火電廠600MW汽輪發(fā)電機(jī)碳刷打火的原因及處理方法

崔小雷

(大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 托克托 010206)

目前，電力系統(tǒng)中的各類同步發(fā)電機(jī)均采用直流勵(lì)磁，向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組提供直流勵(lì)磁電流的裝置稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)磁系統(tǒng)對同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能和運(yùn)行安全有重要影響，大型汽輪發(fā)電機(jī)組均采用勵(lì)磁變與勵(lì)磁控制系統(tǒng)和滑環(huán)-碳刷勵(lì)磁的方式。在正常情況下，碳刷在刷握中被彈簧壓緊與滑環(huán)緊密接觸，其壓力在拉伸20mm～80mm時(shí)，一般為1.4kg～1.9kg之間，且當(dāng)各彈簧拉伸到80mm時(shí)，其相互間的拉力差不超過0.15kg；刷握為四組合盒式刷握，碳刷為摩根碳刷，截面尺寸為25.4×38.1mm2，每臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)為128只；刷握與刷座導(dǎo)電面配研導(dǎo)，要求接觸面積大于80%，接觸面鍍銀；配研后，刷座與刷握打上配對標(biāo)記，在運(yùn)行中嚴(yán)格配對使用；電環(huán)及刷座采用黃銅板H68;導(dǎo)電環(huán)及刷座組裝前整體鍍銀，因此，在處理集電環(huán)通風(fēng)溝時(shí)一定要注意不能用砂紙或堅(jiān)硬物摩擦、刮削集電環(huán)。就集電環(huán)本身來說，因其與發(fā)電機(jī)同軸，所以，同發(fā)電機(jī)一起被汽輪機(jī)拖動(dòng)，勵(lì)磁變變壓后的電能通過勵(lì)磁整流系統(tǒng)將交流電變換為直流電，直流電又通過刷架、刷辮和碳刷將電能通過集電環(huán)輸送給勵(lì)磁繞組，即供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁。但是勵(lì)磁變直流電的送出是通過刷架上的碳刷送出的，因此，實(shí)際的運(yùn)行中就存在著碳刷打火的現(xiàn)象。下面就汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)碳刷運(yùn)行中遇到的實(shí)際問題，結(jié)合筆者10余年的工作經(jīng)驗(yàn)，就汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)碳刷打火的原因及處理方法進(jìn)行了探討。

某廠目前共12臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組，各汽輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)均采用勵(lì)磁變-整流系統(tǒng)勵(lì)磁，就勵(lì)側(cè)刷架上的碳刷打火而言，雖然碳刷下小部分微弱火花對集電環(huán)運(yùn)行并無危害，但如果火花范圍擴(kuò)大或程度強(qiáng)烈，則將燒灼集電環(huán)和碳刷，使其表面粗糙并留有灼痕，而不光滑的集電環(huán)表面與粗糙的碳刷接觸，又會(huì)使火花程度加強(qiáng)，因此，實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)避免碳刷打火，使火花不超過一定的等級(jí)。一般情況下，正常工作情況下其火花等級(jí)不超過1級(jí)，強(qiáng)行勵(lì)磁時(shí)不超過2級(jí)火花。這幾臺(tái)機(jī)組均有過碳刷打火現(xiàn)象只是輕重程度不同。

通過表1可以看出，同步汽輪發(fā)電機(jī)碳刷打火的危害，那么碳刷打火的原因是什么呢？從以下幾個(gè)方面加以分析考慮。

表1 直流電機(jī)火花等級(jí)

