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1、小型发电机励磁碳刷磨损过快问题解析摘要： 核电厂内的控制棒驱动机构电源系统 RAM 采用有刷励磁系统，并采 用两台发电机并联冗余运行方式，由于发电机励磁结构的特殊性，需定期更换磨 损较短的励磁碳刷。按技术要求，励磁碳刷应能满足 4000h 的磨损时间，但根据 运行数据观察，碳刷在夏季时，经常出现磨损 1 个月就达到更换标准的情况。针 对励磁碳刷磨损过快的现象，本文将通过分析发电机励磁系统碳刷的工作原理以 及影响因素，给出相应的处理措施，以减轻历次碳刷的磨损情况。关键词：电源；冗余；碳刷；磨损1.引言控制棒驱动机构电源系统（RAM）发电机采用有刷励磁方式，根据相关文件 要求，励磁碳刷磨损至17m
2、m，将对碳刷进行更换，且碳刷应能满足4000h运行需 求，但每 2-3 个月需对励磁碳刷极性进行调换，因此根据现场实际运行情况，将 碳刷长度报警值设定在20mm，每3个月进行一次碳刷极性调换，同时对励磁碳刷 进行更换，但现场出现过励磁碳刷磨损 1 个月就达到报警极限的情况，导致机组 频繁起停，使发电机组冗余性降低，增加跳堆风险。本文将结合励磁碳刷磨损机 理以及维护保养过程中的注意要素给出发电机碳刷磨损过快的原因分析以及处理 措施。1.RAM 系统励磁介绍1.发电机励磁系统原理简述RAM励磁系统原理图，如下图1所示。图1 RAM励磁系统一次简图发电机为凸极电机，三相输出，定子采用曲折双绕组接线方
3、式；发电机绕组 引出线首端经过三相变压器连接到发电机绕组引出线接线柱上（U1、VI、W1）, 同时发电机绕组引出线末端也经过此三相变压器连接到（U2、V2、W2），定子内 部首端侧绕组并联于电抗器与三相变压器串联的绕组上，形成闭合回路作为相位 补偿。励磁调节器可实现电压快速、高精度调节。励磁调节器通过采集发电机机端 电压，与设定电压比较后，通过内部励磁卡件整流，输出直流电压，并通过发电 机励磁端磁饱和线圈进行分流，实现磁饱和线圈励磁增减。同时，三相变压器为 外部整流组件提供输入电源，整流成直流后，通过励磁碳刷为发电机转子提供励 磁电流，来调节转子磁场强弱，达到输出电压调节的目的。1.1.发电机
4、励磁碳刷磨损机理介绍RAM系统中使用的碳刷规格为EG 34 D 32X20X32，碳刷材质为无铜石墨碳 刷，碳刷本体有通风散热槽，防止碳刷流过电流使碳刷本体过热。发电机励磁碳刷磨损机理，主要反映在电气磨损与机械磨损两方面，当电流 由碳刷流向滑环时，此时碳刷为正极，滑环为负极，则结果是：碳刷面上发生微 小程度的阳极蒸发，碳粒、石墨离子迁移到滑环表面，碳刷有电气磨损。滑环表 面有轻微的阴极粉化，并附着碳粒、石墨，成润滑、光泽的镜面。由于滑环表面平滑，机械磨损较小。当电流由滑环流向碳刷时，此时碳刷为负极，滑环为正极 则结果是：碳刷面上发生阴极粉化，电气磨损小。滑环表面发生阳极蒸发。大量 金属蒸发，使
5、其表面损蚀严重，同时，这些金属粒子也易附于碳刷磨损面上，反 过来会使换向器表面严重磨损，出现条痕。这种情况下，滑环表面粗糙，呈金属 光亮，面间机械磨损大。1.励磁碳刷磨损过快问题解析1.造成励磁碳刷磨损因素 根据现场实际情况，造成碳刷磨损过快的原因主要有三方面，机械因素、电气因素、环境因素。（1）机械相关因素主要如下表 1 所示：表 1 碳刷磨损机械因素滑环情况安装位置新碳刷表面研磨弧滑环表面摩擦度是否与滑环相贴合系数是否在 0.8-1.2之间滑环与刷架的距离滑环表面必须滑环表面垂直度是否W0.03mm碳刷在刷架内活动滑环表面是否是否平滑，且无间隙 有杂质碳刷在滑环上的弹簧压紧力需在11.5N
6、左右（2）影响碳刷磨损的环境因素主要有二点：1、空气中是否含有硅元素或溶 剂；2、环境是否过于干燥或潮湿。（3）影响碳刷磨损过快的电气方面因素，如下表 2 所示：表 2.碳刷磨损电气因素电气量检查运行情况检查电流密度是否大于是否将近 2个月12A/cm进行碳刷极性调换检查励磁电流是否是否每个月进行存在 5/7/9 次谐波碳刷长度检查碳刷磨损过快的原因分析发电机励磁碳刷应满足4000小时（5个月）的磨损时间，但现场RAM系统励 磁碳刷磨损将近一个月就达到预警值20mm （碳刷总长度32mm），远未达到碳刷 的使用寿命。针对现场励磁碳刷磨损过快的原因分析分析如下：（1）发电机碳刷安装方式分析。发电
