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1、发电机碳刷打火原因和预防措施电气分公司 侯友衡,Page 2,1 碳刷的作用2 碳刷的分类3 碳刷打火的原因4 碳刷打火的预防措施5 碳刷的日常维护及调整,主要内容,Page 3,一.碳刷的作用：,1.将外部电流(励磁电流)通过碳刷而加到转动的转子上.,发电的原理，是磁场切割导线后，在导线产生电流。发电机是采用让磁场旋转的方法切割导线的。旋转磁场是转子，被切割的导线是定子。为了让转子产生磁场，必须向转子的线圈输入励磁电流。碳刷就是用来将励磁发电机产生的励磁电流送入转子线圈的。,Page 4,一.碳刷的作用：,200MW机组整流柜,Page 5,一.碳刷的作用：,300MW励磁机消音罩（旋转整流
2、励磁、无刷）,Page 6,一.碳刷的作用：,300MW励磁机小间,Page 7,一.碳刷的作用：,300MW发电机消音罩、滑环刷架,Page 8,一.碳刷的作用：,2.将大轴上的静电荷经过碳刷引入大地(接地碳刷),Page 9,一.碳刷的作用：,3.将大轴(地)引至保护装置供转子接地保护及测量转子正负对地电压.,4.改变电流方向(在整流子电机中，电刷还起着换向作用),除了感应式交流异步电动机没有外。其他的电机都有，只要转子有换向环的都有。碳刷它的作用主要是对金属磨擦的同时导电；它不象金属对金属磨擦导电时一样；金属对金属磨擦导电时；磨擦力可能会增大；同时交接的地方可能会烧结在一起；而碳刷则不会
3、；因为碳和金属是两种不同的元素；它的用途多半都用在电动机上；型状是多种多样的；有方的有圆的等等 碳刷适用于各种电动机、发电机、轮轴机。具有较好的换向性能，使用寿命长。碳刷是用于电机的换向器或滑环上，作为导出导入电流的滑动接触体，它的导电，导热以及润滑性能良好，并具有一定的机械强度和换向性火花的本能。几乎所有的电机都使用碳刷，它是电机的重要组成部件。广泛适用于各种交直流发电机，同步电动机，电瓶直流电动机，吊车电机集电环，各型电焊机等等。随着科学技术的发展，电机的种类和使用的工况条件越来越多样化，因而需要有各种不同品级的电刷来满足这些要求，故电刷的种类也随着电机工业的发展而越来越多。,Page 1
4、0,一.碳刷的作用：,Page 11,2 碳刷的分类,碳刷分类方法有：1.按材质的软硬可分为软质碳刷，中硬质碳刷和硬质碳刷。2.按碳刷的使用对象可分为汽轮发电机用碳刷，轧钢电机有用碳刷，牵引电机用碳刷，汽车拖拉机用碳刷，电动工具用碳刷，飞机电机用电等。3.按碳刷的颜色分为黑色碳刷(用纯碳石墨材料制成)和有色碳刷(用铜等金属材料和石墨制成)。4制作工艺：金属石墨类：该类碳刷的主要材料是电解铜和石墨。天然石墨类：天然石墨是该类碳刷的主要原材料黏结剂采用沥青或树脂，经过烘焙或1000度烧结而成。这类电机有良好的润滑性能和集流性能。多数用于运行平稳的中小型直流电机和高速汽轮发电机集电环。电化石墨类：要
5、成分是碳黑、焦碳和石墨等各种碳素粉末材料组成，经2500度高温处理，使转化为微晶型人造石墨。这类碳刷具有优异的换向性和自润滑性能。,Page 12,3碳刷打火的原因,集电环-碳刷装置的火花故障不是一种频发性故障，也不是一种很难分析判断的故障，但根据最近的事故统计资料表明，近年来由于环火造成发电机滑环烧毁恶性事故却逐渐增多，通过我公司1号发电机碳刷环火集电环烧损这一发电机典型事故和根据近十多年我公司发电机碳刷运行状况，分析了由碳刷、集电环造成发电机滑环火花故障的原因，介绍了防止碳刷及集电环事故的预防措施。,Page 13,3碳刷打火的原因,公司1号发电机曾因励磁碳刷环火造成1次事故。当时机组容量
6、为 200 MW，发电机的励磁形式为他励，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（国产哈尔滨产）。事故发生后检查发现滑环侧损坏非常严重，南北两个刷架上的刷握大部分烧熔或部分烧熔，弹簧烧熔及断裂情况普遍，造成部分碳刷脱出。固定刷握的铜支架也大多烧熔或部分烧熔。碳刷刷辫大多烧断，部分碳刷烧熔。两侧刷架各有几个电弧烧伤点。经申请中调同意转入小修。如果现在出现类似事故，对于我公司经济损失将是非常大的，一是滑环生产周期限制，短时间内不能生产出来，现在在哈电 上电 东电等国内大型生产厂家，都是按订单生产，且排的非常满。二是两个细则考核非常严格，所以从
