汽轮发电机滑环过热事故原因分析与对策

曹玉平

(神华国华国际电力股份有限公司 北京热电分公司，北京100025)

0 引言

目前大容量、高参数、高效率的大型发电机组在我国日益普及［1］，特别是600 MW 机组已经成为我国电力生产系统的主力机型。发电机碳刷和滑环作为励磁系统重要的组成部分，重要性不言而喻。近些年由于运行中碳刷过热引发的停机事故也屡见不鲜，本文以600 MW 机组为例，介绍碳刷过热机理及事故处理过程。

1 碳刷滑环设备简介

以国产600 MW 机组为例介绍滑环的结构。励磁变压器中的交流电经整流后，励磁电流通过发电机碳刷和转子滑环接入转子绕组。转子滑环以热套型式固定在转子大轴上，滑环下装有绝缘套筒，用以和转子本体隔离。正负滑环之间装有离心风扇，抽出的热风经风扇正下方的风道排出至厂房内。转子滑环的结构见图1。

图1 转子滑环的结构示意图

发电机励磁方式是自并励静止励磁，励磁侧电压407 V (90 ℃)，额定励磁电流为4 145 A，2倍强励电流为8 290 A，强励允许持续时间10 s。发电机集电环是合金钢(40Cr2MoV)锻件，经过加工和热处理(表面硬度HB 大于或等于300)热套于转轴绝缘筒上的环形构件，集电环表面周长为1 195 mm，额定转速下的线速度为60 m/s，1.1 倍超速的线速度为66 m/s。集电环的刷握及刷盒座主件是硅黄铜(ZHSi80 －3)精密铸件，经过加工后表面镀银。每个电刷都有1 个恒压弹簧，每只刷握能装6 块25 ×32 ×100 mm 的电刷，集电环正负极共有24 只刷握，总共装有144 块电刷，电刷选用摩根公司NCC634 碳刷，每个电刷在额定工况下的平均通流量是58 A，电流密度为7 A/cm2。

以摩根公司的NCC634 碳刷为例，相关参数见表1。

表1 摩根公司的NCC634 碳刷相关参数表

2 碳刷发热原因分析

碳刷在运行中最常见的问题是碳刷接触不良发热、产生火花，如发现不及时，处理不得当，极易形成环火烧损电刷刷握及集电环。归纳碳刷发热的原因主要有以下几个方面［2］:

2.1 滑环通风不良导致的发热

造成滑环通风不良的主要原因是冷却风道堵塞，集电环表面通风沟、集电环侧面通风孔堵塞、循环风扇风量下降等。尤其是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，有可能会堵塞上述集电环表面的散热通道，使得集电环温度急剧的升高［3］。

2.2 接触电阻过大或分布不均匀而产生的发热

集电环和碳刷是通过相互滑动接触导通励磁电流的，由于接触电阻的不同，电流分配的差异会导致发热不均匀，接触电阻的不同有以下几个原因:(1)碳刷与滑环表面接触电阻、碳刷与刷辫接触电阻、刷辫与刷架引线接触电阻过大。(2)电刷压力不均匀或不符合要求导致碳刷与滑环表面接触电阻变大。可能的原因有碳刷过短、弹簧由于过热变软老化失去弹性等原因。所以应保持同一刷架上每个碳刷的压力基本均匀。 (3)集电环与转子引线接触电阻过大。(4)碳刷型号不符合要求或使用了不同型号的电刷［4］。

2.3 碳刷质量不良而产生的发热

碳刷质量不良包括本身材质不良、导电性能差、自身电阻大、使用中有崩角、碳刷与刷辫松动接触不良的情况;崩角的原因是由于碳刷在运行中跳动过大，碳刷与刷辫连接部分安装不良会造成接触电阻增大，造成电流分布不均引起发热。

3 某厂滑环过热事故经过和处理情况

3.1 事故经过

某日16 时14 分运行接保洁人员通知，2 号机组励磁小间冒烟有异味，巡检立即至现场检查，发现2 号发电机励磁小间内冒烟，滑环处有环火，当时机组负荷472 MW，无功106 MVar，转子电流为2 944 A，运行人员快减无功和有功，汇报电网调度，并通知检修等相关人员到场检查。

16 时20 分机组负荷420 MW，无功－ 9 MVar，转子电流2 380 A，因2 号发电机励磁碳刷正极已形成较严重环火，减少励磁电流仍无法减小环火，值长下令手动紧急停机。

3.2 处理情况

停机后检查汽侧滑环 (负极)及刷架、刷握、碳刷等均无异常;励侧滑环(正极)烧损严重(见图2)，滑环表面均已变色，集电环螺旋槽有三槽烧损，最严重处烧损深度近10 mm，12 个刷握均有不同程度损伤，刷架基本完好。

图2 烧损后的集电环

4 事故原因分析

故障前包括集电环的风温、发电机励磁系统等在线参数均无明显异常，判断本次故障应为短时、突发性的故障。从曲线图中可以看出，集电环进风温从15 时40 分开始出现明显升高现象(图3)，且集电环两侧10，11 瓦的振动在15 时40 分以前没有出现较大的波动，从15 时40 分开始10 瓦振动从86.6 μm 增至99.8 μm (报警值125 μm)，11 瓦振动从37 μm 增至47 μm，3 min后回落。

