沙角A电厂1，2号机曾因励磁碳刷环火造成2次停机事故。机组容量200 MW，发电机的励磁形式为它励，额定励磁电流1765 A，励磁碳刷采用非恒压形式，主励每极32条碳刷，碳刷型号为D172HT-25×32×65，2000年6月2号机组大修增容改造时，励磁碳刷改为恒压形式，每极30条碳刷，碳刷形号为D172HT-25×32×100。D172碳刷主要参数见表1。

　　表1 D172碳刷主要参数

长度L/mm

磨擦系数k

正压力P/Pa

接触压降△E/V

电流密度I/（A/cm²）

额定电流I/A

最高速度v（m/s）

电阻率、p/Ω·m

电阻率R/Ω

65

9.8×2500

0.25

1.25

12

96

70

12×10^-6

0.00105

100

9.8×2500

0.25

1.25

12

96

70

10×1^0-6

0.00162

1 事故经过

　　(1) 2001-06-29T08:00交接班检查1号机组碳刷无火花机，14:45检查发现主励磁机负极滑环碳刷环火，减负荷和减励磁电流、调整处理无效，碳刷刷辫相继发红烧断，并伴有弧光，14:55，值长令解列停机，事故过程约10 min，结果造成20个碳刷刷辫烧断，4个刷握孔熔化。当时机房内温度35～40℃，有功负荷200 MW，无功负荷90 Mvar，励磁电流1650 A。

　　(2) 2001-09-18，机房内温度35～40℃，2号机组有功负荷210 MW，无功负荷87 Mvar，励磁电流1550 A，班中检查发现励磁负极的其中一条碳刷断辫，滑环碳刷火花大，取出该组(3条)碳刷更换，滑环环火，并发现其它碳刷相继发红断辫，减励磁电流，有功减至140 MW调整处理无效，解列停机。整个过程约15 min，结果造成10只碳刷刷辫烧断，部分采集电环及销钉固定孔烧化，“V”架部分销钉烧断。

2 引起碳刷发热的因素

　　碳刷发热由3部分组成：碳刷自身电阻发热，碳刷接触压降发热和磨擦发热。

　　碳刷自身电阻发热功率：W
_1=I^2R

　　碳刷接触压降发热 功率：W
_2=I△E

　　磨擦发热功率：W_3=Fv

　　其中：I－流过碳刷的电流；

　　R-碳刷电阻；

　　△E-接触压降；

　　F-碳刷压紧力；

　　v-碳刷与滑环的相对运动速度。

3 碳刷发热的原因

3.1 碳刷使用过程中电阻值逐渐增大

　　将购买的500条D172HT-25×32×100碳刷，用电桥法测量其电阻值为0.0012～0.0020Ω，电阻分散性不大；一部分碳刷在2号机组使用一段时间后更换下来，测得电阻值为0.0012～0.01Ω，即部分碳刷的电阻增大了；2号机碳刷事故停机后，拆下的碳刷测得电阻值为0.0012～0.3Ω，电阻分散性很大，电阻也大了许多，电阻值的增大使碳刷的电阻发热增加。

3.2 碳刷卡阻

　　碳刷通过电流后发热，刷体膨胀，易卡在刷握，这时拉动刷辫感觉很紧；部分碳刷由于振动、刷握不垂直等原因，会在刷握一侧的上沿和另一侧下沿产生明显卡阻，这几种形式卡阻，用钳表仍可测得电流，容易被误导(刷辫处磁场较强，测量方法不同，钳表测得数值误差大，测量值只作定性分析)，碳刷却已经失效，致使其它碳刷分配的电流增加，电阻发热增加。

3.3 碳刷压力减小

　　非恒压碳刷，压紧弹簧后碳刷接触压降小，发热少，在碳刷磨短后，弹簧压力明显减少，压力小到一定程度，接触不稳定，接触压降增大，接触压降发热明显增加。

3.4 碳刷接触面形成气膜

　　D172碳刷最大圆周速度为70 m/s，发电机励磁滑环直径为445 mm，折算后滑环表面园周速度为69.9 m/s，碳刷在允许最大速度下运行，很容易在碳刷接触面产生气膜和跳动，流过碳刷的电流不稳定。在滑环表面开凹槽和磨花碳刷接触面可破坏气膜。但开凹槽使碳刷实际的接触面积减小。

