汽輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)、碳刷發(fā)熱原因分析

曹鳳波,宋強(qiáng)義

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150040）

集電環(huán)、碳刷是發(fā)電機(jī)動靜接觸和交換能量的關(guān)鍵部件,在實(shí)際運(yùn)行中,碳刷與集電環(huán)發(fā)熱現(xiàn)象極為普遍,如不能及時處理,將引起集電環(huán)燒損惡性事故。

1 機(jī)組概況

1.1 機(jī)組主要參數(shù)

額定轉(zhuǎn)速：3 000 r/m in

有功功率：300 MW

功率因數(shù)：0.85

額定勵磁電壓：365 V

額定勵磁電流：2 642 A

1.2 集電環(huán)及刷架結(jié)構(gòu)

某發(fā)電廠300 MW發(fā)電機(jī)組勵磁方式為靜止型勵磁系統(tǒng),發(fā)電機(jī)刷架與導(dǎo)電環(huán)為合二為一的整體結(jié)構(gòu),每個導(dǎo)電環(huán)由兩瓣拼成,選用優(yōu)質(zhì)的鑄硅黃銅材料。集電環(huán)外圓周表面開有螺旋溝,沿集電環(huán)圓周有斜的通風(fēng)孔,每個導(dǎo)電環(huán)分別裝設(shè)恒壓式刷握和碳刷。運(yùn)行中碳刷與集電環(huán)采用強(qiáng)制通風(fēng)冷卻,冷風(fēng)由2個集電環(huán)的外側(cè)導(dǎo)入,熱風(fēng)由裝在轉(zhuǎn)子上的2個并聯(lián)的離心式風(fēng)扇帶出。進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)均由管道引至廠房外部,發(fā)電機(jī)刷架裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 集電環(huán)及碳刷運(yùn)行要求

a.集電環(huán)表面應(yīng)形成均勻光澤的氧化膜。

b.集電環(huán)表面無凹坑等缺陷。

c.碳刷與集電環(huán)均勻接觸達(dá)90%以上。

d.碳刷無跳動、破損等。

e.集電環(huán)和碳刷運(yùn)行溫度應(yīng)在90℃以下。

圖1 發(fā)電機(jī)刷架裝配結(jié)構(gòu)

2 事故情況

2.1 事故經(jīng)過

2009年10月4日20：00,某發(fā)電廠300 MW發(fā)電機(jī)組有功功率10 MW、無功功率70 Mvar、勵磁電流1 500 A時發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)外側(cè)集電環(huán)和碳刷發(fā)熱,但電刷沒有打火現(xiàn)象,集電環(huán)最高溫度達(dá)130℃,碳刷最高溫度達(dá)180℃,而內(nèi)側(cè)集電環(huán)溫度僅有60℃。隨后機(jī)組降低負(fù)荷至有功功率2.5 MW,同時將隔音罩門敞開,并外接風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制冷卻,但集電環(huán)發(fā)熱狀況沒有緩解,機(jī)組被迫于10月5日0：00停機(jī)。

2.2 檢查結(jié)果

2.2.1 碳刷

檢查發(fā)現(xiàn)碳刷與外側(cè)集電環(huán)頂部配合的電刷頂側(cè)崩損（見圖2）。

2.2.2 集電環(huán)

a.外觀檢查

集電環(huán)表面沒有明顯劃痕,但局部有發(fā)藍(lán)痕跡） （見圖3）。

表1 集電環(huán)橢圓度及尺寸

圖4 刷架底部混風(fēng)

圖5 混風(fēng)示意圖

b.測量尺寸

現(xiàn)場使用千分尺測量集電環(huán)外徑。檢查集電環(huán)尺寸有無偏差,測量結(jié)果如表1所示。

c.通風(fēng)回路

檢查發(fā)現(xiàn)施工期間刷架底部冷熱風(fēng)道沒有有效封堵（如圖4、圖5所示）,在刷架底板下部存在嚴(yán)重混風(fēng)情況。

3 事故原因及處理措施

3.1 原因

通過檢查分析可以判定,造成集電環(huán)和碳刷發(fā)熱的主要原因是通風(fēng)不良和冷、熱風(fēng)混風(fēng)所致。

集電環(huán)發(fā)熱是由集電環(huán)自身電阻發(fā)熱量Q11、碳刷接觸壓降發(fā)熱量Q22、碳刷熱傳導(dǎo)熱量Q33構(gòu)成。集電環(huán)總發(fā)熱量為

