发电电动机检修试运行滑环室放电事故原因分析及处理

赵 冉，穆小红，岳明奕，辛晓明

（1.河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350；2.哈达山发电有限公司，吉林省松原市 138000）

0 引言

某抽水蓄能电厂安装4台奥地利安德里茨公司生产的150MW机组，励磁系统中集电环采取正、负极为两块半圆形导体型式安装，且正、负极导体在上、下空间上两端均有搭接，其上分别接有6根励磁电缆。在集电环上以每2只为一组均匀装有6对半碳刷，下层单只碳刷安装在集电环上、下层空间搭接处。

发电电动机的励磁系统采用自并励可控硅励磁装置，电源取自本单元主变压器低压侧，机组额定励磁电压为252.7V/DC，空载励磁电压为72V，额定励磁电流为1200A，空载励磁电流为700A，碳刷尺寸为32mm×25mm，型号为EG34D。为降低滑环室封闭空间对碳刷产生的热量影响，改善通风条件，滑环室四周有机玻璃观察孔全部改装成滤网结构，保留上部有机玻璃观察孔，以便巡视时掌握其内运行情况。

1 事故过程

1号机组在C级检修后进行整组分步启动调试，当机组由发电空载试运行正常转停机过程时，励磁系统走逆变流程瞬间，发电机滑环室内突现弧光放电、火花四溅，并伴有少量白色烟气，由于时间极短，机组的保护装置并未动作，调试人员见状立即按下紧急停机按钮迫使机组紧急停机。

经检查发现，处于集电环负极与正极交叉部位处的单只负极碳刷刷辫已被烧熔，上、下集电环相应部位被严重侵蚀，绝缘套管被烧裂，且滑环上有一条深约0.5mm、长约50mm的划痕，其余碳刷正常，如图1所示。现场查看电流、电压故障录波均显示无异常，测量转子绝缘电阻及磁极连接电阻均符合相关标准的要求，且机组的振动、摆度均在合理范围内。

图1 集电环及绝缘套管损毁状况Figure 1 Damaged condition of collector ring and insulating sleeve

2 事故原因分析

1号机组自2007年2月投运以来，10余年间均无有关滑环室缺陷事故的发生，根据国内有关滑环室出现的类似放电事故经验，此次事故产生的原因可能为：

（1）碳刷载流密度不均。在检修完滑环室回装碳刷时，造成个别碳刷与刷握之间卡涩，再加之辅机分步启动到励磁投入中间过程大约持续10min，碳刷受热膨胀，使得碳刷在刷握中浮动不灵活，从而影响了碳刷与滑环的接触[1]，导致通过每只碳刷的电流分布不均，最终致使此碳刷放电打火。

（2）碳刷材质问题。由于设计之初只考虑了碳刷对滑环的腐蚀影响，在碳刷材质选择上使用的是电化石墨，从而忽略了其相对于天然石墨有较大的摩擦系数和对碳刷打火抑制的消极作用，且每次机组月度定检、年度检修在滑环室内都会附着大量的鱼鳞状碳粉，由此考虑认为碳刷材质也是此次事故的一个制约因素。

（3）温度的影响。碳刷与滑环相对运行的接触面上会形成一层均匀、稳定的氧化膜，其不仅有利于降低摩擦系数和增大正极碳刷与滑环间的接触电压降（负极与正极压降变化相反），还可增强润滑性能[2-3]。但此碳刷与刷握的卡阻使得其本身区域范围内温度过高，破坏了氧化膜的形成，加剧了碳刷与滑环的不正常磨损，使得碳刷摩擦发热过度，超过了铜质刷辫的熔点，引起刷辫断裂，造成正负极短接。

（4）压簧压力不足。由于使用的单簧恒压弹簧长时间运行，导致弹性疲劳老化、压力不足，造成碳刷与滑环接触面不稳定，从而引起拉弧[4]。

（5）绝缘击穿引起正负极短接。从事故发生损坏部位来看，还可能为负极碳刷刷辫过长，在安装后没有严格按照相关要求检查其与上、下集电环的距离，造成刷辫与上层的正极集电环下表面贴合，而上、下层集电环表面绝缘仅依靠绝缘红瓷漆维持，当手动投励磁电流到650A左右时，转子电压在160～200V之间，此时绝缘红瓷漆尚能维持绝缘，随后励磁系统OFF令发出后走逆变流程，转子电压反向，电压瞬时达到600～700V，绝缘红瓷漆被击穿，正负极电流通过刷辫短路，引发铜质刷辫熔融。

3 事故处理及防范策略

3.1 事故处理方法

依多年机组的运行状况并与其他3台机组对比，结合以上分析，断定为上述第（5）项原因引起，为从根本上杜绝类似事故的再次出现，采取以下方法进行处置：

（1）将碳刷全部更换为同一批次、相同型号的碳刷并对其接触面进行研磨，使其与集电环的接触面积大于75%。

（2）对产生划痕的下滑环和上、下集电环有铜渍处用专用砂布进行打磨处理，并对集电环刷绝缘红瓷漆。

（3）更换损坏的绝缘套筒。将新绝缘套筒刷绝缘红瓷漆，并用1000V绝缘电阻测试仪耐压1min，测得的绝缘电阻符合相关标准要求。

（4）检查每一个刷握压簧的压力并确保碳刷受力均匀且与滑环接触良好。

（5）用白布蘸酒精对滑环、集电环仔细擦拭，并用吸尘器清除碳粉、灰尘及残留的细小铜渣，确保滑环室内清洁。

（6）检查励磁穿轴引线及刷架紧固螺栓，对防松动垫片进行仔细确认。

（7）为避免再次因为刷辫在振动和在其自身的弹性作用下与上集电环接触形成闭合回路，将两个集电环之间的碳刷刷辫用热缩管封装，如图2所示。

3.2 防范策略

鉴于滑环室对环境要求较高，以及结合运行经验、管理角度，可从以下几个方面进行预防：

（1）建立健全发电电动机碳刷及其附属结构的维护制度，完善碳刷安装与研磨质量管理体系。

（2）对滑环室进行技术改造，安装碳粉吸收装置和弧光保护回路。

（3）为减轻碳刷对滑环“阳极蒸发，阴极粉化”的影响，定期倒换滑环极性和采用材质为天然石墨的碳刷。

（4）与碳刷生产厂家联系，要求将碳刷刷辫的长度根据设备实际情况适当缩短，以此保证安全距离。

图2 封装热缩管Figure 2 Encapsulated heat-shrinkable tube

4 结束语

通过对滑环室事故的处理，进一步增强了运维工作的相关经验。此种预防措施的应用，取得了理想的效果，并排除了当初考虑的集肤效应问题，对有类似隐患的单位提供借鉴。

要以状态检修管理理念为出发点，根据机组容量明确细化上、下集电环安全距离标准，规范刷辫长度合理化指导意见，从多角度研判事故发生的可能性和客观规律，从中抓住设备个性特点，采用可操作的、积极的、有效的解决和预防措施，继而确保机组安全稳定运行。