某電廠300MW發(fā)電機(jī)組碳刷滑環(huán)燒損原因分析及對(duì)策

摘 要：碳刷滑環(huán)是發(fā)電機(jī)靜止勵(lì)磁部分與旋轉(zhuǎn)部分的接口部件，運(yùn)行中如果維護(hù)不當(dāng)易出現(xiàn)環(huán)火事件，本文對(duì)某電廠300MW發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)碳刷滑環(huán)燒損經(jīng)過(guò)、原因進(jìn)行了分析探討，給出了防范對(duì)策。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī) 滑環(huán) 碳刷 環(huán)火 防范措施

中圖分類號(hào)：TM31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）10（a）-0111-02

1 簡(jiǎn)要介紹

某電廠#2發(fā)電機(jī)組是東方電機(jī)廠制造的300MW發(fā)電機(jī)，冷卻型式為水氫，即定子線棒為水內(nèi)冷，定子鐵芯和轉(zhuǎn)子氫冷。該型發(fā)電機(jī)是東方廠的主力機(jī)型，技術(shù)上已相當(dāng)成熟。#2發(fā)電機(jī)的銘牌參數(shù)如表1。

該電廠#2發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁型式為自并勵(lì)，自勵(lì)磁變壓器出來(lái)的交流電經(jīng)整流后，通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滑環(huán)和碳刷接入轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子滑環(huán)以熱套型式固定在轉(zhuǎn)子大軸上，滑環(huán)下裝有絕緣套筒，用以和轉(zhuǎn)子本體隔離。正負(fù)滑環(huán)之間裝有離心風(fēng)扇，抽出的熱風(fēng)經(jīng)風(fēng)扇正下方的風(fēng)道排至6m。每個(gè)滑環(huán)上有36只碳刷，碳刷沿滑環(huán)圓周近似均勻分布，通過(guò)刷握、銅支架安裝在刷架上。刷架兩端裝有絕緣隔板。

轉(zhuǎn)子滑環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

2 事故情況

該電廠#2發(fā)電機(jī)碳刷滑環(huán)于2008年07月18日出現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)碳刷滑環(huán)燒損事件。事故經(jīng)過(guò)如下。

2008年7月18日06：09分，#2機(jī)負(fù)荷264MW，硬光字牌出“電氣預(yù)告警”，運(yùn)行人員檢查DCS畫(huà)面出“AVR PREALARM（自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器預(yù)報(bào)警組）”報(bào)警；06：13值班員李某在汽機(jī)房零米勵(lì)磁小間就地檢查發(fā)現(xiàn)監(jiān)控機(jī)出“轉(zhuǎn)子溫度高報(bào)警”；06：16檢查#2發(fā)電機(jī)滑環(huán)小間負(fù)極滑環(huán)南側(cè)下部有連續(xù)火花，迅速發(fā)展成為較短的線狀火花并開(kāi)始有電弧放電現(xiàn)象，立即降出力運(yùn)行；06：22就地匯報(bào)滑環(huán)及碳刷架迅速著火，并有較大濃煙，緊急停機(jī)；檢查發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作記錄如下：06：16：48轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地高值動(dòng)作；06：22：57#2發(fā)電機(jī)跳閘。

從電氣量曲線圖看，06：09時(shí)，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓升高、轉(zhuǎn)子電流降低現(xiàn)象，同時(shí)發(fā)電機(jī)有功在增加，機(jī)端電壓、無(wú)功基本不變，判斷從此時(shí)開(kāi)始，碳刷和滑環(huán)的接觸電阻就開(kāi)始增大，可能同時(shí)伴有打火現(xiàn)象。至06：16，轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流開(kāi)始大幅波動(dòng)，波動(dòng)方向相反（即電流向下時(shí)，電壓向上；電流向上時(shí)，電壓向下），至06：18，波動(dòng)穩(wěn)定，此時(shí)轉(zhuǎn)子電壓已明顯偏高，判斷此過(guò)程為環(huán)火由發(fā)展至穩(wěn)定的過(guò)程。在06：22，再次出現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓上升、轉(zhuǎn)子電流下降過(guò)程，與現(xiàn)場(chǎng)刷架迅速著火現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)。查DCS歷史記錄，發(fā)現(xiàn)06：16至06：18，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓波動(dòng)范圍395.6～615.9V，勵(lì)磁電流波動(dòng)范圍1508～1701VA，發(fā)電機(jī)無(wú)功功率波動(dòng)范圍62.9～108.9MVar。

