30MW发电机集电环打火原因分析处理及
维护方法
摘要：本文针对能源动力分公司新建投产后的30MW发电机集电环、电刷产生火花的主要原因、问题的处理及预防措施进行了分析，并对发电机正常运行过程中电刷的维护及注意事项进行了阐述。
关键词：电刷火花集电环维护
引言
为了充分利用高炉富余煤气及炼铁、炼钢系统的富余中、低压蒸汽，能源动力分公司于2019年建成投产了一台30MW发电机组，该机组选用单缸双压凝汽式汽轮机并配用QFa型发电机，励磁方式采用机端自并励系统，发电机集电环正负极各用了20只电刷进行励磁电流的转换，发电机组电气各性能参数见表1。
发电机组投产后，集电环及电刷温度一直偏高，火花过大，经常进行处理，导致发电机组不能安全稳定运行。
表1 发电机电气参数
1现象描述
在发电机机组投运初期，发电机的集电环温度就达100℃，不得以一直用轴
流风机进行降温运行，并且在整个2020年期间，发
电机电刷温度偏高，每个电刷温度达90℃，集电环温度达100℃；且在运行
过程中电刷振动过大，电刷振幅达2mm，励磁正负极电刷都有大量火花。
如图1
运行中的电刷整个边缘有较强烈的火花即环火,同时有大火花飞出,火花等级达到
3级，因而我们不得不多次降负荷进行处理，电刷更换频次高，有时一天要更换
2次电刷，电刷损耗较大，而且经常在发电机运行过程中更换电刷，大大增加了
维护人员的工作量，更换过程中的带电作业使职工安全得不到保障。
.
图1 运行中电刷产生的火花
2原因分析
2.1 发电机所处的环境对电刷的影响分析
发电机在运行过程中，电刷与集电环之间需形成一层氧化膜才能减少摩擦系数，氧化膜的主要成分为大量的氧化金属，湿度空气中的水汽是构成换向器或滑
环氧化膜的重要成分。
空气湿度8~15g/m3是形成氧化膜的最佳区间，空气的绝对
湿度过低，会造成较高的摩擦系数，导致碳刷快速磨损；空气的绝对湿度过高，
会造成集电环绝缘降低，产生集电环腐蚀现象，将导致电刷磨损过大，产生较大
的火花。
由于受现场位置局限性，发电机厂房在选址时，南面距汽轮鼓风机冷却
水架只近20米的距离，在正常运行中，冷却水塔产生的大量水蒸汽受风向影响，不断从厂房内的窗户飘至发电机励磁机处，导致此处空气绝对湿度过大，长期湿
度在20g/m3左右，在雨天进行检测可达30g/m3，发电机集电环及电刷长期在此湿
度影响下，集电环表面形成了腐蚀麻点，导致集电环表面形不成氧化膜，电刷产生的火花较大，电刷磨损加剧。
2.2 电刷选型不恰当的分析
原发电机选择电刷时选择是D172的电化石墨碳刷，此电刷在运行一段时间后发现火花较大。
从拆除下来的电刷看（图2），电刷表面损伤较大，且磨损较快；从换下电刷磨损表面(图3)可看出，集电环表面氧化膜被破坏，导致集电环被磨损，电刷表面有轻微沟槽。
造成此现象的原因一般为超负荷或电刷选型不对造成的，我们发电机在平时运行过程中，一般负荷维持在22-27MW之间，没有超30MW运行，因而造成此现象的原因为电刷选型不对。
图2 换下的电刷图3 电刷磨损表面
3除理方法
3.1 发电机环境的影响的处理
针对30MW发电机组厂房南侧有24台水架风机，水蒸汽极易飘至发电机励磁机端而引起电刷火花。
我们可采取关闭厂房南侧窗户的方法，以阻隔水蒸汽进入厂房内部，以减少空气绝对湿度对集电环及电刷的影响。
3.2 集电环的处理
在发电机停机后，我们对发电机的集电环进行检查发现，集电环由长期受腐蚀及发热的影响，表面已形成部分麻点且有较大的划痕（图4），并且我们对集电环跳动进行测量，其跳动偏差值达80微米，因而运行中导致电刷振动较大，产生火花。
图4 磨损的集电环图5 车削完的集电环
2021年6月，我们利用发电机停机检修机会，对发电机抽出转子送至专业单位进行集电环表面进行车削。
车削过程中需保证表面粗糙度，如集电环表面过于光洁或粗糙度过高都将导致集电环与电刷滑动特性不安稳，使电刷温升过高或反常磨损，因而我们确保表面粗糙度Ra应为0.95µm；同时应确保车削完后的集电环跳动的总体指数偏差值应该小于30µm。
集电环表面车削完后，还需控制滑环的螺旋槽，对集电环螺旋槽边缘倒角，如存在锋利的边缘容易导致碳刷磨损太快，同样会在滑环表面留下灼伤痕迹。
集电环螺旋槽边倒角形式见图6。
集电环表面车削完后见图5。
图6 集电环螺旋槽边倒角
3.3电刷的重新选择
发电机电刷的选择与集电环材质、电刷的机械性能及电气性能有关。
电刷的机械性能主要是考虑的是摩擦系数和使用时的压力，摩擦系数越大，电刷硬度越高，对集电环表面损伤越大，易使运行中的电刷产生火花；电刷使用时的压力过高或过低，都会使电刷电流的不同，对集电环及电刷会造成不同程度的损伤。
