9号发电机滑环处理经过及原因分析

#9发电机滑环冒火情况及处理经过
大唐安阳发电厂发电部董志勇
【摘要】发电机运行中滑环冒火是常见的故障之一，若不及时消除，可导致发电机滑环冒火，严重时将造成滑环烧毁、被迫停机的事故。

通过分析此次发电机碳刷冒火处理的经过和事故原因，提出了防范措施和运行维护中要注意的有关事项。

【关键词】发电机过热，滑环冒火碳刷
1、前言
同步交流发电机是一种运用旋转的电磁电枢产生电流和电压的设备。

它包括一个转子（旋转电磁场）和一个定子，用来提供三相电压。

对于现代大型发电机组，由于容量限制，转子已不可能采用永磁铁，一般为电磁铁。

采用此种方法需要将直流电流通过碳刷与滑环相接触，再由滑环将励磁电流导入发电机转子。

大型发电机碳刷和滑环正常情况下，运行比较稳定，维护工作量也较小。

但碳刷和滑环是发电机中动静接触和交换能量的设备，因受其通流的大小、碳刷的压力、周围的环境温度、湿度、清洁度、碳刷与滑环表面的磨损以及本身制造工艺等因素影响，在长期运行中，容易在碳刷和滑环之间发生冒火，若没有在及时发现隐患进行处理，将有能形成恶性循环，造成刷辫烧断、滑环打毛、压簧震断、碳刷震裂等，严重时将形成环火造成滑环烧毁、被迫停机的事故。

紧急停机不仅造成系统出力下降，影响系统稳定运行，而且对发电机组本身也将产生危害。

通过认真分析、研究产生冒火的原因，发现制定相应防范措施等方法，是可以有效地防止发生此类故障的。

2、设备简述
安阳电厂＃9机为汽轮发电机组。

发电机为发变组单元接线。

大唐安阳发电有限责任公司#9、10发电机为97年11月相继投产的哈尔滨电机厂生产的300MW机组，励磁系统是带有永磁付励磁机、交流主励磁机，静止整流器的“三机励磁”系统。

主励磁机Exc输出的交流电流，由三相全波桥式接线的硅整流柜整流后，经发电机碳刷供给发电机G励磁。

而交流主励磁机Exc的励磁，由中频永磁付励磁机PMG输出交流电，由励磁调节器的可控硅整流桥整流后，经主励碳刷供给。

励磁碳刷采用恒压压簧，压簧形式见图1。

发电机和主励碳刷型号均为D172/2-14②；规格为25×32×65；图号为92HL-79T。

发电机每极36条碳刷，分四排、每排9条，；两极共72条；主励每极4条，共8条。

图1：压簧形状及尺寸
2.1 发电机为三相二极同步发电机，型号：QFSN－300－2－20型。

2.2 主励磁机为同步发电机三相四极励磁机，型号为TFL-1670-4。

2.3 副励磁机为同步发电机永磁，型号为TFL-75-400。

3、事件经过及处理
3.1 事件的发生
2008年01月10日检查发现#9发电机大滑环北侧一极有三块碳刷辫发热，立即将发热炭刷更换，更换后正常；事后测量#9发电机碳刷电流分布，发现#9发电机大滑环北侧一极电流分布不均匀；有三块超过100A，有四块电流低于20 A。

经调整后，降到100 A 以下，但仍在80A左右。

2008年02月04日 #9发电机停运转B级检修，2008年03月6日#9发电机B级检修结束后，#9发电机并入系统。

3.2 事件的发展
2008年5月13日检查发现#9发电机北极碳刷冒火严重，减无功进行调整处理后基本不冒火。

运行每班重点对#9发电机北极碳刷进行维护，但从13日开始到5月20日#9北极发电机碳刷冒火情况逐步恶化，每班多次进行维护，但间隔一段时间后仍出现冒火
现象。

中间几次出现被迫减无功、降低励磁电流进行处理和调整。

5月20日测量#9发电机北极个别碳刷电流大在250A左右，并且刷辨温度高、烧焦变色，紧急减#９机无功进行处理，处理中共更换８块碳刷，其中有５块刷辨被已烧断，并对全部碳刷进行了调整和维护，将各碳刷电流调整后降至80A以下。