1 電磁方面的原因

1.1 接觸問題

由于勵(lì)側(cè)集電環(huán)被汽輪機(jī)拖動(dòng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞繞組切割定子磁場感應(yīng)出交變電勢，而只有通過集電環(huán)和碳刷的共同作用，才能將勵(lì)磁系統(tǒng)整流后的直流電送入轉(zhuǎn)子繞組，因此，實(shí)際運(yùn)行中雖然不存在電樞繞組的換向問題，但是存在著由于碳刷和集電環(huán)接觸不良導(dǎo)致碳刷運(yùn)行中存在打火現(xiàn)象。這里的接觸不良原因有很多，常見的有正集電環(huán)和負(fù)集電環(huán)磨損后高低不平，導(dǎo)致碳刷與集電環(huán)的接觸面積不能達(dá)到廠家設(shè)計(jì)要求值；碳刷由于振動(dòng)有部分脫落，脫落后的碳刷與集電環(huán)成多點(diǎn)接觸導(dǎo)致點(diǎn)狀火花產(chǎn)生；碳刷牌號(hào)不對或質(zhì)量不好，導(dǎo)致碳刷在刷握中卡澀，碳刷磨損后不能保證與集電環(huán)緊密接觸，間隙過大而打火；刷握品牌不對或刷握與刷架的接觸面積不滿足要求而打火。

1.2 電樞繞組短路

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析判斷有兩種情況，一種是繞組存在短路匝在同一支路，另一種是短路匝不在同一支路，由于匝間短路發(fā)生后產(chǎn)生環(huán)流，使匝間短路部位產(chǎn)生局部過熱，在這種情況下，碳刷打火較為明顯，如長時(shí)間過流滿負(fù)荷電流運(yùn)行，則會(huì)把集電環(huán)表面燒壞，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)麻坑，同時(shí)，由于有阻尼繞組的存在，使阻尼繞組也會(huì)有局部過熱的情況，會(huì)對機(jī)組出力和調(diào)峰造成一定影響，可能會(huì)造成發(fā)電機(jī)增減負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，造成機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)進(jìn)而產(chǎn)生事故。

1.3 電樞繞組斷路

當(dāng)電樞繞組線圈局部發(fā)生短路時(shí)，隨著時(shí)間的推移，過熱部位如果在焊接部位且焊接部位受電動(dòng)力沖擊后有部分扁銅片斷裂，這時(shí)候在迅速調(diào)峰時(shí)就有可能造成電樞繞組過熱燒斷，當(dāng)電樞繞組斷路后勵(lì)磁電流消失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子“飛車”。

1.4 電樞線圈匝間短路或集電環(huán)短路

其情況同電樞繞組短路，線圈局部過熱，這種情況會(huì)造成碳刷打火嚴(yán)重、甚至產(chǎn)生環(huán)火燒壞集電環(huán)的碳刷。

2 機(jī)械方面的原因

①大修后，發(fā)電機(jī)或汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不到位或中心找不正，引起軸向竄動(dòng)或徑向振動(dòng)。②大修后或運(yùn)行中刷架位置有偏移，使碳刷偏離零位。③發(fā)電機(jī)或汽輪機(jī)底腳或螺絲松動(dòng)，造成徑向振動(dòng)或機(jī)組其他方面原因造成的振動(dòng)。④換向片磨損使片間云母突出。⑤碳刷在刷握內(nèi)松動(dòng)或壓力不均及壓力太小。⑥碳刷型號(hào)不一，調(diào)換不當(dāng)，對于全部碳刷50塊以下每次只許更換～，50塊及以上只許更換～。某廠的600MW汽輪發(fā)電機(jī)的正集電環(huán)64塊碳刷，負(fù)集電環(huán)64塊碳刷。⑦碳刷使用前磨得弧度不好或碳刷太硬引起跳振。⑧正、負(fù)集電環(huán)長期運(yùn)行磨損嚴(yán)重，失圓。⑨刷握離換向器距離太大。

