（内蒙古能源发电金山热电有限公司 内蒙古呼和浩特 010106）
摘要：碳刷滑环是发电机静止励磁部分与旋转部分的接口部件，运行中如果维护不当易出现碳刷环火事件，本文对某电厂300MW发电机励磁系统碳刷滑环烧损经过、原因进行了分析探讨，给出了防范对策。希望能为从事电力行业相关工作的工程技术人员及运行维护人员提供参考借鉴。
关键词：发电机；碳刷；滑环；环火；原因分析；防范对策
引言
在火电厂中，发电机组设备是极为重要的组成部分，是保障火电厂安全运行的关键，而碳刷滑环是发电机静止励磁部分与旋转部分的接口部件，对发电机来 说，发电机滑环及碳刷一直是一个薄弱环节。一方面，它 是静止部件碳刷和滑动部件的直接接触部位，是励磁整流部分向转子绕组输送电流的关键部件，易受到多方面因素的影响，影响严重时运行中会出现碳刷环火事件。从近年来火电厂发生的类似故障看，一旦造成停机故障，会产生不可挽回的经济损失。因此，有效提高其运行检查及维护质量、进行精细化维护管理、加强其技术创新与实践，是保证火电厂安全运行的有力条件。此外，在设备运行过程中，对于出现的异常及故障及时进行解决，也是保证火电厂发电正常的关键因素。
1某电厂300MW发电机励磁系统碳刷滑环烧损经过及原因分析
1.1设备故障事件过程
1.1.1 故障设备概况
某电厂2×300MW发电机采用东方电机有限公司生产的QFSN -300-2-20B型发电机，额定功率300MW，均为水-氢-氢汽轮发电机，定子绕组采用水内冷，定子铁芯及定子端部采用氢外冷，转子采用氢内冷，采用瑞士ABB公司生产的自并励静止励磁系统。自并励磁静止励磁系统出来的正负两极电源，通过刷架-刷握-碳刷与转子滑环接入转子绕组。转子集电环（滑环）与绝缘套筒，通过加热套在转子大轴上，绝缘套筒装在滑环下，与转子之间起到绝缘隔离作用。两极滑环之间的离心风扇起通风冷却作用，热风延风道排至发电机底部6.3米处。两极滑环碳刷数为36×2只。碳刷沿滑环圆周近似均匀分布，通过刷握、铜支架安装在刷架上。刷架两端装有绝缘隔板。刷握为东方电机厂配套产品，为恒压弹簧。碳刷为中英合资上海摩根碳制品有限公司生产的NCC634，尺寸为38.1ⅹ25.4ⅹ102，该碳刷是选用英国产天然石墨材料，性能指标比国产的D172碳刷要好。国内许多电厂普遍采用该碳刷，并作为国内几大发电机厂（上海电机厂、东方电机厂、哈尔滨电机厂等）的定点配套产品。
1.1.2 设备故障事件发生时现象
2017年12月1日05时左右，某电厂1号机组接带有功负荷193MW，发电机无功10MVar，定子电压19.05KV，励磁电压200V，励磁电流1146A。DCS显示机组运行正常，当时机组振动、偏心、胀差、瓦温、回油温度、氢气压力、氢气温度均正常。05时10分左右发电机无功、励磁电压DCS显示参数开始小幅波动，约05时30分前发电机无功、励磁电压参数开始波动加大，励磁电流波幅不大，发电机其他参数正常。05时29分02秒336毫秒转子一点接地高定值保护动作，05时31分03秒836毫秒转子一点接地低定值保护动作，当时集控当值电气无人监盘，集控盘面无报警蜂鸣等音响提醒。05：37集控当值人员通过不定期巡视检查发现DCS画面报“发电机转子一点接地”励磁电压大幅波动，派人就地检查发现#1发电机碳刷间发生环火严重并有间歇性弧光放电，人员无法靠近碳刷部位，汇报并紧急退#1机AGC，有功负荷降至70MW，解AVC，手动减励磁电流。6：04发电机碳刷环火并弧光放电严重，汽轮机打闸停机，发电机解列，锅炉手动MFT。发电机解列停机后碳刷环火及弧光放电消失，检修、运行人员共同检查发电机滑环碳刷部位故障情况，发电机碳刷间正极刷握、碳刷、刷架、滑环等部件均存在不同程度的烧损。
1.1.3故障设备损坏及修复情况
12月01日7：00 本厂组织人员开始抢修，并联系东方厂派技术人员人来现场进行发电机滑环、碳刷部位的修复工作。12月03日21：55 1号发电机滑环、碳刷枪修工作结束。12月04日06：43 1号机组恢复并网。本次设备故障停机共造成三天停机损失及故障设备的修复费用损失。