从5月20日开始到5月27日多次出现烧断碳刷刷辨，25日开始出现每班都碳刷刷辨烧断的现象，并且出现碳刷刷窝被烧坏的情况；冒火情况经调整后消失，但加无功后，冒火情况又出现，无法消除。

被迫限最高无功100MVAR运行。

3.3 事故中的处理和碳刷维护
5月27日将#9机组北侧一极所有碳刷和压簧进行了更换，并且将碳刷刷窝有缺陷全部进行更换。

更换后#9机组北侧一极刷刷辨不再烧断，但冒火情况情况依然呈恶化趋势。

从5月29日检修开始打磨滑环表面。

经打磨滑环表面冒火情况有所好转，但无法加无功。

6月12日加无功至100Mvar（此值为上限值）时，碳刷冒火情况就比较严重，被迫将无功降至60 Mvar运行。

从6月12日开始 #9发电机碳刷北极碳刷磨损加快，期间平均每班更换3块以上；
以#9机组碳刷北极碳刷最北侧一排碳刷磨损最快。

冒火情况情况在仍存在，无法消除。

从25日开始碳刷压簧断裂崩开现象时有发生，基本集中在北极碳刷最北侧一排碳刷。

3.4 事件的发展的最后结果
从6月27日北极碳刷最北侧一排碳刷振动开始明显增大，压簧断裂崩开也呈逐步上升，到#9机7月8日停机，平均每班更换压簧4个以上。

北极碳刷其他三排碳刷压簧断裂崩开情况比较少。

期间只能维持发电机转子电流在1500A（额定电流2203A）左右运行。

4、停机处理经过
#9发电机由于碳刷冒火只能降无功维持运行，但长期运行势必造成更大的危害，被迫于2008年7月8日申请省调停机，处理#9发电机碳刷北侧一极碳刷冒火。

停机后检查发现：滑环表面已凸凹不平、特别是最北侧一排，靠近发电机6瓦一侧，不平度比较明显；部分刷窝内有电弧烧灼痕迹；部分碳刷由于震动有掉块现象；部分压簧由于过热弹力明显减小。

联系厂家对#9发电机碳刷北侧一极滑环表面进行了打磨处理。

处理完毕后，将受损碳刷、
压簧、刷窝进行了更换。

检查滑环、压簧、碳刷和碳刷架无异常后，于7月11日12：00#9发电机并入系统运行。

#9发电机并入系统运行后,检查北侧一极滑环和碳刷无冒火现象。

机组在满负荷下，测量#9发电机碳刷电流分布偏差不大，滑环和碳刷温度在60℃左右、无冒火情况。

#9发电机碳刷和滑环运行正常。

5、原因分析
发生碳刷冒火花的原因很多，相关资料、规程都对其作了详细的叙述，但在实际生产中真正造成碳刷冒火花的原因大概有以下几种：
5.1 碳刷电流分布不均、个别碳刷电流密度过大
实际运行中，如果有一、两个碳刷因机械原因卡涩，弹簧压力不足等原因不出力，只要碳刷电流分布比较均匀的话，由其他碳刷分摊其电流，短时间内还不致于发生大的危害，但要及时发现、进行调整。

就怕碳刷电流已分布不均匀，造成个别碳刷带大负荷电流，这次#9发电机励磁冒火时就发现，个别碳刷测量电流在200A左右，峰值达到过400A，如此大的电流造成接触面通流密度增大，根据Q=I*IRT，发热量跟电流的平方成正比，积聚的热量无法散发出去时，温度急剧升高，碳刷与滑环接触面就会产生火花。

