關(guān)于直流電機(jī)環(huán)火事故預(yù)防及處理

王海蛟

（國(guó)家能源準(zhǔn)能設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯010300）

目前發(fā)電企業(yè)在發(fā)電運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)使用較多的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其中發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)便是一種應(yīng)用較為廣泛的直流發(fā)電機(jī)類(lèi)型，通常情況下在運(yùn)行過(guò)程中，容易受到一系列其他因素的影響，由于片間累積擊穿，換向惡化問(wèn)題嚴(yán)重，或者因?yàn)樨?fù)載條件十分惡劣，導(dǎo)致正負(fù)極刷架之間的電弧不穩(wěn)定，環(huán)繞換向器表層形成十分強(qiáng)烈的電弧，并且伴隨弧光和巨大的響聲，引發(fā)環(huán)火事故。環(huán)火事故后對(duì)設(shè)備電樞表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)表面已經(jīng)燒黑，因?yàn)殡姌欣@組受到高溫灼燒形成小孔裝絕緣擊穿，之后對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行全面檢查，并詳細(xì)分析其原因。

1 直流電機(jī)環(huán)火概述

直流電機(jī)在工作過(guò)程中，電樞繞組線(xiàn)圈首先會(huì)通過(guò)一條支路，再由電刷短路進(jìn)入到其他一條支路中，該過(guò)程電流方向明顯變化，即換向。如果換向存在問(wèn)題將會(huì)在電刷下產(chǎn)生火花，如果火花超出相應(yīng)的程度范圍，則會(huì)形成環(huán)火事故[1]。火花形成的原因具有一定的復(fù)雜性，可能為電磁、機(jī)械或者化學(xué)等方面因素互相作用產(chǎn)生火花。電刷下火花具有危害性，難以避免，如果火花超出相應(yīng)的范圍，程度嚴(yán)重，則會(huì)將電刷和換向器燒毀，甚至可能將整個(gè)刷架燒毀，導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行[2]。目前直流電機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)火花進(jìn)行合理的等級(jí)劃分，并明確規(guī)定直流電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中不可超過(guò)11/2級(jí)[3]，其等級(jí)劃分如表1所示。

表1 火花等級(jí)劃分

2 出現(xiàn)環(huán)火事故的原因分析

2.1 片間擊穿

如果直流電機(jī)換向器的片間電壓處于較高的情況，在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中形成電壓，因?yàn)槠g累積擊穿情況，進(jìn)而引發(fā)環(huán)火。在多數(shù)情況下導(dǎo)致片間擊穿的主要原因在于工作人員沒(méi)有對(duì)換向器進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，清掃工作不全面，換向器的云母溝中可能積累了諸多的碳粉、污漬以及銅粉等物質(zhì)[4]。除此之外，也可能因?yàn)殡娝D銅，換向片銅毛刺延長(zhǎng)，致使周?chē)鷵Q向片間云母溝中導(dǎo)電橋，該導(dǎo)電橋通過(guò)電樞旋轉(zhuǎn)進(jìn)入到主機(jī)區(qū)的過(guò)程中，換向器表層電位梯度呈不斷升高的趨勢(shì)，進(jìn)而導(dǎo)致電流明顯增加。如果電流形成電動(dòng)力大于保持粉末形成的導(dǎo)電橋則會(huì)引發(fā)嚴(yán)重錯(cuò)位情況，導(dǎo)電橋因?yàn)槿刍茻嵝纬善g閃絡(luò)[5]。如果導(dǎo)電橋斷裂位置的實(shí)際電壓大于電弧最低電壓，則會(huì)產(chǎn)生電弧。如果斷裂位置寬度提升至云母溝的實(shí)際寬度，保持電弧的電壓也需要不斷提升，反之可能會(huì)導(dǎo)致電弧熄滅。如果片間電壓與起弧過(guò)程中的感應(yīng)電壓大于保持電弧電壓的范圍，電弧會(huì)呈燃燒狀態(tài)。電流也會(huì)隨著換向片的擊穿而不斷提升，磁場(chǎng)范圍也會(huì)隨之?dāng)U增，片間電弧換向器表面也會(huì)不斷擴(kuò)展[6]。

如果在電弧擴(kuò)展的過(guò)程中，兩個(gè)換向器片區(qū)域電位差能夠保證片間電弧不被熄滅，電弧處于持續(xù)擴(kuò)展的狀態(tài)下?；谙鄳?yīng)條件，片甲電弧能夠擴(kuò)展至正極、負(fù)極兩個(gè)極性刷架間，進(jìn)而引發(fā)環(huán)火事故[7]。