7、另一个角度来说，我们也出不起这种事故。,Page 14,3碳刷打火的原因,近几年时间内，1号 2号发电机相继发生滑环过热，碳刷打火情况，最为严重的是2004年4月-10月长达半年的时间内（电气分公司派专人24小时轮流监视调整），1号机主副励滑环碳刷严重过热 打火，有时会出现瞬间环火，主励碳刷刷辩温度最高达到250以上，情况最危急的一次接连烧断碳刷刷辩6块（每极滑环32块碳刷），另有多块碳刷因负担电流过大造成过热而卡涩，严重威胁机组安全运行,Page 15,3碳刷打火的原因,电刷在集电环上运行时，会在其接触面上形成一层均匀、适度、稳定的氧化膜，这是电机运行良好的主要标志之一。因为这层氧化膜的存在
8、，改变了电刷与集电环的接触特性、减少了摩擦、降低磨损、延长使用寿命。氧化膜是一种复合薄膜，其组成成分与电刷型号及集电环的材料成分有关。氧化膜的正常厚度在8100nm的范围内，一般为25nm。一般接触面只有电刷总面积的千分之几左右。接触面积的大小，由电机的转速、集电环材质的硬度、加工精度、偏摆度、电刷的材质、电刷上的压力大小等因素来决定。,Page 16,3碳刷打火的原因,氧化膜具有非常好的润滑性能，电刷与集电环接触表面起润滑作用的润滑层主要是石墨膜，这层石墨膜，将电刷与集电环分开，使摩擦在石墨润滑层间进行，降低了摩擦系数，减少了摩擦热的产生，减少了电刷的磨损。电刷的过热故障，很多情况是由于氧化
9、膜被破坏且无法重新建立导致的。,Page 17,3碳刷打火的原因,电刷在运行中最常见的故障为发热、产生火花，严重的烧损电刷刷握及集电环。从产生过热故障的原因发热看，主要有以下几个方面：,Page 18,3碳刷打火的原因,3.1 由于通风不良导致的通风不良主要是因为冷却风道堵塞，集电环表面通风沟、通风孔堵塞、循环风扇风量下降等原因，尤其是当运行中集电环表面温度过高时，导致电刷磨损加剧，碳粉积聚增加，有可能会堵塞上述集电环表面的散热通道。因此在大小修时，应对集电环表面通风沟、孔以及冷却风道滤网进行清理，保持通畅。对于经过多次车削的集电环，如果集电环表面的通风沟高度不到5mm，已经车削到径向限制孔时
10、，就应当按照说明书根据最小使用外径进行更换，以保证集电环的机械及散热可靠性。（对于我公司#1发电机主励碳刷长期发热的原因在上次增容改造过程中发现主励风扇挡板装反，造成冷却风量不足，导致集电环过热，重新安装以后冷却效果明显）,Page 19,通风不良,3碳刷打火的原因,Page 20,3碳刷打火的原因,3.2 由于接触电阻过大或分布不均匀而产生的发热,集电环和电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32只电刷，由于接触电阻的不同，电流分配的差异，会导致发热不均匀,Page 21,3.2 由于接触电阻过大或分布不均匀而产生的发热,有以下几个原因：（1）电刷
11、与集电环表面接触电阻、电刷与刷辫接触电阻、刷辫与刷架引线接触电阻过大。同时检查回路中各螺丝是否紧固。检查电刷接触面的清洁程度，是否存在油污污染。（2）电刷压力不均匀或不符合要求。一般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
12、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。另外，非恒压碳刷随着碳刷的磨损，弹簧压力也会明显减小，压力小到一定程度，接触不稳定，接触压降增大，发热增加。对以上情况，可使用弹簧秤检查电刷压力，非恒压的电刷弹簧，有规定时压力应符合其产品的规定，当无规定时，应调整到不使电刷冒火的最低压力，一般为140250g/cm2，同一刷架上每个电刷的压力应均匀。,3碳刷打火的原因,Page 22,3碳刷打火的原因,（3）集电环与转子引线接触电阻过大，这种情况应对集电环与转子引线间的紧固螺丝进行加固。（4）电刷材质不良、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电刷。同一电机上应使用同一