3 化學(xué)方面的原因

集電環(huán)在正常運(yùn)行時(shí)，集電環(huán)表面與碳刷間將形成一層薄膜，由于這層薄膜電阻較大能夠有效地阻礙附加電流產(chǎn)生。這層薄膜有4層構(gòu)成，第一層是整流子銅表面上生成的氧化亞銅。在銅表面，由于整流子與碳刷間有水汽(空氣中攜帶)電流流過時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電解作用，整流子銅表面生成一層氧化亞銅，它可以減少碳刷與整流子表面的損蝕。第二層是附著在氧化亞銅上的石墨薄膜，這是從碳刷上磨下來的炭粉，起著減少摩擦作用。第三層是石墨薄膜上吸附著的氧氣和潮氣，起潤滑作用。第四層是炭粉和整流子表面間的所有剩余空間充滿著塵埃微粒和空氣，這些微粒使表面間相對滑動(dòng)摩擦減小，而且當(dāng)空氣電離時(shí)還可能成為導(dǎo)電途徑。

從以上分析可見，集電環(huán)與碳刷打火的原因很多，也很復(fù)雜，那么針對這一情況我們應(yīng)采取怎樣的措施呢？主要從以下幾個(gè)方面考慮。

3.1 加強(qiáng)平時(shí)的保養(yǎng)維護(hù)工作，保護(hù)氧化膜不被破壞

檢查刷架緊固情況、碳刷的磨損情況及碳刷壓力是否得當(dāng)，隨時(shí)加以調(diào)整，整流子表面有無灰塵油垢，云母溝內(nèi)有無炭粉、銅沫、油垢，如有及時(shí)清理，可用皮老虎吹凈。

3.2 停機(jī)檢修時(shí)，應(yīng)認(rèn)真做好檢修工作

主要檢查以下幾方面：①靜子繞組各線包間的接頭，有無松動(dòng)斷裂；②靜子主極及換向極繞組有無油浸過熱和漆皮變色脫落現(xiàn)象，線圈緊固在鐵芯上應(yīng)無磨損；③靜子磁鐵無變色過熱，螺絲應(yīng)無松動(dòng)；④刷架無裂紋，拆裝位置嚴(yán)格對應(yīng)；⑤轉(zhuǎn)子表面應(yīng)無過熱生銹，通風(fēng)孔無堵塞；⑥電樞繞組端部墊塊應(yīng)無松弛、斷裂、開焊等現(xiàn)象，觀察層間絕緣是否過熱變色。

4 碳刷的選用

碳刷的作用是引導(dǎo)電樞電流，從這一作用看碳刷接觸電阻應(yīng)小，以免引起過大的接觸壓降，現(xiàn)今生產(chǎn)的碳刷中，碳-石墨碳刷接觸電阻大，石墨碳刷和電化石墨碳刷次之，青銅-石墨和紫銅-石墨電阻最小。碳刷接觸面處的溫度將影響接觸電阻，溫度升高電阻下降，碳刷具有負(fù)溫度系數(shù)。

碳刷的型號(hào)和牌號(hào)選用是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，除了溫度外，環(huán)境介質(zhì)對碳刷接觸電阻也有影響，如：碳刷、換向器的材料、接觸面上的電流密度、施于碳刷的單位壓力都會(huì)影響接觸電阻。因此，碳刷的選用對于碳刷是否打火是十分關(guān)鍵的部分，在平常的維護(hù)和大小修中認(rèn)真檢查碳刷磨損情況、彈簧壓力大小并及時(shí)加以調(diào)整，以使集電環(huán)與碳刷良好運(yùn)行，這時(shí)非常重要的。

5 結(jié)束語

實(shí)際運(yùn)行火電廠600MW汽輪發(fā)電機(jī)碳刷打火原因很多，而且碳刷打火現(xiàn)象較為普遍，因此，需要我們具體問題具體分析，多方面考慮，找出原因所在加以消除，解決實(shí)際問題，同時(shí)要加強(qiáng)日常維護(hù)工作，隨時(shí)觀察碳刷換向器的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決，只要我們認(rèn)真抓好各方面工作，600MW汽輪發(fā)電機(jī)碳刷打火的現(xiàn)象是可以解決的。