電氣論文：發電機勵磁碳刷過熱事故分析和對策

熱電發電機勵磁碳刷過熱事故分析和對策

北京首鋼電力廠 江振永

[摘要]：通過總結分析首鋼熱電站60MW汽輪發電機兩次碳刷大面積過熱事故的原因，介紹了改進碳刷維護管理及更換碳刷的操作方法。

[關鍵詞]：碳刷事故；發熱；分析；對策

1、引言

首鋼熱電站三臺汽輪發電機組1985年投產，使用靜態勵磁系統，機組容量3×60MW，每臺機組有60個碳刷，正負極各30個。額定勵磁電流1500 A，勵磁碳刷採用恆壓形式，型號：D172/HT，規格：25×32×60mm。2003年9月28日和2004年11月2日熱電3#機各發生一起勵磁碳刷大面積過熱事故，雖未導致停機，但引起廠專業人員的重視。小小碳刷，如果使用不當，將有可能引起發電機失磁，導致停機。因此，規範碳刷的維護、管理及更換方法，加強職工的教育培訓，有著積極的現實意義。

2、兩次碳刷過熱事故經過

2.1、2003年9月28日8:00交接班檢查3號機組碳刷無火花，14:45檢查發現負極滑環碳刷環火，減負荷和減勵磁電流、調整處理無效，個別碳刷刷辮相繼發紅燒斷，並伴有火花，14:55，彙報廠調後降負荷運行，有功負荷降至40MW，無功負荷降至20Mvar。並及時更換了碳刷。過程持續約20分鐘，檢查發現5個碳刷刷辮燒斷。

2.2、2004年11月1日21：00，值班工檢查發電機時發現3#機滑環過熱，有4塊碳刷銅辮碳化，用手一提即斷，正極3塊，負極1塊。更換碳刷後，新碳刷立即過熱燒紅，與廠調聯繫後將3#機有功由59MW降至53MW，無功由35Mvar降至25Mvar，勵磁電流由1500A降至1350A，之後調整碳刷，滑環溫度恢復正常。11月2日8：05，3#機開始升負荷至60MW，勵磁電流升至1450A。8：20，值班工又檢查發現3#機有5塊正極側碳刷一提即斷，聯繫廠調降負荷，減勵磁電流，有功減至30MW，從1#機更換下5條已磨合好的碳刷，安裝在3#機組上。並將所有碳刷進行調整。9：40，3#機升負荷至60MW，勵磁電流升至1500A，機組恢復正常。

3、碳刷發熱的原因分析

3.1、碳刷在運行中發熱的一般原因：

發電機是採用讓磁場旋轉的方法切割導線的。旋轉磁場是轉子，被切割的導線是定子。為了讓轉子產生磁場，必須向轉子的線圈輸入勵磁電流。碳刷就是用來將勵磁電流送入轉子線圈的。歸納碳刷在運行中發熱的一般原因有：

（1）、碳刷卡阻：碳刷通過電流後發熱，刷體膨脹，易卡在刷握裡，這時拉動刷辮感覺很緊；部分碳刷由於振動、刷握不垂直等原因，會在刷握一側的上沿和另一側下沿產生明顯卡阻。這幾種形式的卡阻，用卡表仍可測得電流，但碳刷卻已經失效，致使其它碳刷分配的電流增加，電阻發熱增加。 (此種測量方法因刷辮處磁場較強，測量方法不同，卡表測得數值誤差大，故測量值只作參考)。

（2）、碳刷壓力減小：非恆壓碳刷，壓緊彈簧後碳刷接觸壓降小，發熱少，在碳刷磨短後，彈簧壓力明顯減少，壓力小到一定程度，接觸不穩定，接觸壓降增大，接觸壓降發熱明顯增加。恆壓彈簧則在碳刷發熱後如長時間運行會造成退火，以致壓力減小。

（3）、碳刷接觸面形成氣膜：D172碳刷最大圓周速度為70m/s，發電機勵磁滑環直徑為445mm，折算後滑環表面圓周速度為69.9m/s，碳刷在允許最大速度下運行，很容易在碳刷接觸面產生氣膜和跳動，流過碳刷的電流不穩定。在滑環表面開凹槽處磨擦碳刷接觸面可破壞氣膜。但開凹槽使碳刷實際的接觸面積減小。

（4）、滑環氧化膜的形成：滑環氧化膜太厚，使碳刷接觸電阻大大增加，勵磁電流分流到其它迴路電阻小的碳刷上，造成這些碳刷流過的電流偏大。

（5）、電流平衡的破壞：一般情況下，新換上的碳刷和壓緊彈簧，碳刷與滑環接觸面的接觸緊力較大，即接觸壓降小，所有30條碳刷工況相近，每條碳刷的電流接近相等，刷體的平均溫度較低，碳刷間電流相對穩定平衡(稱作強平衡)。運行一段時間後，碳刷的磨損量相近，但出現了氧化膜、氣膜、卡阻等因素，碳刷磨短了或彈簧壓力降低了，碳刷接觸面的接觸緊力減小，碳刷間電流二次再分配，每條碳刷的電流差別增大，處於不穩定平衡(稱作弱平衡)。這個階段時間長，逐漸變化，不容易引起警覺。當環境溫度升高或勵磁電流增加時，隨時可造成弱平衡破壞。

（6）、碳刷的"負溫度特性"效應：隨著碳刷溫度的增高，它的接觸電阻反而降低。在80℃-100℃時最低，當溫度超過100℃時，接觸電阻又急劇增加。在長時間弱平衡運行或環境溫度偏高時，很容易使個別碳刷溫度超過100℃，使這些碳刷的接觸電阻急劇增加，造成惡性循環。在這種情況下，極易造成幾個碳刷相繼過熱燒斷刷辮。