故障设备损坏情况：发电机停机后检查发电机碳刷小间正极刷握、碳刷、刷架、滑环等部件均存在不同程度的烧损。有七组碳刷烧熔，刷握刷辫线以下部位全部烧熔，正极只有一组刷握碳刷完整（每极共八组），负极碳刷无损伤。发电机刷架烧损严重，发电机滑环表面有金属熔渣及灼伤斑点，发电机转子稳定轴承罩有灼伤，发电机正极滑环与大轴绝缘套筒烧损碳化。下面为现场修复前的实拍图：
12月2日德阳市东方电器配件有限公司技术人员来我公司开始对#1发电机集电环、绝缘套筒、刷架、刷握进行修复，具体处理工序为：
（1）清理打磨集电环后拆出集电环分流环及导电螺杆。
（2）加热拔出外侧（正极）集电环及绝缘套筒。
（3）清理轴上高点油污及烧灼点，并清理风道脏污。
（4）复查集电环与绝缘套筒尺寸并进行比对，加热绝缘套筒及集电环后将绝缘套筒迅速套至集电环。
（5）集电环与绝缘套筒、轴温冷却至环境温度后，进行导电螺杆及集电环分流环装配。
（6）装配完集电环后进行气敏试验合格。
（7）复查刷架、刷握、碳刷尺寸，比对无误后安装调整合格。
本次抢修更换绝缘套筒一个、正极一套刷架、八个刷握、32个碳刷、绝缘外罩一套。
1.2 设备故障原因分析
从整个设备故障事件发展过程来看，05：00分左右，值班人员巡视时还没 发 现任何问题，从05：10分开始转子电压开始小幅波动，直至发生设备损坏故障，整个事件的发生与处理过程不超过一个小时，事件的发展过程是非常快，特别是后期发展迅速。分析其主要原因及事件发生的过程如下：
（1）经对发电机未损坏的刷握及碳刷检查发现有个别碳刷在刷握中有滞卡现象，碳刷不能活动自如，原因为更换安装时需要对碳刷接触刷握的四个面进行仔细打磨才能达到活动自如，如果更换时未打磨合适，就会造成滞卡现象。
（2）公司一直使用的碳刷是上海摩根产品，查询今年碳刷供应商及上海摩根公司，经调查确证，我公司今年使用的三个批次的碳刷供应商均未从上海摩根公司采购产品，现场在用的碳刷是上海摩根的仿制品。
（3）因刷握及碳刷在机组长期运行中存在刷握之间的恒压弹簧压力不均、碳刷长短不一、碳粉的积聚等现象，再加上个别碳刷在刷握中有滞卡现象，碳刷与发电机滑环的接触压力、接触面积、接触电阻变化不稳定，导致了各个碳刷间严重的电流分布不均匀，并伴有局部过热现象。
以上存在的现象在运行中未得到及时发现和处理，当滑环及碳刷发热加重并突变，引起碳刷打火并恶性循环，导致连锁反应，使整个滑环及碳刷温度迅速升高，由于其发热导致更多的碳刷冒火和拉弧。电弧由小到大，逐渐扩大加强，在滑环的高速旋转下，形成环火，弧光使滑环处温度急剧升高，会将碳刷烧软、烧熔，高温和电流分配不均导致的大电流会使刷辫烧断，滑环环火会导致刷握、铜支架对滑环拉弧而烧熔，电弧和高温会造成绝缘套筒以及绝缘隔板的炭化，滑环和转子大轴之间的绝缘遭到破坏，发生发电机转子接地，加上碳粉的积聚，以及电弧导致的空气电离和金属熔渣，发生滑环烧损停机。
2 碳刷滑环烧损故障应吸取的教训及防范对策
2.1 设备故障应吸取的教训
分析整个设备故障事件发生的过程，无论是从运行人员日常检查、定期工作、发现处置，还是生产维护保养方面的工作看，暴露以下几方面的问题：
（1）集控电气运行人员对发电机滑环及碳刷就地常规检查及定期测温工作不认真，未能及时发现碳刷滞卡、压力不均、电流不均及发热异常等现象，未能通知检修人员及时处理。而发现了严重的滑环碳刷环火不能控制后，应急处置措施不当，未能果断及时停机，致使设备烧损加重，增加了设备故障后修复时间及费用。
（2）通过热工DCS参数曲线追忆大约从05时10分左右发电机无功、励磁电压参数开始小幅波动，约05时30分前发电机无功、励磁电压参数开始波动加大，励磁电流波幅不大，发电机其他参数正常。从发电机保护柜打印显示：05时29分02秒336毫秒转子一点接地高定值保护动作；05时31分03秒836毫秒转子一点接地低定值保护动作，当时集控当值电气无人监盘，集控盘面无报警蜂鸣等音响提醒，致使集控运行人员对集控电气盘上发电机励磁电压、励磁电流波动变化及转子一点接地报警信号发现处理不及时。
