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摘要：发电机滑环冒火在各个电池的运行生产中是常见的现象，碳刷作为发电机动静接触和交换能量的设备，其运行状况的好坏，直接关系到发电机的运行安全，如果不能及时有效地采取措施加以处理，或者处理不当，将会扩大故障，造成严重发热、碳刷甚至是滑环烧坏，导致发电机停机事故，造成不必要的损失。
关键词：发电机滑环；冒火；预防；对策
发电机运行中滑环冒火花是常见的故障之一，若不及时消除，可导致发电机滑环冒火，对发电机组安全运行造成直接威胁，严重时被迫停机。就大型发电机而言，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、研究产生环火的原因，监测设备运行状况，拟定相应对策等方法是可以有效地防止发生此类故障的。
一、事例经过
某厂12MW机组发生一起发电机滑环环火被迫紧急停机事故，停机检查发现发电机滑环上的刷握均有不同程度的烧熔现象，四个碳刷也严重烧毁，前三只碳刷已经与滑环表面不接触，只有第四只碳刷还与滑环表面有一些接触，发电
机转子已临近失磁状态，如下图所示：
二、停机后检查情况
通过对这次12MW机组滑环冒火前运行情况分析，机组在故障前运行各参数均正常，有功、无功功率均在额定范围，机组的振动和轴位移均符合运行规程要求。同时对故障后的碳刷、压簧、刷辫及刷握、刷架进行了详细检查，其结果如下：
1、所有碳刷均为同一型号（NCC634），且磨损长度均在允许范围内。
2、对刷握、碳刷进行检查，发现均严重过热，碳刷及刷握均有不同程度的烧熔现象，其中两只碳刷与刷握之间已粘连。
3、压簧均为“U”型，其中两只卡簧已与碳刷、刷握粘连无法拔出，只有一只压簧压力弹片完好，但两侧压力弹片也存在严重过热迹象。
4、转子滑环表面明显凹凸不平，滑环已经失圆，碳刷在运行中已经存在跳动现象，由原来的面接触逐渐转变为线接触甚至是点接触。
相关图片如下所示：
三、原因分析
通过对压簧、碳刷、刷握的检查以及滑环表面的测量综合分析后认为，此次冒火的原因是：
1、在机组运行中，虽然使用的是同一型号的碳刷，但由于其压力不同，造成碳刷与滑环间的接触电阻不一，致使同极滑环上不同碳刷间电流不均，部分碳刷电流过大。
2、滑环已经失圆，碳刷与滑环面的接触已经由原来的面接触逐渐转变为线接触甚至是点接触，造成接触面通流密度增大，根据Q=I2RT，发热量与电流的平方成正比，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。
3、碳刷过热造成压簧弹性变差，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。
4、碳刷型号虽然均为NCC634，但由于其存在阻值上的差异，同样使同极滑环上碳刷间电流分配不均。
5、由于运行人员巡检间隔时间较长，未能及时发现部分碳刷严重过热情况，也是最终造成发电机滑环冒火的原因之一。
总之，碳刷运行中火花产生后，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，导致个别碳刷烧熔，而碳刷烧断后其分摊电流转移到其他碳刷上，造成其他碳刷也发生如此情况，形成恶性循环。同样，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，最终导致发电机环火故障的发生而紧急停机。
四、对策和措施
1、该台发电机转子滑环的检修措施
1）对发电机转子励端和汽端滑环进行修复
滑环尺寸数据如下
2）对发电机转子进行充分清理和吹扫，尤其是滑环面及其导风槽。
3）更换全部碳刷及其压簧、刷握、刷架：新碳刷进行研磨，接触面必须达70%以上；压簧压力必须合格且基本一致。
2、下步整改措施
1）增加碳刷分摊励磁电流：