2.2 嚴(yán)重的電刷火花

導(dǎo)致直流電機(jī)發(fā)生環(huán)火事故的另一個(gè)主要因素便是電刷火花。如果直流電機(jī)處于十分惡劣的負(fù)荷運(yùn)行條件下，換向器表層滑動(dòng)接觸受到嚴(yán)重的損壞，則會(huì)在電刷同換向器中間范圍內(nèi)形成相應(yīng)的火花。如果換向器火花發(fā)展到一定的程度，火花能量將會(huì)導(dǎo)致電刷同換向片發(fā)生燃燒和汽化，并且在實(shí)際燃燒的范圍內(nèi)形成一個(gè)等離子區(qū)域，這一電弧因?yàn)槭艿叫D(zhuǎn)換向器沿電弧磨道運(yùn)行的影響出現(xiàn)拉長(zhǎng)情況[8]。

如果這一電弧被拉長(zhǎng)到相應(yīng)長(zhǎng)度的某一換向片的過(guò)程中，電弧是否持續(xù)燃燒受到換向器表層點(diǎn)位分布曲線(xiàn)以及電弧特點(diǎn)的影響。如果換向片的某區(qū)域點(diǎn)位小于電弧維持電壓Ug，則會(huì)導(dǎo)致電弧熄滅。如果超過(guò)電弧維持電壓Ug，電弧則會(huì)處于持續(xù)燃燒的狀態(tài)，并且還會(huì)繼續(xù)發(fā)展。電刷磨道上空氣的電離能夠?yàn)殡娀〉难由靹?chuàng)造合理的環(huán)境及條件，如果換向火花能量較大，達(dá)到某一較大量級(jí)，電弧會(huì)延伸到異極性電刷中，進(jìn)而產(chǎn)生環(huán)火事故[9]。

3 直流電機(jī)環(huán)火事故造成的危害

通常情況下，直流電機(jī)環(huán)火事故程度主要包括以下幾類(lèi)情況，本文對(duì)此進(jìn)行一一分析。首先，危害程度輕的事故。多數(shù)情況下這類(lèi)環(huán)火事故下直流電機(jī)的容量較小，其轉(zhuǎn)速較低，出現(xiàn)環(huán)火的過(guò)程中快速開(kāi)關(guān)或者自動(dòng)開(kāi)關(guān)很快發(fā)生動(dòng)作，將主回路及勵(lì)磁回路及時(shí)切斷，電弧及時(shí)被短路電流磁吹作用熄滅[10]。這一類(lèi)環(huán)火通常只會(huì)將換向器表層燒焦，或者將一些刷辮燒焦，不會(huì)對(duì)整體設(shè)備造成較為嚴(yán)重的影響。其次，較為嚴(yán)重的環(huán)火事故。通常情況下這類(lèi)事故中的直流電機(jī)容量較多并且轉(zhuǎn)速較快，環(huán)火過(guò)程中即使快速開(kāi)關(guān)或者自動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，但是短路的過(guò)程中電弧存在較大能量，因此會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的損壞，程度嚴(yán)重。該類(lèi)環(huán)火會(huì)在換向器表面產(chǎn)生深淺程度不一的灼燒點(diǎn)，換向器外端位置也會(huì)存在明顯的燒灼，局部刷握被燒毀或者燒熔，同時(shí)直流電機(jī)的刷架、導(dǎo)電環(huán)等裝置也存在局部受損的情況，熔化銅噴濺、氣化的銅和碳結(jié)晶微粒附著在絕緣表層，通常情況下導(dǎo)致表面泄漏電流的持續(xù)提升，絕緣電阻大幅下降，最后歸零。

對(duì)企業(yè)工作人員來(lái)說(shuō)，需要采取以下相關(guān)方法對(duì)直流電機(jī)的受損位置以及受損程度進(jìn)行全面檢查。第一，工作人員需要對(duì)絕緣電阻進(jìn)行檢查。如果直流電機(jī)發(fā)生環(huán)火事故，首先需要對(duì)燒焦、燒黑的換向器進(jìn)行打磨處理，對(duì)繞組進(jìn)行吹風(fēng)清理，之后通過(guò)兆歐表對(duì)各個(gè)繞組的絕緣電阻進(jìn)行全面檢查，明確其是否符合相關(guān)規(guī)定，進(jìn)而明確是否需要對(duì)絕緣進(jìn)行有效處理。第二，工作人員還需要對(duì)片間電阻進(jìn)行合理測(cè)量，查看升高片同電樞并頭套是否已經(jīng)存在開(kāi)焊及短路情況，檢查電阻值不平衡情況。第三，工作人員需要對(duì)換向器的表面進(jìn)行全面檢查，查看其氧化劑積碳呈黑色位置，同時(shí)因?yàn)殡娀飘a(chǎn)生的點(diǎn)狀凹陷或者端部局部燒損情況等均需要進(jìn)行全面檢查[11]。第四，通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)電刷燒損4只，并且有11只電刷存在程度不一的材質(zhì)受損，因此需要對(duì)上述電刷進(jìn)行全面更換。第五，工作人員需要對(duì)刷架和導(dǎo)電環(huán)進(jìn)行全面檢查，如果存在缺損問(wèn)題需要及時(shí)解決，對(duì)其進(jìn)行修理和更換，保證檢查的全面性。