（3）检修维护人员对发电机碳刷维护不重视，碳刷更换打磨工艺粗糙，更换碳刷后不能保证活动自如，经常发生滞卡现象。
（4）发电机碳刷运行、检修维护管理工作做的不精细，缺碳刷更换专业台账，对于使用更换原始记录及质量跟踪查找分析困难。对购买、使用发电机碳刷产品质量把关不严，现场使用的上海摩根的仿制品，碳刷的性能指标下降，导致碳刷滑环烧损故障率增加。
（5）运行规程对发电机碳刷常规项目规定不全、不细，运行人员对发电机碳刷异常处理经验欠缺。
2.2 防范对策
为今后避免发生同类设备故障，建议在火电厂的生产运行及维护中采取以下一些针对性防范对策：
（1）加强运行检查，勤检查恒压弹簧压力，发现恒压弹簧压力达不到规定压力或断裂、变形时，应及时更换以免造成碳刷与滑环接触不良。
（2）根据现场规程标准要求及时更换碳刷。在更换碳刷前要仔细研磨碳刷使各个面保持光滑，碳刷在刷握内留有适当间隙（0.1～0.2毫米），确保在刷握内上下活动自如。刷握的下边缘和滑环工作表面之间的距离为2～3毫米，距离过小，会碰撞滑环表面，易受损、距离过大电刷跳动易产生火花。碳刷底部与滑环接触面应保证在碳刷截面的80%以上。每一次更换碳刷不宜过多，每次更换数量应小于单极总数的10%，每次更换应使用同一型号的碳刷。
（3）对于滑环上凸起与凹陷等设备问题，要利用机组检修的机会进行车削、车磨。
（4）定期清理滑环及风道附近的碳粉和灰尘等脏物，保持滑环系统清洁，绝缘良好。
（5）加强检修质量，避免由于检修质量不良造成轴瓦润滑油外泄，甩到集电环上，增大碳刷与集电环之间的接触电阻。安装刷架时，角度和几何位置要保证在原状态，碳刷的滑入边和滑出边必须要与换向器平行。
（6）加强对碳刷的日常检查及异常处理，将消除碳刷火花的被动管理改为控制碳刷电流分配和温度的主动管理，在生产现场配备测温表和直流钳表，运行值班员定期测量每个碳刷的温度及碳刷电流。发现电流不均严重时先要调整电流小的碳刷，切记处理时不要调整电流大的碳刷，将碳刷电流控制在均衡情况下，刷体温度控制在80℃以下，及时消除电流不平衡、气膜、氧化膜、卡阻，保证碳刷在强平衡状态工作。
（7）及时补充修改运行规程及定期工作标准，进一步细化管理规定，加强运行、检修维护人员技术培训。
（8）进一步加强备品备件管理，细化备品备件质量标准，保障关键备品备件质量。建议发电机碳刷从上海摩根有限公司直接采购，每一批次产品到货后严格质量验收把关，要及时向上海摩根有限公司查询产品合格证书上的生产批号及零件号，保证产品为上海摩根正品。同时维护人员要建立专业台账做好每一批次产品的使用更换原始记录，进行质量跟踪分析。中英合资上海摩根碳制品有限公司生产的NCC634性能参数见下表：
（9）重视全能值班员培训，提高全能值班员技术水平，并增设集控DCS画面重要报警信号声光报警提示。集控DCS盘无电气人员监控时，值长或机长要指定其他专业监盘人员随时检查电气DCS画面重要参数及保护报警信号是否正常。
结语
在火电厂中，虽然说对于发电机滑环及碳刷一直是一个薄弱环节，易受到多方面因素的影响，影响严重时运行中会出现环火事件，造成设备故障停机。从火电厂发生的类似故障看，只要深入吸取事故教训，认真落实好各项防范对策，有效提高其运行检查及维护质量、进行精细化维护管理、加强其技术创新与实践，并在设备运行过程中出现的异常及故障及时进行解决，类似的设备故障停机恶性事件是完全可以控制和避免的。总之，只有技术人员和生产一线岗位人员的专业能力和责任心达标，才能保证电气设备的正常运作，才能为火电厂带来更多的经济效益。
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论文作者:樊先进
论文发表刊物:《河南电力》2018年2期
论文发表时间:2018/6/11
标签：碳刷论文; 发电机论文; 集电环论文; 转子论文; 故障论文; 电流论文; 套筒论文; 《河南电力》2018年2期论文;