3.5 滑环氧化膜的形成

　　滑环氧化膜太厚，使碳刷接触电阻大大增加，励磁电流分流到其它回路电阻小的碳刷上。

3.6 电流平衡的破坏

　　一般情况下，非恒压弹簧碳刷新换上和压紧弹簧，碳刷与滑环接触面的接触紧力较大，即接触压降小，所有32条碳刷工况相近，每条碳刷的电流接近相等，刷体的平均温度较低，碳刷间电流相对稳定平衡(称作强平衡)。运行一段时间后，碳刷的磨损量相近，但出现了氧化膜、气膜、卡阻等因素，碳刷磨短了或弹簧压力降低了，碳刷接触面的接触紧力减小，碳刷间电流二次再分配，每条碳刷的电流差别增大，处于不稳定平衡(称作弱平衡)。这个阶段时间长，逐渐变化，不容易引起警觉。当环境温度升高或励磁电流增加时，随时可造成弱平衡破坏。

4 碳刷事故原因

　　滑环表面形成了一定厚度的氧化膜，增大了碳刷的接触压降，加上个别碳刷卡阻失效，碳刷处于弱平衡状态，事故时室内气温高，机组负荷加满，励磁电流增加，碳刷间弱平衡破坏，个别碳刷电流迅速增大，严重过热，刷体发红膨胀卡死，大电流转移到其它碳刷，并相继出现膨胀卡死，滑环环火恶性发展，使得短时间内大量碳刷刷辫烧断。

5 关于2号恒压励磁碳刷事故

　　2000年6月，2号机组大修时将刷架改为恒压励磁刷架，主励磁机每极碳刷由10组“V”架组成，每个“V”架装3条碳刷，“V”架与集电环靠一根销钉转动9°卡接，“V”架两侧面与集电环面接触通过电流。

5.1 “V”架销钉磨蚀

　　“V”架销钉磨蚀有2种，一种是电流流经销钉产生腐蚀，另一种是销钉与“V”套径向线接触，“V”架与“V”套接触紧力使销钉产生应力磨损。

5.2 “V”架与集电环接触不好

　　“V”架与集电环“V”套配合差，虽然装配要求接触面大于80%，实际上达不到要求，“V”架装上后前后左右可晃动，造成“V”架两侧面很多烧伤弧坑。

5.3 弹簧压力不足

　　恒压弹簧压力不足，用手拉动励磁弹簧，可明显感觉不同弹簧的压力差异，且弹力比其它机组非恒压弹簧小很多，由于弹簧压力不足，刷握和碳刷加长增加了碳刷侧面磨擦阻力，碳刷被阻在握内。

　　上述缺陷增加了2号机碳刷事故的几率，而2号机事故当时取出1组碳刷更换则加剧了碳刷弱平衡的破坏。

6 改进维护处理措施

　　(1) 将消除碳刷火花的被动管理形式改为控制

　　碳刷电流分配和温度的主动管理形式。在生产现场配备直流钳表和测温表，每班测量和掌握每个碳刷电流和温度，碳刷电流控制在10～90 A，刷体温度控制在不大于80℃，及时消除电流不平衡、气膜、氧化膜、卡阻等因素，保证碳刷在强平衡状态工作。有条件时，专人负责碳刷的维护更换工作跟踪，效果会更好。

　　(2) 出现个别碳刷断辫，可先减小励磁电流；出现环火，则大量减小励磁电流，调整碳刷电流平衡后再换碳刷。

　　(3) 规定碳刷磨损掉1/3，必须更换，每月更换碳刷不少于20条，月更换量达到30%，消除碳刷太短、电阻值变大、卡阻、阶梯形四面体等现象。

　　(4) 在“V”架导电两侧面涂导电脂，消除紧力不足引起的导电不良。定期检查“V”架销钉和紧力，定期检查弹簧压力。

7 结论

　　采取上述措施以后，3台机组励磁碳刷实现了无火花、刷辫无变色、无断辫运行，先后及时消除了个别碳刷小电流(卡阻)以及3号主励磁碳刷正极一周8只碳刷无电流(机端盖渗油引起)问题。从一段时间的运行情况看，不论是变压弹簧还是恒压弹簧，碳刷维护管理从控制碳刷无火花改为碳刷状态平衡控制，较好地实现了强平衡状态运行目的，避免了人为因素的影响。2号机由于设备先天不足，虽然个别碳刷小电流现象经常出现，电流平衡问题仍得到较好控制。（彭远崇）

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文章名称：《发电机励磁碳刷事故分析和对策》

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