4 直流電機(jī)環(huán)火事故的預(yù)防和處理措施

4.1 直流電機(jī)環(huán)火事故處理措施分析

如果直流電機(jī)發(fā)生環(huán)火事故對(duì)其進(jìn)行及時(shí)有效的處理十分重要，下面本文對(duì)直流電機(jī)環(huán)火事故的處理措施進(jìn)行一一分析。第一，工作人員需要對(duì)換向器進(jìn)行處理。因?yàn)槭艿江h(huán)火事故的影響，換向器發(fā)生嚴(yán)重?zé)?，因此需要重新?chē)削外圓，并且在對(duì)換向器進(jìn)行打磨和車(chē)削后，對(duì)其倒棱和下刻重新實(shí)施。經(jīng)過(guò)處理后對(duì)一次片間電阻進(jìn)行檢查，確保其滿(mǎn)足相關(guān)要求。第二，工作人員需要對(duì)原來(lái)相同型號(hào)的電刷進(jìn)行全面更換，同時(shí)需要對(duì)電刷的壓力進(jìn)行合理調(diào)整，保證其處于均勻的狀態(tài)。第三，及時(shí)更換受損繞組以及其他構(gòu)件，同時(shí)對(duì)于受損不嚴(yán)重的構(gòu)件進(jìn)行焊補(bǔ)。第四，如果繞組和導(dǎo)電部件表層絕緣僅僅受到蒸熏的影響導(dǎo)致絕緣電阻處于下降的狀態(tài)，工作人員需要將棉紗上蘸取少量汽油、酒精以及四氯化碳等溶劑，將這部分部件表面聚集的碳及銅微粒清除，之后對(duì)絕緣電阻進(jìn)行全面測(cè)量。

4.2 直流電機(jī)預(yù)防環(huán)火的主要措施分析

因?yàn)橹绷麟姍C(jī)環(huán)火的發(fā)生時(shí)間并不是很長(zhǎng)，并且發(fā)生在電機(jī)內(nèi)部，因此通過(guò)繼電保護(hù)、空氣開(kāi)關(guān)以及快速開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù)存在一定的難度。因此，采取有效的維護(hù)措施至關(guān)重要。對(duì)發(fā)電企業(yè)來(lái)說(shuō)，預(yù)防直流電機(jī)發(fā)生環(huán)火事故的主要措施包括以下幾點(diǎn)：第一，工作人員需要合理使用補(bǔ)償繞組，設(shè)置補(bǔ)償繞組后，首先能夠解決換向極飽和相關(guān)問(wèn)題，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)電流換向的改善。并且因?yàn)檠a(bǔ)償繞組能夠抵消橫軸電樞反應(yīng)，進(jìn)而解決主磁場(chǎng)畸變，導(dǎo)致?lián)Q向器點(diǎn)位分布曲線(xiàn)處于平滑的狀態(tài)。并且因?yàn)閾Q向器表面點(diǎn)位分布曲線(xiàn)主要為氣隙合成磁場(chǎng)的空間分布曲線(xiàn)積分。通過(guò)對(duì)補(bǔ)償繞組的使用能夠有效抑制電刷火花和片間電弧的延伸。如果直流電機(jī)不能夠使用補(bǔ)償繞組，可以使用不同心氣隙，也可以有效減少氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變。第二，需要對(duì)換向器表面進(jìn)行合理處理，重視換向片的倒角和片云母的下刻質(zhì)量，同時(shí)將換向片上的端部尖棱及尖角清除。第三，設(shè)計(jì)人員在對(duì)新選購(gòu)的直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要適當(dāng)減少片間電壓。對(duì)大型直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，其片間電壓需要小于16V；對(duì)小型設(shè)備來(lái)說(shuō)，不能超過(guò)18V。如果片間電壓處于較高的狀態(tài)，對(duì)于經(jīng)常出現(xiàn)環(huán)火問(wèn)題的設(shè)備，需要將其電壓保護(hù)值有效降低。第四，需要設(shè)置隔弧板。將其設(shè)置于刷架間的空間，使用耐弧材料制作隔板達(dá)到擋隔的作用，能減小環(huán)火對(duì)設(shè)備造成的損害。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，環(huán)火事故屬于十分危險(xiǎn)的惡性事故，其發(fā)生短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生巨大的能量和高溫，不但會(huì)對(duì)電刷和換向器造成嚴(yán)重?fù)p害，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致其他繞組受損嚴(yán)重。并且還可能會(huì)對(duì)操作人員的人身安全造成嚴(yán)重威脅。所以需要加強(qiáng)對(duì)直流電機(jī)的維護(hù)，采取有效的措施消除環(huán)火事故，工作人員需要重視事故問(wèn)題，確保電刷和換向器始終處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題予以解決。