檢查發(fā)現(xiàn)負(fù)極滑環(huán)損壞嚴(yán)重，負(fù)極刷架上共有36只碳刷，其中刷握有30只燒熔，恒壓彈簧有22只燒熔，碳刷刷辮有26只燒斷，相應(yīng)碳刷燒熔或脫出。固定刷握的銅支架也有20多處部分燒熔。風(fēng)扇側(cè)的絕緣隔板兩側(cè)內(nèi)緣嚴(yán)重炭化，最嚴(yán)重一處約14cm×5cm絕緣隔板完全燒穿，該處4個(gè)固定螺栓頭燒熔。負(fù)極滑環(huán)表面有過(guò)熱痕跡，滑環(huán)靠近風(fēng)扇一側(cè)的內(nèi)沿有6處燒傷，沿圓周方向分布，最嚴(yán)重處被燒成長(zhǎng)約18cm、寬約6cm、深約2cm的豁口，該處正下方的轉(zhuǎn)子大軸也被嚴(yán)重?zé)齻?，燒傷面積中有多個(gè)小坑，其中較大兩個(gè)坑深約0.6cm，面積約為3cm×3cm。負(fù)極絕緣套筒伸出滑環(huán)部分已嚴(yán)重炭化，并與滑環(huán)內(nèi)沿?zé)齻幭鄬?duì)應(yīng)處已完全燒掉。

3 原因分析

通過(guò)對(duì)#2發(fā)電機(jī)組碳刷滑環(huán)損壞情況分析，明顯發(fā)現(xiàn)各組2號(hào)碳刷圓周燒損最嚴(yán)重，且滑環(huán)的打火也最早從下部開(kāi)始，負(fù)極滑環(huán)下部個(gè)別碳刷與滑環(huán)接觸不好，產(chǎn)生打火現(xiàn)象并使滑環(huán)相應(yīng)部位溫度升高，同時(shí)因滑環(huán)溫度升高又引發(fā)相對(duì)應(yīng)的徑向圓周方向上所有碳刷與滑環(huán)接觸情況惡化，接觸電阻增大，造成打火現(xiàn)象迅速蔓延，形成環(huán)火。環(huán)火形成的高溫使負(fù)極滑環(huán)絕緣套筒（環(huán)氧樹(shù)脂）炭化、燒損，同時(shí)，滑環(huán)冷卻風(fēng)扇形成的吸力使碳刷環(huán)火向冷卻風(fēng)扇偏移，造成勵(lì)磁電流形成一個(gè)從負(fù)極滑環(huán)—冷卻風(fēng)扇—轉(zhuǎn)子軸（負(fù)極滑環(huán)靠導(dǎo)電螺釘處）的短路通道，瞬時(shí)的大電流造成負(fù)極滑環(huán)、冷卻風(fēng)扇及轉(zhuǎn)子軸電灼傷。

（1）經(jīng)對(duì)2008年5月27日至7月15日九次定期工作檢查碳刷電流測(cè)試數(shù)據(jù)，其中有5次檢查中出現(xiàn)過(guò)1～2個(gè)碳刷電流低至10A以下，其中05月27日檢查中負(fù)極南2組－2電流為0.1A，經(jīng)手工活動(dòng)或更換后電流恢復(fù)。最近的一次更換的碳刷時(shí)間為7月15日08時(shí)59分，更換的為電流低（11.1A）的負(fù)極南側(cè)5組－2號(hào)碳刷。最后一次巡檢于7月15日02時(shí)40分對(duì)#2發(fā)電機(jī)本體進(jìn)行了檢查，接地碳刷、正負(fù)級(jí)滑環(huán)碳刷、集電環(huán)風(fēng)溫（不超過(guò)70度）等參數(shù)正常。但現(xiàn)場(chǎng)查看多個(gè)刷握積灰較多，同時(shí)在夏季運(yùn)行時(shí)，為降低溫度，將滑環(huán)所處小間門打開(kāi)，另外負(fù)極滑環(huán)距發(fā)電機(jī)#6軸承較近，因滑環(huán)冷卻方式為兩側(cè)進(jìn)風(fēng)，負(fù)極滑環(huán)易受油霧污染，也容易導(dǎo)致運(yùn)行中刷握積灰，碳刷卡澀，與滑環(huán)接觸不良。

（2）2002年9月18日，#2發(fā)電機(jī)曾發(fā)生一次負(fù)極滑環(huán)燒損，當(dāng)時(shí)由于備件采購(gòu)周期較長(zhǎng)，未進(jìn)行滑環(huán)更換，對(duì)損傷的滑環(huán)進(jìn)行了車削、打磨處理，并進(jìn)行了金相試驗(yàn)，但試驗(yàn)報(bào)告提出“該滑環(huán)損傷嚴(yán)重，硬度值分散度大，不宜長(zhǎng)期運(yùn)行，建議在下次大修時(shí)更換”，截至事故發(fā)生已運(yùn)行六年，滑環(huán)疑已劣化，可能與碳刷接觸不均勻，易導(dǎo)致發(fā)熱、打火。