另外火花的产生后，使碳刷工作环境更加恶劣，从而恶性循环，使碳刷冒火花更严重。

并且在如此大电流下将造成碳刷刷辫烧断。

碳刷烧断后其分摊大电流又转移到其他碳刷上，造成其他碳刷也发生如此情况，形成恶性循环。

碳刷过热造成压簧弹性变差，造成碳刷压力不足，使碳刷与滑环之间发生打火，滑环打出熔点，加剧发热。

碳刷长期冒火状态将使滑环拉毛、烧蚀和产生麻点，滑环产生高温它会造成碳刷与滑环表面接触不良，更容易打火，使滑环过热，造成恶性循环。

轻微时滑环表面产生轻微的划痕，严重时滑环磨损和烧蚀。

当滑环表面产生划痕。

就会使碳刷与滑环的摩擦力增大，加剧碳刷与滑环的不正常磨损，使滑环产生较多的热量，同时引起碳刷跳动；而压簧在交变应力下长时间运行，造成压簧疲劳断裂崩开。

此次事件最后造成的结果就是滑环表面凸凹不平、碳刷震裂、压簧震断等现象。

5.2 滑环和碳刷表面不洁
这一点最让人忽略的，正常运行的发电机碳刷密封在密闭的柜子内，靠出风口在南侧一极下方的滑环风机把磨下的石墨碳粉、碳刷发热及时吹走，达到冷却的作用。

如果由于发电机密封瓦漏油、甩油将油污附着在碳刷、滑环上，一方面影响碳刷散热，另一方面碳刷发生火花时因滑环表面不洁，刷柱之间绝缘强度不够很容易环火。

此外滑环上车有螺旋状一道道沟槽，这是为了增加碳刷散热面积，改善同碳刷接触，使碳刷更充分冷却，同时更容易让碳粉抽走。

油污也很轻易附着在螺旋状沟里，其也将严重影响其散热。

对于此次事件分析发现：#9发电机北侧一极碳刷和滑环就发电机侧，接近发电机6瓦处；#9发电机2月份B级中修前，由于发电机密封瓦缺陷，造成6瓦甩油；造成#9发电机北侧一极碳刷和滑环油污灰尘比较多。

并且滑环风机的由于设计的原因，出风口位于南侧一极、北侧一极散热没有南侧一极好。

此次事件中，最北侧一极电流不均匀情况最大，刷辫烧断也以最北侧一排的9条碳刷为多；在事件最后，压簧震断的也全部集中在这一排；停机后检查也是这一排下滑环表面不平度最大。

集中以上情况说明，油污问题是本次碳刷冒火的主要诱因。

5.3 碳刷压簧压力不均匀或不符合要求。

碳刷出厂时厂家都有相关：碳刷压力调整到不发生火花的最低压力，经过科学论证和实践总结，最低压力一般为200～300ɡ/c㎡，即0.02～0.03MPa,要求各个碳刷之间的压力也要均匀，其差别不超过10%。

发电机在长期运行中如果某个碳刷摩擦过短，或碳刷在刷框内滞卡，或由于碳刷温度高造成压簧过热等情况下，压力将出现不均匀。

特别是碳刷过热将使压簧弹性变差，造成碳刷压力不足，使碳刷与滑环之间发生打火，滑环打出熔点，加剧发热。

碳刷长期冒火状态将使滑环拉毛、烧蚀和产生麻点，滑环产生高温它会造成碳刷与滑环表面接触不良，更容易打火，使滑环过热，造成恶性循环。

轻微时滑环表面产生轻微的划痕，严重时滑环磨损和烧蚀。

当滑环表面产生划痕。

就会使碳刷与滑环的摩擦力增大，加剧碳刷与滑环的不正常磨损，使滑环产生较多的热量，同时引起碳刷跳动；而压簧在交变应力下长时间运行，
造成压簧疲劳断裂崩开。

此次事件最后造成的结果就是滑环表面凸凹不平、碳刷震裂、压簧震断等现象。

此次事件中，检查处理过程中更换下来压簧，发现其拉力明显比造成偏小；冷却后其拉力又所回升，但仍达不到初始值。

停机后，只有将所有压簧更换。

5.4 轴承振动大。

励磁采取三机励磁系统发电机组，大轴带励磁机，副励磁机。

由于轴系较长、带的附加设备多了，振动自然就很难控制到最低，。

机组长时间运行，疲劳、老化等等复杂因素引起轴承振动加大，碳刷随着震动，将使刷柱摩擦不均、引线及弹簧松动，发生局部冒火花慢慢进一步影响全局。

这也是造成此次冒火的不利因素。

5.5 其他不利因素
#9发电机转子电流长时间在大电流下运行。

#9发电机四月份负荷率比较高，负荷率达93％；而五月份在5月7日#10发电机停运检修后，#9发电机负荷基本在额定运行，并且在#9机组单机运行期间，系统无功缺额比较大，所带无功基本在额定下运行。

