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17mm，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。
2 RAM系统励磁介绍
2.1 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。
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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、V1、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。
2.2 发电机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 32×20×32，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。
3 励磁碳刷磨损过快问题解析
3.1 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：
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（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：
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3.2 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。①发电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；②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；③新碳刷在刷架内可自由无卡涩滑动；④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；⑤滑环表面已倒角，检查无毛刺；⑥滑环同心度满足小于0.03mm要求；⑦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，采集厂房内近1年的湿度参数，如下表3所示。
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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。
3.3 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。
4 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。
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