一、引言

在水电站发电机的运行体系中，碳刷与集电环构成的滑动接触组件，承担着将励磁电流传输至转子绕组的核心功能。该部件长期工作于高转速（通常为300-750 r/min）、变负载及可能受到润滑油污染的恶劣工况下，极易出现各类异常。行业统计表明，因碳刷异常引发的发电机非计划停机事件占比高达18%-25%，不仅造成巨大的发电量损失，还可能引发集电环磨损、转子绝缘损坏等次生故障，严重威胁机组安全[1]。

碧口水电站3号机组（额定功率110MW，额定励磁电流1218A）自2022年以来，碳刷异常问题频发。2022至2024年间，累计发生碳刷过度磨损23次、火花超标导致停机2次、局部过热烧损1次，对机组的稳定运行构成了严重挑战。经初步排查，上述问题与机组上导轴承油槽密封失效导致的甩油现象密切相关。为此，本文以该机组为具体研究对象，系统性地剖析碳刷异常的深层原因，并据此提出一套综合性的优化策略，旨在为解决同类问题提供具有实用价值的参考。

二、发电机碳刷典型异常现象及危害

（一） 典型异常现象

根据现场运维记录，碳刷异常主要呈现以下三类特征：

1. 磨损过快：正常情况下，碳刷磨损速率约为0.1-0.3 mm/100h。当实际磨损速率超过0.5 mm/100h时，即被视为异常。此问题导致碳刷更换频繁，不仅增加了运维成本，也提高了非计划停机的风险。

2. 火花超标：依据GB/T 755-2019《旋转电机 定额和性能》标准，碳刷与集电环接触处的火花等级应控制在1级（无可见火花）。当火花达到2级（局部有微弱火花点）及以上时，极易灼伤集电环表面，破坏其光洁度。

3. 过热烧损：碳刷的正常工作温度范围通常在60-80℃之间。当温度持续超过100℃时，碳刷会出现碳化、开裂现象，严重时甚至冒烟、烧熔，可能引燃周边的油泥及绝缘材料，造成重大事故。

（二） 异常运行的危害

碳刷异常运行所带来的危害是多方面的：

1. 设备损伤：长期的火花超标会在集电环表面形成难以修复的螺旋状沟槽，增大接触电阻，从而引发过热，进一步加速碳刷与集电环的磨损，形成恶性循环。此外，油泥覆盖集电环表面，会加剧电弧灼伤和表面不平度。

2. 供电中断：碳刷的突然烧损或断裂可能导致励磁回路开路，触发发电机的失磁保护，造成机组紧急停机，直接影响电网的供电可靠性。

3. 经济损失：以碧口水电站3号机组为例，单次因碳刷异常导致的停机处理时间约为2-4小时。按当地上网电价0.17元/kWh计算，单次故障的发电量损失约为22-44万kWh，直接经济损失高达3.74-7.48万元人民币。频繁的清洁和更换工作也大幅增加了人工和物料成本。

三、发电机碳刷异常原因深度分析

基于碧口水电站3号机组的运行数据，采用故障树分析法（FTA）对碳刷异常进行逐层拆解，将其核心成因归纳为以下四个方面：

（一）碳刷选型与机组适配性不足

碳刷的材质与物理性能必须与发电机的额定电流、转速及负载特性精确匹配。现场调查发现，2022年更换的某批次碳刷（型号J164）存在选型问题。其标称电阻率（15μΩ·m）高于机组的设计要求（≤12μΩ·m），且洛氏硬度（HRR 65）低于标准值（HRR 70-80）。在高励磁电流工况下，过高的接触电阻导致焦耳热效应显著，引起局部过热，从而加速了碳刷的磨损[2]。在油泥环境下，选型不当的碳刷其性能劣化速度会进一步加快。