7、机励磁碳刷安装已按要求进行安装， 新碳刷使用砂纸在轴上进行研磨，使碳刷表面大于三分之二的面积完全贴合滑环 表面；滑环表面与刷架之间的距离控制在3mm以内，且刷架尽可能垂直滑环表 面；新碳刷在刷架内可自由无卡涩滑动；新安装的碳刷使用弹簧秤进行压紧 力测量，在11.5N左右，满足程序要求；滑环表面已倒角，检查无毛刺；滑 环同心度满足小于0.03mm要求；滑环表面光洁度，手触有涩感。（2）环境因素影响分析。针对环境相关影响因素，现场机组运行期间未使 用易挥发性的容积，但是环境湿度随着季节变化影响较大，同时厂房通风系统灰 尘较大，通过发电机进风可流入发电机励磁端以及发电机膛内。根据现场环境情 况，采集
8、厂房内近1年的湿度参数，如下表3所示。表3.碳刷磨损环境因素Tab.1 Environmental factors of brush wear日34月5月6月7月24期月9日16日15日25日日湿度(%)232239.841.454.8日 8 9 月 10 11 月12 月 26期月 20 日26 日月 29 日27 日日湿度%57.156.323.524.217.1日12月3月期月2220日3日湿度18.18.（%）9218.6如上表所示，每年的 6 月份至 9 月份，厂房湿度较大在 55%左右，同期对比 碳刷磨损过快的日期正好在 6 月份至 9 月份之间。所以判断厂房湿度对碳刷磨损 影响很
9、大，符合环境因素对碳刷磨损作用预期。（3）励磁电流对碳刷磨损分析。由于两台发电机运行方式为并列运行方式 同时平均分配有功与无功功率，但是由于 RAM 系统的特殊性，异步电动机拖动发 电机运行，且电动机与发电机之间又有惯性飞轮，所以发电机的转速是在不断的 变化，导致有功功率一直处于波动状态，由于转速变化引起的发电机输出电压变 化，所以励磁调节响应，导致无功功率分配不均，但励磁电流相差不大，最大相 差2A左右，2A的相差对碳刷磨损量来说微乎其微。综上，造成碳刷磨损过快的原因如下：主要原因：滑环表面不光洁，较涩，增大碳刷摩擦，使碳刷较快。根本原因：每年 6 月份至 9 月份，由于厂房湿度增大，通风系
10、统的灰尘以及 碳刷磨损的碳粉会更有利于附着在滑环表面，滑环表面再叠加碳刷与滑环之间的 “阳极蒸发”与“阴极粉化”作用，使滑环表面不光洁，较涩。促成因素：发电机励磁电流存在差异，正常励磁电流在 50A 左右，但碳刷磨 损较快的发电机在 52A 左右，根据计算，此碳刷能承受 72A 左右电流，所以电流 的微小差异不是根本原因，但可以成为促成因素。1.1.碳刷磨损过快的处理措施针对上述碳刷磨损过快的原因分析，现场进行处理措施如下：（1）对发电机滑环进行定期打磨，并进行抛光处理；（2）针对厂房的通风灰尘较大问题，对通风孔进行增加滤网工作；（3）对厂房增加除湿装置，保持在湿度在20%30%之间；（4）完
11、善安装工艺，按要求进行刷架与碳刷安装。（5）针对励磁电流存在的差异，由于励磁电流对碳刷影响较小，暂无法调 整平衡，每次大修后，要求在空载合环时进行无功功率调整。1.结束语本文通过对发电机的励磁原理，碳刷磨损机理，分析了造成碳刷磨损因素， 同时给出了 RAM 系统碳刷磨损的原因分析。通过对发电机现场运行工况研究，给 出相应处理措施。通过本文对碳刷磨损过快的原因分析，不仅可使用于此类发电机，同时也适 用于其他带碳刷的电机，具有一定的推广性与借鉴意义。参考文献：1.EQUIPMENT OPERATION AND MANTENANCE MANUAL FOR REGULATORS RG20 05N.20112.赵文钦，阮震中.矢量法改进复合式相复励发电机调压特性中小型电机 2003，30：79-82.3.黄曼磊柴油发电机组H2励磁控制器的研究中国造船，2009.
小型发电机励磁碳刷磨损过快问题解析
