑刷架、刷盒安装位置不正和碳刷在刷盒内的间隙是否过大，需要时进行调整。
7、总结
集电环碳刷过热问题的解决要从平时运行维护抓起，除了电气专业要加强日常的巡检、点检，不断完善运行数据的分析方法，努力实现该设备的状态检修外，还要各专业间的相互配合，密切合作，共同把我厂发电机集电环碳刷过热的问题处理好。
参考文献
[1]陈仓，曹浩军.发电机集电环环火事故分析及预防[J].热力发电，2009,38（10）
[2]盛明珺，沈良，倪勤.发电机集电环电刷故障实例及分析[J].安徽电力，2006,23（2）
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