通过对发电机碳刷刷握及刷架的详细观察和测量，可以考虑在原有的刷架上新增一只刷握及碳刷，用以分摊发电机励磁电流，从而减轻碳刷、滑环的发热情况，降低故障率，具体情况如下图所示：
2）加强通风冷却：
可以考虑接一路仪用压缩空气至发电机滑环处，对发电机滑环及碳刷进行吹扫，一方面降低滑环面及碳刷等部件的温度，另一方面可以带走运行中的碳粉。
3、正常运行中为有效防止类似故障的发生，可采取下述相应的对策：
1）检修班每天应定期对发电机滑环及碳刷进行全面检查，测量各碳刷电流是否基本均匀，检查压簧压力是否合格、碳刷在刷握中的活动情况是否良好，检查各部位是否存在积粉现象并及时清扫、尤其是滑环面螺旋导风槽内的积粉。
2）运行各班也应定期对发电机滑环、碳刷、压簧进行全面、系统的检查，发现问题应及时调整或处理，检查间隔时间应视滑环碳刷运行情况及时调整。
3）压簧使用前应检查其压力均匀，卡口卡入刷握内应牢固，无弹出现象，压簧无断裂现象，运行班应备有足够的压簧备件。
4）领用新碳刷时应首先进行碳刷阻值测量，并将阻值相同的碳刷分别编号存放。更换碳刷时，必须在同一极滑环上使用同一阻值的碳刷。严禁不同阻值的碳刷在同一极滑环上使用。新碳刷使用前必须配磨，以保证碳刷与滑环表面接触达70%，同时，新换碳刷长度应与运行中的碳刷长度基本一致。新碳刷在刷握内应有间隙，且碳刷上下灵活串动无卡涩现象。
5）经常检查碳刷的活动情况。用提刷的方法检查鉴定碳刷在刷握内上下活动是否自由，有无卡刷和碳刷焊附在刷握壁的现象（碳刷与刷握配合的间隙太小会产生卡刷现象；碳刷受力不合理时，会产生碳刷焊附现象，当碳刷工作时上下微动，碳刷与刷握壁之间的接触电阻逐渐降低达到一定程度时，由于热和电的作用，碳刷就粘附在刷握壁上而失去了上下活动的能力）。当发生有卡刷和碳刷焊附现象时，应立即研磨碳刷和清理刷握内壁，使碳刷恢复上下自由活动能力。
6）经常检查刷辫是否完好，碳刷是否有脱辫现象，导线是否氧化及是否有烧断股线现象等。接触是否良好，有无过热现象，如出现发黑或烧伤等现象，则应该更换碳刷。
7）检查有无碳刷颤振的情形。集电环磨损不均，碳刷松弛，机组振动等原因都可能引起碳刷颤振，此时必须将其从刷握中拔出检查是否有损坏情形，查明颤振原因并消除。为有效减小振动，刷握最低点距离滑环3～4毫米，既保证足够间隙余度，又可以减小振动现象。
8）检查刷握和刷架上有无积垢，定期用刷子扫除或吹风机吹净；每次停机时，应清除集电环螺旋导风槽的碳尘物，以免影响散热及通风效果。
9）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无过热现象，其温度应不高于120℃；每个碳刷电流控制在20～100A，刷体温度控制在不大于80℃，及时消除电流不平衡、气膜、氧化膜、卡阻等因素，保证碳刷在良好平衡状态工作。
10）检查碳刷的磨损程度。刷块边缘是否存在剥落现象，如果碳刷磨损严重或刷块有剥落现象，就必须更换。正常运行中，一般碳刷磨损掉 1／3，或碳刷在刷握内有摇摆的情形，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。
总之，针对发电机滑环和碳刷冒火，可按下表方法处理。
碳刷发生火花的原因和消除方法
通过采取上述措施，可以有效地控制发电机滑环冒火、过热、弹簧弹出、压簧断裂等情况的发生，对发电机长期安全稳定运行能够起到较好的保障作用。
参考文献：
[1]《汽轮发电机及电气设备》，涂光瑜主编，中国电力出版社1998。
[2]《电气运行技术问答》，华东电业管局编，1997.7。
[3]《发电机滑环和碳刷常见故障分析》，王真威，山西焦煤科技2008（6）。
[4]《发电机碳刷国产化的应用》，黎月祥，电工技术，2005（12）。
论文作者:余明
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/14
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