运行中发电机碳刷着火故障分析及防范措施

　运行中发电机碳刷着火故障分析及防范措施

张桂滨 蔡建富 谭剑锋 熊伟

华能井冈山发电厂 江西吉安 343009

摘要：发电机滑环和碳刷是传递励磁电流的中间环节，也是机组运行中的最薄弱的环节，对其监视、维护和防护是保证机组稳定运行的重要工作。本文通过具体的实际案例，从中分析故障原因，得出具体防范措施。

关键词：发电机；滑环；碳刷；防范措施

近年来，发电机滑环烧坏事故频繁发生，已严重影响机组和电网安全稳定运行。 2013年7月某厂#1发电机主励磁机因为碳刷打火而使得主励磁机的集电环中度灼伤、同时导致发电机因失磁保护动作跳闸。本文重点研究发电机碳刷打火的故障现象及产生原因，并针对运行现场实际情况，提出多种防范的措施，通过运行值班人员的调整和检修日常的有效维护，使发电机碳刷正常运行时电流工作稳定，避免发电机出现转子滑环烧损的事故。

一．事件经过

某厂#1机为哈尔滨电机厂QFSN-300-2型发电机，采用同轴交流励磁机、永磁副励磁机及静止硅整流的它励高起始响应三机励磁系统，2013年7月29日，有功负荷290MW，无功负荷105MVAR，光字牌发“欠励限制”报警，发电机励磁电压、励磁电流、定子电流大幅度摆动，碳刷火星溅射形成环火，无法靠近碳刷现场处理，无功负荷剧烈摆动，引起发电机“失磁”保护动作跳闸。

二．事故分析

机组长期处于运行状态，主励磁机转子碳刷也处于因为长年磨损的状态，而逐渐变短，而发电机7号轴瓦一直存在渗油的情况，于是碳粉与油结合，形成油泥积聚在碳刷架上，使得部分碳刷架的弹簧出现卡涩情况，导致主励磁机转子碳刷与滑环之间的接触压力减少，碳刷与滑环之间接触电阻逐渐增大。起初是个别碳刷出现打火现象，打破碳刷彼此间的平衡状态，其他的碳刷的电流迅速升高，滑环和碳刷温度此时也迅速升高从而部分磨损过多的碳刷与滑环之间的接触电阻进一步增大，此时，与滑环接接触电阻大的碳刷流过的电流逐渐减小，而与滑环接接触电阻小的碳刷流过的电流继续增大。很快这个恶性循环使得发电机主励磁机正极碳刷出现环火，最终导致发电机欠励及失磁保护动作。

三．引起碳刷打火原因

滑环和碳刷主要是通过滑动接触面来传递功率，碳刷的接触特性与滑环表面的线速度、接触电阻、碳刷的电流密度以及加在碳刷上的压力等因素有关，主要反应在接触面的稳定和各碳刷的均流问题上。当励磁电流经过滑环和碳刷的接触面进入转子绕组时，在此接触面上形成一种氧化膜，这层氧化膜如果不均匀，则接触电阻增大，随之接触压降也增大，当压降超过极限值时，滑动接触点的电损耗过大，从而引起碳刷过热，摩擦系数越来越大，摩擦损耗也瞬间增大，引起滑环和碳刷发热越来越严重，最终引起打火。

1．滑环和碳刷油污垢

运行中的发电机励侧密封瓦若存在渗油时，滑环的冷却风扇运行会将密封瓦渗出的油雾吸入发电机碳刷架下的冷却风道里，这些油雾在进入发电机碳刷冷却风道时会有一部分吸附到碳刷和滑环上。这部分油雾与碳刷磨损后产生的碳粉结合会粘附在滑环上，形成一层油膜，使得部分碳刷与滑环的接触电阻增大，导致这部分碳刷电流很小、甚至为零。南方常年有潮湿的天气，在机组长期运行时滑环和碳刷摩擦产生的碳粉，表面会结形成一层污垢。大量集结会使碳刷出现卡涩情况，导致电流处于不均匀分布状态，滑环表面的温度也会骤增，进而导致打火问题。

2．机组机械振动

发电机由于安装调整不当，使发电机中心水平不理想，造成运行时机组振动，使发电机转子轴向窜动厉害，碳刷在滑环运动轨迹不是一个规则的圆，使滑环和碳刷接触不理想，实际接触面积减少，从而使滑环和碳刷温度升高。