在集電環(huán)發(fā)熱總量中,集電環(huán)自身電阻發(fā)熱Q11所占比例較小,可以忽略,因此,集電環(huán)的發(fā)熱由碳刷的發(fā)熱量決定,集電環(huán)溫度隨碳刷溫度的變化而變化。當(dāng)冷、熱風(fēng)混風(fēng)和通風(fēng)不良時,碳刷熱量不能有效散發(fā),導(dǎo)致碳刷溫度和集電環(huán)溫度升高。

運(yùn)行中集電環(huán)和碳刷常見的故障為發(fā)熱、產(chǎn)生火花、燒損電刷刷握及集電環(huán)。產(chǎn)生過熱故障的原因主要有以下幾方面。

a.通風(fēng)不良

通風(fēng)不良主要是因?yàn)槔鋮s風(fēng)道、集電環(huán)表面通風(fēng)溝及通風(fēng)孔堵塞,循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量下降。當(dāng)運(yùn)行中集電環(huán)表面溫度過高時,導(dǎo)致電刷磨損加劇,碳粉積聚增加,堵塞集電環(huán)表面的散熱通道。

b.接觸電阻過大或分布不均勻

集電環(huán)和電刷是通過相互滑動接觸導(dǎo)通勵磁電流,每個集電環(huán)上分布數(shù)十只電刷,由于接觸電阻不同、電流分配差異而導(dǎo)致發(fā)熱不均勻。

c.機(jī)械摩擦

集電環(huán)與電刷過熱故障中大部分是由于機(jī)械摩擦等原因造成。如果在開機(jī)時未加勵磁就發(fā)現(xiàn)集電環(huán)與電刷溫度高或運(yùn)行中溫度過高,拔出幾只電刷后,溫度反而降低,基本可以判斷為機(jī)械摩擦導(dǎo)致。

3.2 處理方法

a.對風(fēng)道進(jìn)行有效隔離和整改。

b.對刷架上需焊接的角鐵進(jìn)行焊接。

c.用砂紙的本面打磨外側(cè)集電環(huán),去除高點(diǎn)和氧化膜。

d.測量轉(zhuǎn)子的直流電阻,并與出廠值比較,使其在合格范圍內(nèi)。

e.機(jī)組啟動時通過勵磁系統(tǒng)給集電環(huán)表面提供一定的小電流,保證集電環(huán)形成氧化膜。

4 維護(hù)及注意事項(xiàng)

a.檢查集電環(huán)上的碳刷有無冒火現(xiàn)象,如出現(xiàn)火花應(yīng)進(jìn)行處理。碳刷發(fā)生火花的原因和消除方法如表2所示。

表2 碳刷發(fā)生火花的原因和消除方法

b.經(jīng)常檢查碳刷的活動情況。用提刷的方法檢查碳刷在刷握內(nèi)上下活動是否自由、有無卡刷、碳刷是否焊附在刷握壁。當(dāng)發(fā)生卡刷和碳刷焊附現(xiàn)象時,應(yīng)立即研磨碳刷,清理刷握內(nèi)壁,使碳刷恢復(fù)上下自由活動能力。

c.經(jīng)常檢查刷辮是否完好、碳刷是否脫辮、導(dǎo)線是否氧化及燒斷股線、接觸是否良好、有無過熱現(xiàn)象,如出現(xiàn)發(fā)黑或燒傷等現(xiàn)象,應(yīng)更換碳刷。

d.檢查碳刷有無顫振。集電環(huán)磨損不均、碳刷松弛、機(jī)組振動等將引起碳刷顫振,此時必須將碳刷從刷握中拔出,檢查是否有損壞情形,查明顫振原因并消除。為減小振動,刷握最低點(diǎn)距離滑環(huán)3 4mm,既能保證足夠間隙裕度,又可減小振動。

e.檢查刷握和刷架有無積垢,定期用刷子掃除或吹風(fēng)機(jī)吹凈。每次停機(jī)時應(yīng)清除集電環(huán)通風(fēng)溝、孔內(nèi)碳塵物,防止影響散熱及通風(fēng)效果。

f.控制碳刷電流分配和溫度變化。配備直流鉗形電流表和遠(yuǎn)紅外測溫儀,定期測量和掌握集電環(huán)表面有無過熱現(xiàn)象,其溫度應(yīng)＜120℃。每個碳刷電流控制在20 100 A,及時消除電流不平衡、氣膜、氧化膜、卡阻等現(xiàn)象,保證碳刷在良好平衡狀態(tài)工作。

g.檢查碳刷磨損程度。刷塊邊緣是否剝落,如果碳刷磨損嚴(yán)重或刷塊有剝落,必須更換。正常運(yùn)行中碳刷磨損掉1/3或碳刷在刷握內(nèi)有搖擺,應(yīng)及時更換。消除碳刷太短、電阻值變大、卡阻、階梯形四面體等現(xiàn)象。

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