13、型号、同一制造厂的电刷，对于外观检查有明显差异的电刷应更换。（5）碳刷使用过程中电阻值逐渐增大。将购买的新碳刷用电桥法测量：上海摩根碳刷其直阻值为0.0180.020，法国罗兰碳刷其直阻值为0.00170.0019，电阻分散性不大（不同牌号的碳刷其阻值相差很大，所以严禁不同牌号的碳刷混用）；另外测量在机组使用一段时间后更换下来的碳刷，测得上海摩根碳刷直阻值为0.0180.02，法国罗兰碳刷其直阻值为0.0020.009，电阻分散性不大即部分碳刷的电阻增大了；将曾经严重过热的碳刷拆下测得电阻值为0.020.3，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，同时也造成了电刷电流
14、分配的不均匀。,Page 23,3碳刷打火的原因,3.3 由于机械及摩擦等原因造成的过热,集电环与电刷过热故障中，很大一部分是由于机械及摩擦等原因导致的过热，在我公司#1#2发电机起机时而未加励磁的情况下（一般定速以后投入励磁系统），曾经发现集电环与电刷温度高，或者在运行中温度过高，一般电刷温度超过100时，拔出几只电刷后，温度反而降低，那就基本可以肯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很复杂，主要有以下几个方面：（1）电刷接触面研磨不良或运行中一次更换过多的电刷。运行中更换电刷，在同一时间内，每个刷架上最多只允许更换电刷总数的1/4左右。换上的新电刷应事先在与集电环直径相同
15、的模型上研磨好，且新旧牌号须一致。如果在大修时一次更换的电刷很多，应当在投运前冲转时，为电刷表面形成氧化膜留够充足的时间。（2）电刷与集电环接触面过小，接触面积一般不应小于单个电刷截面的75。（3）电刷在刷盒中摇摆或动作卡阻。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；部分碳剧由于振动、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，为防止此类现象发生，在安装时一要保证刷握垂直，另外碳刷与刷握之间的间隙应符合产品的规定，当无规定时，其间隙可为0.100.20mm。电刷外形要方正，上下端尺寸误差不得大于0.05mm。（4）刷握与集电环表面间隙过大。由于电刷材质较
16、脆，当刷握与集电环表面间隙过大时，运行中电刷不能整体接触集电环，与集电环呈斜面接触，容易造成电刷崩裂的情况。刷握与集电环表面的间隙应符合产品技术要求，当产品无规定时，其间隙可调整为23mm。调整间隙时，可使用一层23mm厚的橡胶垫附在集电环表面，将刷握抵到橡胶垫上，然后上紧定位螺丝，取出橡胶垫。（5）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，折算后滑环表面圆周速度为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。,Page 24,3碳刷打火的原因,3.4 由于碳刷在运行过程中产生跳振,滑环由
17、于长时间磨损，碳刷压力不均匀以及刷盒安装角度不与滑环垂直，造成圆度和锥度超标，造成碳刷在运行过程中产生跳振现象，我公司一期两台励磁机副励滑环都出现过此类现象。,Page 25,4碳刷打火的预防措施,4碳刷打火的预防措施,Page 26,4碳刷打火的预防措施,4.1 创建电刷表面氧化膜形成和正常工作的条件,氧化膜的形成需要一些条件，当条件不满足时，氧化膜无法形成或形成不良，主要有以下几个原因：（1）温度过高：电刷的氧化膜一般在70左右较易形成，当集电环、电刷出现过热故障时，通常温度都在150以上，在05年夏季#1发电机碳刷严重打火期间，最高曾测得225，此时即便换上新的电刷，氧化膜也不易形成，无