（二）安装工艺精度不达标

碳刷的安装质量直接决定了其与集电环的接触稳定性。现场检查发现了三个主要问题：

1. 碳刷压力不均：标准要求碳刷弹簧压力为15-20N，但实测部分碳刷压力仅为8-12N。压力不足导致接触不良，易产生火花。

2. 中性线位置偏移：碳刷架的中性线偏离了集电环的几何中心约2-3mm，导致碳刷在换向过程中产生附加电势，引发换向火花。

3. 碳刷间隙超标：碳刷与刷握内壁的标准间隙应为0.1-0.3mm。部分碳刷间隙达到0.5-0.8mm，运行中产生径向晃动，严重破坏了电流传导的稳定性。油泥渗入超标间隙后，极易引起碳刷卡涩，使上述问题恶化。

（三）维护周期与方式不合理

1. 维护间隔过长：原规程规定的1500小时维护周期与实际情况不符。运行超过1000小时后，集电环表面累积的碳粉与油泥混合形成的硬质油垢厚度增加，显著增大了接触电阻和发热。

2. 清洁方式不当：对于油泥，简单的吹扫或擦拭效果有限。 维护人员曾使用压缩空气直接吹扫，此举极易将磨粒性的碳粉和油泥压入集电环表面的微沟槽中，变相成为“研磨剂”，加剧了磨损。规范的清洁需要专用清洗剂彻底清除油污。

（四）运行环境因素干扰：上导油槽甩油形成油泥

水电站立式机组的结构特点使得发电机上部的导轴承（上导）油槽与下部的集电环-碳刷装置距离较近。现场检查发现，碧口水电站3号机组存在上导油槽密封不良导致的轻微甩油现象。透平油在机组运行中被甩出，挥发后的油蒸气与集电环磨削产生的碳粉混合，凝结后附着在集电环表面、刷握及碳刷上，形成粘稠的导电性油泥。

这种油泥环境对碳刷运行危害极大：

1. 绝缘劣化：油泥在碳刷刷握间形成导电桥，导致刷握绝缘下降，易引发对地放电或短路风险。

2. 接触不良：油泥附着在集电环表面，破坏了碳刷与集电环之间洁净的金属-石墨接触面，增大接触电阻，导致发热加剧和火花产生。

3. 卡涩与磨损：油泥渗入碳刷与刷握的间隙中，冷却后粘性增大，易导致碳刷在刷握内上下移动卡涩，打破压力平衡，造成某些碳刷过载而异常磨损，同时加剧集电环的不均匀磨损。

四、发电机碳刷运维优化策略

针对上述成因，本文从五个维度提出系统性优化方案，并于2023年6月在碧口水电站3号机组上实施验证：

（一）精准选型：匹配机组工况特性

1. 材质选型：将碳刷更换为D374B型号。该型号电阻率（≤10μΩ·m）、硬度（HRR 75）和导热性（1.8 W/(m·K)）均更适配高电流工况，且其材质结构更不易吸附油污，能满足1200A励磁电流的长期稳定运行。

2. 批次检测：建立入库检验制度，对新采购的碳刷批量抽样，检测其电阻率、硬度、抗压强度等关键参数，坚决拒收不合格批次，从源头保证质量。

（二）规范安装：严控工艺精度

1. 压力校准：配备弹簧测力计，在安装时对每只碳刷的压力进行逐一校准，确保全部压力值严格控制在15-20N范围内，偏差不超过±1N。

2. 中性线校准：采用“直流压降法”等精密方法对碳刷架的中性线进行校准，确保其与集电环几何中心对准，将换向附加电势控制在5V以内。

3. 间隙控制：安装前预先筛选碳刷，严格使用与刷握间隙在0.1-0.3mm范围内的碳刷，杜绝运行时因晃动导致的接触不良，并减少油泥卡涩的空间。

（三）优化维护：科学设定周期与方式

1. 缩短维护间隔：将预防性维护周期从1500小时优化至1000小时，并在每次维护时彻底清洁集电环表面和刷握内部的油泥和碳粉。

2. 规范清洁流程：明文规定禁止使用压缩空气吹扫。制定专项油泥清洁规程：首先使用金属专用清洗剂（如丙酮或专用电气设备清洗剂） 彻底软化并清除油垢，再用无尘布擦拭干净，最后用无水乙醇清除残留，确保接触面洁净干燥。清洁后，使用表面粗糙度仪检测，确保集电环表面粗糙度Ra值不高于0.8μm。