（3）2008年6月底，該廠新采購(gòu)一批碳刷備件，7月3日、7月15日分別用新備件（與運(yùn)行的碳刷不同批次）更換負(fù)極北側(cè)#3組（約在滑環(huán)中部）2號(hào)碳刷和南側(cè)#5組（在滑環(huán)底部）2號(hào)碳刷，由于使用了不同批次的碳刷，容易導(dǎo)致碳刷之間電流分配不均勻。

4 防范措施

4.1 加強(qiáng)發(fā)電機(jī)滑環(huán)和碳刷的運(yùn)行檢查與分析

（1）機(jī)組運(yùn)行期間，定期檢查：刷辮是否完好、碳刷是否有脫辮現(xiàn)象、導(dǎo)線是否氧化及有燒斷股線現(xiàn)象、滑環(huán)及碳刷積灰情況、碳刷是否跳動(dòng)、是否存在火花（檢查火花時(shí)應(yīng)關(guān)閉照明）等。

（2）機(jī)組運(yùn)行期間，每周對(duì)發(fā)電機(jī)每只勵(lì)磁碳刷進(jìn)行一次電流及刷體溫度測(cè)量，并記錄每只碳刷的電流和溫度值，對(duì)電流嚴(yán)重偏大或偏小的碳刷，必要時(shí)進(jìn)行更換。

4.2 加強(qiáng)發(fā)電機(jī)滑環(huán)及碳刷的點(diǎn)檢和分析

（1）機(jī)組運(yùn)行期間，每月測(cè)量一次發(fā)電機(jī)軸電壓。

（2）機(jī)組運(yùn)行期間，每月進(jìn)行一次發(fā)電機(jī)滑環(huán)、碳刷及正負(fù)極銅排接頭的紅外成像測(cè)溫。

（3）每次機(jī)組檢修期間，分別測(cè)量正、負(fù)極滑環(huán)、滑環(huán)與發(fā)電機(jī)端蓋之間、滑環(huán)與發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)末端軸承之間等部位轉(zhuǎn)子軸的晃動(dòng)值。

4.3 增設(shè)滑環(huán)溫度、滑環(huán)冷卻風(fēng)扇出風(fēng)溫度在線監(jiān)測(cè)裝置，設(shè)置二級(jí)報(bào)警值，并在運(yùn)行操作員站或光字牌顯示

4.4 加強(qiáng)發(fā)電機(jī)碳刷、滑環(huán)及環(huán)境的檢修維護(hù)

（1）機(jī)組運(yùn)行期間，檢修維護(hù)人員每月對(duì)可取出的刷握進(jìn)行清掃及檢查維護(hù)，檢查碳刷在刷握內(nèi)的活動(dòng)情況、刷辮完好情況、碳刷是否有脫辮現(xiàn)象、導(dǎo)線是否氧化及是否有燒斷股線現(xiàn)象等，以確保清潔，防止碳刷卡澀。

（2）機(jī)組運(yùn)行期間，制定安全措施并每三個(gè)月對(duì)碳刷和滑環(huán)進(jìn)行一次吹掃。

（3）每次機(jī)組檢修時(shí)，檢修維護(hù)人員進(jìn)行徹底的碳刷、滑環(huán)清掃及相關(guān)檢修維護(hù)項(xiàng)目，特別是要清除集電環(huán)通風(fēng)溝、孔內(nèi)的碳?jí)m物，以免影響散熱及通風(fēng)效果。

（4）每次機(jī)組檢修時(shí)，點(diǎn)檢員檢查集電環(huán)的磨損和偏擺，必要時(shí)進(jìn)行修理。機(jī)組大、小修時(shí)更換滑環(huán)極性。

（5）檢修維護(hù)人員加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)油檔的檢修維護(hù)，避免出現(xiàn)滲漏油現(xiàn)象，以減少對(duì)滑環(huán)的污染。

4.5 加強(qiáng)對(duì)碳刷采購(gòu)和儲(chǔ)存的管理，保證質(zhì)量可靠

4.6 設(shè)備更新

有條件時(shí)將老型號(hào)的碳刷及刷架進(jìn)行整體更換，現(xiàn)在有新型的“一把抓”碳刷，更換碳刷及清掃都較為方便。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述分析，該廠300MW機(jī)組滑環(huán)碳刷燒損的主要原因一是欠維護(hù)，沒(méi)有定期檢查維護(hù)碳刷滑環(huán)及及其周邊設(shè)備，二是設(shè)備本身已有缺陷，長(zhǎng)期帶“病”運(yùn)行所致。通過(guò)缺陷的徹底處理，保證維護(hù)水平，是可以杜絕碳刷滑環(huán)環(huán)火事故的。

參考文獻(xiàn)

[1] 東方電機(jī)廠QFSN-300-2-20型發(fā)電機(jī)組說(shuō)明書(shū).

[2] 300MW機(jī)組集控運(yùn)行規(guī)程.

[3] 何國(guó)聲，林峰.發(fā)電機(jī)碳刷燒損處理分析及防范[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2005（2）：82-84.