18、法起到润滑作用，电刷磨损将加剧，导致温度继续升高，成为恶性循环。此时可采取外部强迫降温的方法，譬如涂抹凡士林、大功率风扇通风等手段，使集电环温度降到正常范围内，持续一段时间，让电刷表面氧化膜逐渐形成，使之进入良性循环状态。（2）冷却空气中有污染性杂质：空气中的杂质对电刷表面氧化膜的形成将带来不利影响，这些杂质包括：硫化物或卤族元素的腐蚀性气体、空气中油气混合物、粉尘、铁屑、铁锈粉尘、碳粉等其他杂质。我公司1号、2号、5号、6号发电机曾经由于消音罩轴封或轴瓦密封轴封间隙调整不合适和漏油，致使滑环和碳刷上附着油污和粉尘，另外电刷磨损时，本身会产生碳粉的粉尘杂质，可采用在刷架罩冷却通风循环通道上安装
19、过滤装置来改善刷架罩内的空气质量，我公司一期两台发电机均已安装。（3）空气湿度太低或含氧量太低：电刷表面氧化膜的形成需要空气中有一定的水分含量，即空气湿度不能太低，但也不能太高。另外，氧化膜的形成主要与空气中的氧气发生氧化作用而产生，当含氧量过低时也不利于氧化膜的形成。,Page 27,4碳刷打火的预防措施,氧化膜无法形成或形成不良除与上述因素有关外，表面光洁度还有电刷过度研磨、使用溶剂（清洗剂）进行擦拭、集电环不良以及碳刷材质不合格等原因。,Page 28,4碳刷打火的预防措施,4.2 严格控制电刷及刷架产品的质量,目前，同一品牌的电刷，都是在各个不同的地方、不同的工厂加工的。这就要求我们在
20、进货过程中对产品质量严格把关，对生产厂家的工艺和质量检测手段及程序进行了解。（我公司曾经因为碳刷质量问题而造成滑环磨损导致碳刷打火）,Page 29,4碳刷打火的预防措施,4.3 生产运行中加强对集电环及电刷的维护管理,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。加强电刷、集电环系统的专职维护制度，提高专责人的技术水平。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1090A，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。消除碳刷太短、电阻值变大、卡阻、阶梯形四面体等现象。,Page
21、 30,4碳刷打火的预防措施,4.4 避免碳刷在运行中出现跳振现象,有时因为机组振动或滑环表面光洁度不良而造成碳刷跳动，后果一是容易造成碳刷边角脆裂，二是造成碳刷单边磨损犯卡过热，此时可采取在碳刷和压簧之间加装楔形垫片，使碳刷的受力方向与发电机旋转方向相反，可避免碳刷在运行中出现跳振现象，但是在机组振动良好或滑环氧化膜形成之后，应分批将加装的楔形垫片一一取下，并更换上新的碳刷。,Page 31,4碳刷打火的预防措施,4.5 确保滑环和碳刷清洁,对于运行中因消音罩轴封或轴瓦密封轴封间隙调整不合适和漏油，致使滑环和碳刷上附着油污和粉尘，在平时应该勤维护和吹拂清扫，并对滑环冷却风道的滤网定期清扫，确
22、保滑环和碳刷清洁。,Page 32,4碳刷打火的预防措施,4.6 保证滑环的圆度和锥度合格,如果运行过程中碳刷出现跳振情况，待停机时检查滑环的圆度和锥度是否合格，如果超标要进行车削处理，（1号2号励磁机副励滑环都曾经车削过）,Page 33,5 碳刷的日常维护及调整,5 碳刷的日常维护及调整,Page 34,5 碳刷的日常维护及调整,5.1 日常 更换和调整发电机碳刷应注意的事项：,（1）严禁两人同时工作；（2）工作时必须将衣服和袖口扣好，以免被转动部分绞伤；（3）工作时站在绝缘垫上；（4）严禁同时触摸两极或一极对地（防护罩）；（5）同一机组应使用同一型号碳刷；（6）在碳刷上部低于刷握或与刷握