电刷的电气性能主要考虑电刷的电流密度、线速度、电阻率、电压等因数。
此发电机正负极各采用20只电刷进行电流的汇聚，因而在额定功率时，每只电刷平均承受电流I=Ia÷n=814÷20=47(A)
（其中：Ia=励磁额定电流，n=电刷数量）
电刷采用截面为25mm×32mm的金属石墨电刷，截面积为S=8cm2，
此发电机额定功率下运行时平均单只电刷的额定电流密度为：
I÷S=47÷8=5.875(A/cm2)
发电机集电环的线速度：V=2×π×r×f=2×3.14×0.225×50=70.65(m/s)
（其中：r=滑环半径,f=频率）
我们发电机原来选用的电刷为D172的型号，各性能参数见表3，从表中可看出此电刷硬度偏高，最大圆周速度过小，不适用此发电机上。
因而我们选择
LFC554这型号的电刷，从表2中对比两种电刷参数可看出，LFC554明显优于
D172电刷。
LFC软石墨碳刷主要配料由高纯天然石墨、人造石墨和添加剂、特殊粘合剂混合，经高温烧结而成，具有较低的肖氏硬度，比较低的摩擦系数，其卓越的吸收振动能力使得这种材料可以正常工作于一般其它材料无法适应的应用场所，且滑环高速运动时摩擦、振动、气流、圆跳动和热膨胀产生的机械应力也因此被放大，因而完全可用于30MW发电机组。
表2 电刷参数
4电刷安装、更换及后期维护注意事项
4.1在每次检修后，应对电刷刷握进行调整，使刷握下边缘与滑环工作面的
间距应保持在2-3mm，并重新配置刷框位置，使各组电刷对称，位于滑环的电气
中性上，距离偏差值不大于±1mm。
在正常运行过程中，定期检查电刷、刷辫、
刷握等各部分的接触、连接情况，发现有螺丝松动的现象要及时紧固。
当发电机
检修工作完成后或发电机过负荷、振荡等故障发生之后，更要进行认真检查，及
时消除隐患。
4.2在发电机检修，更换大批次电刷后，应在轻负荷下持续运行，逐渐增加
转子电流，使其建立氧化膜。
对于每次更换新电刷时需对电刷进行预磨，预磨是
为了使新碳刷的接触面和滑环的圆弧度吻合,并形成合适的表面粗糙度，借此确
保高质量的机械和电气接触性能。
应而需找直径约0.45m的砂轮石，借助砂轮石
的弧度进行研磨，使其电刷与集电环的接触面不小于75%。
4.3由于电刷压簧与电刷没有绝缘，电流流经压簧使其发热变软，失去弹性。
因而在选用电刷时，选用带有绝缘的电刷。
在平时点检时，要定期检查电刷压力，其差别不能超过10%，如果发现压力偏差过大或压簧有变色及发黄的痕迹，要及
时进行更换。
4.4 尤其需重点注意的是在电刷选用时，使用规定牌号批次的电刷，决不能
混用不同型号规格电刷；在平时运行过程中如果发现电刷块边缘存在剥落现象，
就必须更换。
正常运行中，电刷磨损至总长的1／3或电刷在刷握内有摇摆的情形，应及时更换，消除碳刷太短、电阻值变大、卡阻、阶梯形四面体等现象。
在
同一时间内更换电刷块数不超过3块。
4.5每2周用无水分、油和杂质的干净压缩空气对滑环、刷架、进行吹扫，压缩空气的压力要小于0.3MPa，保持滑环及电刷的清洁。
4.6发现电刷打火后，不要急于处理火花较大的电刷，尤其是发电机满负荷运行时，应先用直流钳表测量每个电刷上的电流，优先处理电流明显偏小、火花不大、温度偏低的电刷，检查该电刷是否有卡涩、跳动现象。
待该电刷电流及温度正常工作后，再处理其他电刷。
避免在处理火花大，电流大的电刷时，电刷电流分配严重不平衡，从而引发恶性循环，发生环火事故。
4.7积极采用新技术、新工艺。
现各大电刷厂家都研发了研磨电刷，如果集电环出现并不明显的沟槽、坑点等现象可以尝试研磨电刷，可以以最小的成本修复滑环和换向器表面，有利于碳刷快速的磨合和氧化膜的生成，使电刷更好的发挥其性能。
5结语
发电机集电环及电刷火花是一个相当复杂的问题，也是在运行过程中不可避免的，火花的原因有机械的、化学的、电磁方面的，当然也有人员维护方面的因素等等，它牵扯到许多现场的实际工作经验，以及一些理论分析，一旦发生冒火要准确的判断出引起冒火的主要原因，对症下药，力求将损失降到最小。
因而我们应建立完善的运行巡检制度和检修维护制度，加强监督检查管理，彻底避免由于初期小火花而引发的集电环环烧损或导致发生转子短路等扩大事故的发生。
参考文献
[1]宋正芳．电机电刷的应用与维护．黑龙江科学技术出版社，1982
[2]电机工程手册第2卷-电工材料．北京机械工业出版，1984
[3] 2019 美尔森碳刷技术指南
1。