汽轮发电机集电环、碳刷发热原因分析

曹凤波,宋强义

（哈尔滨电机厂有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150040）

集电环、碳刷是发电机动静接触和交换能量的关键部件,在实际运行中,碳刷与集电环发热现象极为普遍,如不能及时处理,将引起集电环烧损恶性事故。

1 机组概况

1.1 机组主要参数

额定转速：3 000 r/m in

有功功率：300 MW

功率因数：0.85

额定励磁电压：365 V

额定励磁电流：2 642 A

1.2 集电环及刷架结构

某发电厂300 MW发电机组励磁方式为静止型励磁系统,发电机刷架与导电环为合二为一的整体结构,每个导电环由两瓣拼成,选用优质的铸硅黄铜材料。集电环外圆周表面开有螺旋沟,沿集电环圆周有斜的通风孔,每个导电环分别装设恒压式刷握和碳刷。运行中碳刷与集电环采用强制通风冷却,冷风由2个集电环的外侧导入,热风由装在转子上的2个并联的离心式风扇带出。进风和出风均由管道引至厂房外部,发电机刷架装配结构如图1所示。

1.3 集电环及碳刷运行要求

a.集电环表面应形成均匀光泽的氧化膜。

b.集电环表面无凹坑等缺陷。

c.碳刷与集电环均匀接触达90%以上。

d.碳刷无跳动、破损等。

e.集电环和碳刷运行温度应在90℃以下。

图1 发电机刷架装配结构

2 事故情况

2.1 事故经过

2009年10月4日20：00,某发电厂300 MW发电机组有功功率10 MW、无功功率70 Mvar、励磁电流1 500 A时发现发电机外侧集电环和碳刷发热,但电刷没有打火现象,集电环最高温度达130℃,碳刷最高温度达180℃,而内侧集电环温度仅有60℃。随后机组降低负荷至有功功率2.5 MW,同时将隔音罩门敞开,并外接风扇进行强制冷却,但集电环发热状况没有缓解,机组被迫于10月5日0：00停机。

2.2 检查结果

2.2.1 碳刷

检查发现碳刷与外侧集电环顶部配合的电刷顶侧崩损（见图2）。

2.2.2 集电环

a.外观检查

集电环表面没有明显划痕,但局部有发蓝痕迹） （见图3）。

表1 集电环椭圆度及尺寸

图4 刷架底部混风

图5 混风示意图

b.测量尺寸

现场使用千分尺测量集电环外径。检查集电环尺寸有无偏差,测量结果如表1所示。

c.通风回路

检查发现施工期间刷架底部冷热风道没有有效封堵（如图4、图5所示）,在刷架底板下部存在严重混风情况。

3 事故原因及处理措施

3.1 原因

通过检查分析可以判定,造成集电环和碳刷发热的主要原因是通风不良和冷、热风混风所致。

集电环发热是由集电环自身电阻发热量Q11、碳刷接触压降发热量Q22、碳刷热传导热量Q33构成。集电环总发热量为

在集电环发热总量中,集电环自身电阻发热Q11所占比例较小,可以忽略,因此,集电环的发热由碳刷的发热量决定,集电环温度随碳刷温度的变化而变化。当冷、热风混风和通风不良时,碳刷热量不能有效散发,导致碳刷温度和集电环温度升高。

运行中集电环和碳刷常见的故障为发热、产生火花、烧损电刷刷握及集电环。产生过热故障的原因主要有以下几方面。

a.通风不良

通风不良主要是因为冷却风道、集电环表面通风沟及通风孔堵塞,循环风扇风量下降。当运行中集电环表面温度过高时,导致电刷磨损加剧,碳粉积聚增加,堵塞集电环表面的散热通道。

b.接触电阻过大或分布不均匀

集电环和电刷是通过相互滑动接触导通励磁电流,每个集电环上分布数十只电刷,由于接触电阻不同、电流分配差异而导致发热不均匀。

c.机械摩擦

集电环与电刷过热故障中大部分是由于机械摩擦等原因造成。如果在开机时未加励磁就发现集电环与电刷温度高或运行中温度过高,拔出几只电刷后,温度反而降低,基本可以判断为机械摩擦导致。

3.2 处理方法

a.对风道进行有效隔离和整改。

b.对刷架上需焊接的角铁进行焊接。

c.用砂纸的本面打磨外侧集电环,去除高点和氧化膜。

d.测量转子的直流电阻,并与出厂值比较,使其在合格范围内。

e.机组启动时通过励磁系统给集电环表面提供一定的小电流,保证集电环形成氧化膜。

4 维护及注意事项

a.检查集电环上的碳刷有无冒火现象,如出现火花应进行处理。碳刷发生火花的原因和消除方法如表2所示。

表2 碳刷发生火花的原因和消除方法

b.经常检查碳刷的活动情况。用提刷的方法检查碳刷在刷握内上下活动是否自由、有无卡刷、碳刷是否焊附在刷握壁。当发生卡刷和碳刷焊附现象时,应立即研磨碳刷,清理刷握内壁,使碳刷恢复上下自由活动能力。

c.经常检查刷辫是否完好、碳刷是否脱辫、导线是否氧化及烧断股线、接触是否良好、有无过热现象,如出现发黑或烧伤等现象,应更换碳刷。

d.检查碳刷有无颤振。集电环磨损不均、碳刷松弛、机组振动等将引起碳刷颤振,此时必须将碳刷从刷握中拔出,检查是否有损坏情形,查明颤振原因并消除。为减小振动,刷握最低点距离滑环3 4mm,既能保证足够间隙裕度,又可减小振动。

e.检查刷握和刷架有无积垢,定期用刷子扫除或吹风机吹净。每次停机时应清除集电环通风沟、孔内碳尘物,防止影响散热及通风效果。

f.控制碳刷电流分配和温度变化。配备直流钳形电流表和远红外测温仪,定期测量和掌握集电环表面有无过热现象,其温度应＜120℃。每个碳刷电流控制在20 100 A,及时消除电流不平衡、气膜、氧化膜、卡阻等现象,保证碳刷在良好平衡状态工作。

g.检查碳刷磨损程度。刷块边缘是否剥落,如果碳刷磨损严重或刷块有剥落,必须更换。正常运行中碳刷磨损掉1/3或碳刷在刷握内有摇摆,应及时更换。消除碳刷太短、电阻值变大、卡阻、阶梯形四面体等现象。

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