#9发电机长时间高负荷运行造成转子电流长时间在大电流下运行；这样使得个别碳刷在电流大下运行的温度升高长时间将不下来，加剧了情况的恶化。

6、日常运行中维护的措施
6.1 日常运行检查：
加强定期与不定期的设备巡回检查工作，正常情况下,工作人员每班必须对发电机碳刷进行检查，用红外测温仪测量集电环和碳刷的温度，夏季高峰负荷期间以及无功和电压波动较大时应缩短温度测量间隔，更换的新碳刷做重点检查。

最好每天高负荷阶段测量一次碳刷电流分布情况，发现碳刷电流过大、过小要及时及时进行调整，处理不好要通知检修进行处理。

6.2 日常清洁维护：
正常运行中每天都要进行清扫、吹灰工作，保持碳刷及整流子滑环光面清洁，若遇异常现象造成碳刷灰尘大时，要加强清扫。

遇有停机机会，检修要对滑环、碳刷、碳刷架以及滑环罩等进行全面的清扫、检查。

特别要重点对油污进行处理。

维护时要调整碳刷压簧，防止因卡涩造成压力不均，，碳刷压簧的压力要符合制造厂家的规定，并使碳刷承受压力均匀。

防止个别碳刷过热或产生火花、刷辫烧焦烧断现象的发生。

碳刷运行中出现问题必须及时消缺，避免恶性循环，危及机组正常运行。

6.3 碳刷更换时要注意的问题
对新购进的碳刷进行验收。

测定碳刷的固有电阻值，测量碳刷引线接触电阻，阻值要符合制造厂和国家标准。

严格把握更换碳刷工艺，同一台机组使用的碳刷必须一致，不可掺插使用。

在更换碳刷前，细心研磨碳刷使其面面光滑，碳刷在刷握内应有0.2～0.4毫米的间隙，在刷握内上下活动自如。

刷握的下边缘和滑环表面之间的距离为2～3毫米，距离过小，会碰撞滑环表面，易受损、距离过大碳刷跳动易产生火花。

争取实现碳刷接触面大于碳刷截面的80％。

勤更换，但多次更换碳刷不宜过多，一次更换碳刷的数量不得超过单极总数的10％，碳刷顶端低于刷握顶端2mm的碳刷应尽快更换，每次更换碳刷时必须使用同一型号的碳刷，但要注意节约和充分利用碳刷。

更换后的碳刷必须用直流卡钳表测量碳刷分流情况，用红外测温仪进行温度测试，防止个别碳刷因过流而过热。

6.4 要加强检修质量控制
避免由于检修质量不良或运行调整不当造成机组运行中，发电机密封油外泄，甩到滑环上，增大碳刷与滑环之间的接触电阻。

刷架和刷握在机组大、小修时要慎重调整，回放和安装刷架时，角度和几何位置要保证在原状态，各碳刷的中心线要对准大轴中心。

6.5 维护中的安全注意事项
维护、更换碳刷时要将衣服袖口扣好，衬衣不得将袖口挽上；上衣要将衣服扣好、衬衣要将下摆扎入裤内；女同志要将头发盘入帽内。

裤上所挂钥匙要摘下，上衣口袋内物品要取下。

测量碳刷电流时，要将直流电流表表带套到手腕上、或将表带取下。

维护碳刷时要先测量碳刷刷辨温度，防止烫伤。

维护、测量、更换时要站在绝缘垫上，身体要注意和周围设备保持距离，特别要注意保持和滑环防护罩的距离；手不得同时接触两极或同时接触一极和周围接地的设备外壳。

维护、测量、更换时要一人进行，不得两人同时工作。

最好由有经验的人员进行维护。