（四）环境治理：根治油污源，杜绝油泥形成， 针对上导甩油形成的油泥问题，需从源头进行根治：

1. 根治甩油源：停机彻底检修上导油槽密封。更换老化的密封件（如毛毡密封、橡胶密封圈），检查并调整油槽盖板结合面的平整度，使用高性能密封胶确保密封严密，从根本上杜绝润滑油外泄。这是最根本的解决措施。

2. 加装隔离装置：在集电环区域上方（靠近上导油槽处）加装高效、耐油的挡油罩和防油雾隔离套，形成物理屏障，有效阻挡可能下落的油滴及油蒸气，为碳刷系统创造一个干燥、洁净的运行环境。

（五）在线监测：实时掌握运行状态 加装一套在线监测系统，实时采集每只碳刷的温度（报警阈值100℃）和火花状态（报警阈值1.5级）。数据接入电站监控系统，实现超限自动报警，推动运维模式由“定期预防”向“状态预警”转变，做到异常早发现、早处理。监测系统本身的传感器和线路也需做防油污处理，确保其长期可靠。

五、优化方案应用效果

自2024年12月实施优化方案以来，碧口水电站3号机组的运行数据发生了显著改善：

1. 异常故障率显著下降：2025年1月至2025年7月的统计期内，碳刷异常次数由优化前的年均9次降至6次，故障率同比下降33%。尤为重要的是，因油泥导致的故障归零。

2. 维护周期有效延长：碳刷的平均磨损速率由0.52 mm/100h降至0.26 mm/100h，单次维护周期可从1000小时延长至2000小时，大幅减少了停机维护时间。集电环表面保持光洁，无需再频繁处理油垢。

3. 运行参数保持稳定：碳刷工作温度稳定在65-75℃的优良区间，火花等级持续控制在1级以内，集电环表面光洁，无新增明显磨损痕迹。

4. 维护成本降低：在彻底治理油污后，维护时不再需要大量消耗清洗剂，清洁工作的效率和效果大幅提升，降低了物耗和人工成本。

六、结论与展望

本文通过深入分析水电站发电机碳刷异常的多重成因，证明该问题是一个由选型、安装、维护、特别是关键的环境因素（上导甩油） 等多因素耦合导致的系统性问题。据此提出的“选型-安装-维护-环境治理-监测”全流程优化策略，在实践中取得了显著成效。结论表明，只有进行系统性的综合治理，尤其要根治如甩油之类的源头性故障，而非孤立地改进单个环节，才能有效根治碳刷异常问题。

展望未来，建议进一步探索“智能运维”模式。通过集成在线监测数据、历史维护记录与运行工况（负载、转速等），利用大数据和机器学习算法分析碳刷的磨损规律，构建预测性维护模型，最终实现碳刷的“按需更换”，从而进一步提升水电站励磁系统乃至整个发电机组的运行可靠性与经济性。

参考文献

[1] 中国电机工程学会. 电力设备运维技术手册（旋转电机分册）[M]. 北京：中国电力出版社，2022: 189-205.

[2] GB/T 755-2019，旋转电机 定额和性能[S]. 北京：中国标准出版社，2019.

[3] 王建国, 李娜. 水轮发电机碳刷火花超标原因分析及处理[J]. 水电站机电技术，2021，44(8): 45-47.

[4] 张伟, 刘强. 立式水轮发电机上导轴承甩油原因分析及处理[J]. 水电与抽水蓄能，2020，6(3): 88-91.

[5] 张文元. 发电机碳刷及滑环的运行维护［J］. 山西电力，2002

作者简介：蒲世彪，男，汉族，大学本科学历，大唐甘肃发电有限公司碧口水力发电厂安监部主任。