3．碳刷质量和恒压弹簧压力

不同碳刷的质量其接触面散热、耐磨性不同。恒压弹簧在受热之后，就会被逐渐拉长，其弹性也会因此变差，导致碳刷接触面积大幅减少。加之恒压弹簧实际压力存在着差异，因此不同类型的碳刷往往会分担不一样的电流，滑环和碳刷之间的间隙过大，造成发电机运行时碳刷在刷握内晃动，影响接触的稳定。间隙过小，将影响碳刷与刷握内的自由滑动，有时甚至出现"卡死"状态，严重得会造成碳刷电流间差别较大。　　

4．运行工况调整

机组因特殊异常运行时将引起整个轴系振动突然增大，打破滑环和碳刷保持的平衡关系，压力过大时使滑环和碳刷之间的磨擦力增大，机械磨损加剧，产生比正常运行时较多的热量不易散发，压力过小容易接触不良，碳刷易产生火花。另外，发电机励磁系统过负荷运行也会引起流过碳刷的电流瞬间增大，若未及时处理或处理不当，也将引起碳刷打火。

5．运行中碳刷调整或更换

当碳刷已经发生打火时，必须对恒压弹簧或者是碳刷进行及时的调整，必要的时候还应将其更换。出现了初期小火花时，必须加强巡检，将接触条件差的碳刷、恒压弹簧换掉。调整与更换操作过程中，若未按照相关规定进行，就会使小火花变成大火花，形成大面积的打火，甚至会引起碳刷环火。

四．发电机励磁碳刷打火的预防措施

1．发电机运行中的日常维护和调整

发电机碳刷打火在初期能通过监视仪表和现场巡查发电机时尽早发现，因此运行值班人员在定期抄表时应及时观察励磁系统电压电流是否出现异常，并采取针对性的解决应对措施。具体维护和调整内容有：

1.1加强设备定期巡回检查

运行值班人员每天必须对发电机碳刷进行两次全面检查，确认刷握和刷架上没有积垢，集电环表面应无变色，现场没有碳刷颤振的情形，无碳刷打火现象，并用红外测温仪测量集电环和碳刷的温度，对于刚更换的新碳刷还应重点检查。

1.2发电机滑环和碳刷油污垢监视

发电机励侧密封瓦若存在渗油时，应及时联系检修机务人员将渗油缺陷消除，同时还应联系电气检修人员逐个清除碳刷及刷握上的油污垢，保持碳刷及刷架的清洁。若因潮湿天气引起污垢，则可以在清除污垢后，再外加一临时风扇对着滑环和碳刷进行吹风干燥。

2．检修日常检查和维护

2.1检修日常检查工作

定期用专业的钳形式电流表以及红外线式测温仪对碳刷的温度以及电流进行测量，可以实时掌握所有碳刷的实际电流分担情况与温度的具体变化情况。一旦发现碳刷电流过大或者过小，应进行及时的调整，严重情况下须将其更换，确保每一块碳刷所承担的实际电流量相对均衡。

2.2检修调整注意事项

发电机碳刷必须逐个进行调整，调整时禁止用两手同时碰触励磁回路和接地部分，或两个不同极的带电部分。发现碳刷严重发热或火花较大时，严禁直接提起该碳刷，必须先从未冒火及发热不很严重的碳刷开始调整，待火花减小，碳刷烧红开始转暗后方可调整该碳刷。发电机每极一次更换不能超过20%碳刷，更换碳刷时要使其型号与旧碳刷相一致，保证发电机的每个碳刷质量。每次在机组停机后，立即安排电气检修人员对发电机碳刷进行逐个检查更换及清扫。

五．结束语

通过对碳刷打火的原因分析和防范措施，必能确保发电机的碳刷安全可靠运行。只要我们平时认真监视和维护，对设备缺陷做到早发现、早处理，严格执行规程相关规定，可以避免很多碳刷故障发生。

参考文献：

[1]周如曼. 300MW火力发电机组故障分析【M】. 中国电力出版社2000：137-140

[2]叶国新. 发电机励磁碳刷故障分析与处理【J】. 山西电力，2009（07）:23-28

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