图3 事故前后风温变化图

从以上情况分析，短时间内导致集电环装置过热的可能原因应为碳刷运行中破损引起同圆周或附近其他碳刷异常运行或刷握上的恒压弹簧、刷辨紧固螺栓等附件脱落卡在刷握与集电环中间等。故对发电机近期使用的碳刷进行调查，发现现场使用碳刷的批次较多，且外观、用料情况皆有不同。对现场的最近3 个批次的碳刷进行对比，均为上海摩根NCC634 型号，但碳刷上的标识、字号、字体粗细均不一样，顶部绝缘压板与刷体的用胶也不相同，引线的绝缘套管及线鼻、引线与刷体固定部位均有差别，而且用力扳刷块时3 块出现的现象不一样，上海摩根原厂的碳刷粉末较细，中间的一只成块掉落(本次现场刚换上的一批)，另一块硬度明显偏大，无法扳下。另一机组也在近期更换过同批碳刷6 只，均已换下，1 只绝缘压盖脱胶，5 只碳刷均出现不同程度破损，1 只引线线鼻脱落，破损的部位均为成片脱落。从最近一次碳刷更换记录看，9 月6 日更换了3 只碳刷，正极2 只，负极1 只，有一只碳刷正好在此次故障严重点附近，从左至右，本次更换了第二只，本次集电环损坏严重位在第三只碳刷位附近。图4 为本次故障位附近一只更换过碳刷的刷握。

图4 故障后碳刷刷握图

结合故障前10，11 瓦振动的明显波动及故障后刷握、刷架、集电环损坏情况等综合分析，本次故障的原因为:15 时40 分左右，在发电机励磁正极近11 瓦的一周刷握中，新换碳刷质量不良，由于振动、摩损等原因在运行中突然发生柱体头部破损，与滑环点状接触，造成碳刷剧烈振动并打火，同时破损碳刷块阻碍相邻碳刷正常运行，引起同滑环位置其他碳刷的同时异常运行，一方面引起了临近的10，11 瓦振动突变，同时引起碳刷的打火并迅速升温，故障部位温度上升，由于碳刷的负温度效应，故障部位碳刷接触电阻变得更小，流过故障部位碳刷的电流将成倍增加，并形成了恶性循环，故障部位碳刷打火愈演愈烈，并最终形成严重的环火，造成滑环接触表面迅速恶化，进而发生滑环表面弧光导电，能量剧烈释放，迅速烧损各部件。

间接原因:事后发现2 号发电机故障的正极集电环，近11 瓦处有明显的油气，在碳刷维护拔下近11 瓦的刷握时，发现个别碳刷表面有油迹。油气进入集电环表面后一方面增加碳刷的接触电阻，另一方面也导致集电环表面的碳粉不易排走，造成运行中电流分配不均，油污碳刷易打火，故11 瓦处的油气也是本次故障发展的一个间接原因。

综合来看，事故前近11 瓦处的油气运行中附着在集电环表面，造成碳粉集聚，滑环通风散热性能降低，同时增大的接触电阻引起碳刷发热增加，加上运行中新更换的碳刷质量不良造成振动打火，短时间内电流成倍增加形成环火造成事故，结合碳刷发热的3 个原因可知，碳刷质量不良造成的振动打火是引起事故的主要因素。

5 采取的措施

(1)将故障损伤的集电环送厂家解体后更换正极集电环。

(2)利用机组停运机会，清理滑环表面通风沟，使用压缩空气清理滑环侧面通风孔，同时对风道附近的碳粉、灰尘及油污等一并清理，保持滑环系统清洁，绝缘良好。

(3)严格控制电刷及刷架产品选购质量。目前同一品牌的电刷，都是在各个不同地方、不同工厂加工，这就要求在物资采购过程中对产品质量严格把关，对生产厂家的工艺和质量检测手段及程序进行全面的了解。

(4)每周的定期工作中仔细检查碳刷接触面的清洁程度，是否存在油污污染。检测滑环碳刷的电流分布情况，对电流很小的碳刷，注意打磨碳刷接触面上的氧化层，在打磨过程中应使用粒度较小的玻璃砂布，避免采用金刚砂布防止金刚砂嵌入碳刷，同时适当清理相应的滑环表面上的氧化层。

(5)加强对发电机的巡视，注意测量碳刷及集电环的运行温度［5］，更换碳刷前最好将新碳刷打磨，使得碳刷与滑环有更大的接触面，同时条件允许时可对单个碳刷总压降和碳刷接触压降等进行仔细测量，发现问题及时处理［6，7］。

6 结论

从本次事件可以看出，集电环的过热与碳刷质量不良和油气附着有直接关系，因此，一方面加强碳刷备件采购管理，杜绝不合格产品进入生产现场，另一方面还应继续加强日常维护管理和渗漏治理，定期进行红外测温仪测试，防止个别碳刷因过流而过热。遇有停机机会应重点对油污进行处理，降低油气对集电环的影响，从而避免事故的发生。

［1］华东六省一市电机工程电力学会．电气设备及其系统［M］．北京:中国电力出版社，2007．

［2］赵继康，薛嘉林．发电机滑环过热的原因及对策［J］．西北电力技术，2006，34 (4):61-62．

［3］中国自动化网．浅谈发电机集电环发热现象及处理意 见［EB/OL］．http://www．ca800．com/apply/d_ 1nrutga2l0c1g_ 1．html，2006-8-10/2013-08-20．

［4］张文元，刘怀亮．发电机碳刷及滑环的运行维护［J］．山西电力，2002，(4):60-61．

［5］李伟清．汽轮发电机故障检查分析及预防［M］．北京:中国电力出版社，2002．

［6］郭永红．石景山热电厂4 号发电机增容改造［J］．电力科学与工程，2008，24 (6):9-12．

［7］倪守龙，唐贵基，杨超，等．600 MW 超临界汽轮发电机组振动故障特征提取［J］．电力科学与工程，2013，29 (3):46-50．