23、一样平时应立即更换。,Page 35,5 碳刷的日常维护及调整,5.2 如何打磨发电机碳刷,（1）以前D172型碳刷来看均偏厚，所以使用前均需进行打磨 打磨至碳刷在刷握内能上下自如（一般经验碳刷在刷握内与四周 间隙均在0.2mm即可）：如打磨过多，碳刷在刷握内晃动，易破损，还可造成接触面过小而发热，打磨过少时又容易造成碳刷膨胀后卡 涩；（2）打磨碳刷底部弧形与中压自动主汽门圆柱弧形差不多，所以在打 磨底部弧形时，用砂布垫在永磁机定子外部相对的位置（个人经验）；（3）打磨好的碳刷放入相应的刷极握内用手顶紧，检验接触面是否合适直至接触面大于70%即认为合格。,Page 36,5 碳刷的日常维护及调
24、整,5.3 如何更换碳刷？,新碳刷的检查外观 1、料件无混装、错装现象；2、制件表面应色泽均匀，材质统一；3、无破损，裂痕，缺料等现象；4、接线片等冲压件修整干净，无明显毛刺；5、碳刷辫缠绕齐整，无散线现象；碳刷辫填冲检查 1剖体检查，填碳刷辫埋深度小于5MM；2碳刷辫填埋部分应整齐、有序；3碳刷体与碳刷辫间能承受15N的拉力；,Page 37,5 碳刷的日常维护及调整,更换步骤（首先使用防护罩将两级分开）1）先取下需更换碳刷的弹簧夹，然后将碳刷从刷握中取出放在手中，再用工具将接头螺栓拧松后取下；（2）将打磨好的碳刷放在刷握内活动自如，且接触面大于70%时，取 回手中将其软线与碳刷铝排上紧后，
25、才能将碳刷放入刷握中，再上紧簧夹，以免更换碳刷时造成冒火；,Page 38,5 碳刷的日常维护及调整,5.4 碳刷冒火时的调整 碳刷冒火的原因,主要有两种：一是因流过碳刷的电流过大引起，二是因碳刷卡涩间断与滑环接触引起，所以针对不同原因进行调整：（1）因电流过大引起冒火处理先视情况：若有温度低、不冒火、不卡涩的碳刷，在其间换上新的弹簧夹，增大压力，强迫冒火碳刷的电流转移，这样冒火现象基本消失；若有温度低、不冒火但有卡涩的碳刷，则先逐个取下打磨至其在刷握内能活动自如，碳刷冒火也基本消失；（2）碳刷卡涩、间断与滑环接触面冒火的处理：先检查其他碳刷接带负荷正常（主要用手触摸软线温度正常即可），取下卡
26、涩碳刷进行打磨至在刷握内活动自如，又不要在刷握中晃动过大，或碳刷重新换方向放入刷握内，这样冒火也基本能消除。,Page 39,5 碳刷的日常维护及调整,5.5 发电机碳刷温度高和破损的处理,1、发电机碳刷温度高的原因：,1）冷却装置故障，使碳刷与滑环产生的热量不能及时散出温度高；（2）励磁系统过负荷使碳刷温度高；（3）碳刷与滑环接触面过小造成温度高；（4）滑环风孔堵塞造成温度高；（5）碳刷本身质量问题引起温度高。,Page 40,5 碳刷的日常维护及调整,5.5 发电机碳刷温度高和破损的处理,2、处理方法：,1）因冷却装置原因引起如吸风口外破或风道堵塞，可先采用外部冷却方式强制冷却后，尽快修理
27、好风机或疏通风道，进行封堵时不能让风短路或漏风现象；（2）励磁系统过负荷时应立即联系调整励磁系统电流；（3）因碳刷与滑环接触面过小时，先将碳刷仔细调整和打磨，使接触面增大；（4）若因滑环风孔堵，先采用压缩空气进行吹扫或用外部其他冷却方式进行降温，待停机后再组织疏通；（5）因碳刷质量原因引起因尽快将新碳刷换上，并严格把好质量关。,Page 41,5 碳刷的日常维护及调整,5.5 发电机碳刷温度高和破损的处理,3、碳刷破损处理，针对引起原因分别进行处理：,1）碳刷温度高发生破损立即查找温度高的原因并消除，将破损碳刷换下后，必须精心进行调整；（2）碳刷未打磨好发生破损如打磨时碳刷弧度小，应重新打磨，
28、使碳刷在刷握内活动自如，无振动现象；（3）因机组振动大，碳刷有卡涩现象导致碳刷破损，应尽快重新打磨和调整碳刷，使碳刷在刷握内活动自如，机组冲转达临近界转速时应尽快仔细检查碳刷情况，保证不能有跳动现象；（4）碳刷质量差发生的破损应尽快进行更换，保证碳刷质量。,Page 42,结 束 语,加强碳刷管理，建立发电机 励磁机碳刷维护检查制度，责任明确落实到人。及时更换已经磨短的碳刷，发电机组运行时应不定期地碳刷之间负载电流分配情况和碳刷的弹簧压力进行测量和检查，对需要更换的碳刷备品进行仔细检查，保证每块碳刷质量良好，换上去后使用时正常可靠。同时对刷握的内壁检查和清理，对不光滑和有毛刺处应打磨平整。对于碳刷打火现象应该引起高度的重视。,谢谢大家！,