（7）、碳刷質量、安裝不佳等因素：如使用不合格的碳刷、壓簧；刷架間距不一，更換碳刷方法不當等，都有可能造成運行中碳刷發熱。

3.2兩次碳刷大面積過熱原因分析：

11月8日，3#機停機檢修，專業人員和車間技術人員對勵磁碳刷進行了仔細的檢查和分析，認為以上兩次碳刷過熱事故是由於以下原因：

（1）、部分碳刷質量不良。

在換下的碳刷中發現有崩角的和刷辮與碳刷接觸鬆動的，出現不合格碳刷。崩角的原因可能是碳刷跳動太大或材質不良。刷辮與碳刷聯接部分鬆動會造成接觸電阻增加，使碳刷電流分擔不均。碳刷在刷握中尚能上下活動，但在卡上恆壓彈簧後，即不能活動自如，這就會造成碳刷不能與滑環接觸，使實際分擔電流為零。

（2）、滑環表面形成了一定厚度的氧化膜，增大了碳刷的接觸壓降，加上個別碳刷卡阻失效，碳刷處於弱平衡狀態，發生過熱時機組負荷較高，勵磁電流較大，碳刷間弱平衡破壞，個別碳刷電流迅速增大，嚴重過熱，刷體發紅膨脹卡死，大電流轉移到其它碳刷，並相繼出現膨脹卡死，滑環環火惡性發展，使得短時間內大量碳刷刷辮燒斷。

（2）、彈簧壓力不足:用手拉動彈簧，可明顯感覺不同彈簧的壓力差異，且彈力比其它機組恆壓彈簧小很多。由於彈簧壓力不足，刷握和碳刷因發熱側面磨擦阻力增大，碳刷被阻在刷握內。

（4）、兩排刷架上下間距不一致，相差較大（據實測,上下間距最大相差8mm）。

（5）、正極側滑環通風小孔堵塞，導致正極側無風。

（6）、刷架底側有七、八個碳刷與滑環沒接觸上，導致其餘碳刷流過電流增大，引起過熱。

（7）、恆壓彈簧受熱後彈簧會拉長，彈性變差，同一只彈簧兩邊的壓力可能不一樣，以致造成碳刷實際接觸面積減少。從換下的恆壓彈簧的檢查中發現壓簧型號不一致：有的是1.7kgf/cm2，有的是1.85kgf/cm2，部分彈簧發生斷片或有裂紋，而不同的彈簧壓力不一樣，從而造成不同碳刷分擔電流不一樣。

（8）、出現不合格碳刷：檢查發現使用的碳刷中，有的刷辮U型端頭焊接反了，在更換碳刷時不得不擰著勁使用。

（9）、值班工更換碳刷方法有待改進：部分刷握調整不當，碳刷位置不能對準滑環圓周的法線方向。經目測，發現部分刷握距離滑環的高度不一，有些不能平行於滑環圓周的法線方向。

4、解決對策：

4.1、碳刷在檢修中的維護

熱電三臺發電機組在每年春、秋兩季均有一次檢修。充分利用好檢修機會，對碳刷進行更換、維護和保養，以及對碳刷的使用情況進行分析、總結和改進，是非常有必要的。總結碳刷在每次檢修應做到以下六點：

（1）、查刷架：檢查兩排刷架間距是否發生變化，並做好記錄。

（2）、查碳刷：檢查正負極碳刷磨損情況，檢查小辮是否斷裂，有無過熱痕跡，並做好記錄。對磨損嚴重的碳刷要找出原因。

（3）、查底部：刷架底部的碳刷由於空間狹窄，運行中不便於更換，也不易觀察，故在檢修中應作為重點檢查對象。

（4）、查滑環：檢查滑環通風小孔是否堵塞，必須用壓縮空氣吹通方可。

（5）、查刷握：檢查刷握使用情況，檢查刷握有無損壞。

（6）、查壓簧：檢查壓簧使用情況：壓簧是否退火，所有壓簧是否同一型號，壓力是否均等。

4.2、碳刷在運行中的維護

碳刷運行維護的好壞，將直接影響到機組長期安全運行。因此應對碳刷運行維護建立必要的規章制度和各種運行記錄，及時採取相應對策。

運行中維護髮電機滑環碳刷時，工作人員應穿絕緣鞋或鋪膠皮墊，使用絕緣良好的工具並應採取防止短路及接地的措施。當勵磁系統有一點接地時更應注意。禁止同時用兩手接觸發電機勵磁迴路和接地部分或兩個不同極的帶電部分。工作時應穿工作服，禁止穿短袖衣服或把衣袖捲起來，衣袖要小，並在手腕處扣住。女工還應將長髮或辮子卷在女工帽內。

經過長期的實踐，可將碳刷在運行中的維護總結為六個字：掃、保、拉、調、換、消。

（1）、掃：經常清掃刷盒、滑環及其周圍的灰塵、粉末，並定期用壓縮空氣吹掃。

（2）、保：經常檢查滑環表面，及時倒出刷盒上的顆粒，必要時用帆布擦拭滑環表面汙垢，保護氧化膜。

（3）、拉：經常提拉每個碳刷，檢查有無卡住、過熱、異常振動及其它不正常現象。

（4）、調：注意調整各個電刷壓力，保持均勻一致。加強碳刷電流的監測，根據當時的勵磁電流，計算每塊碳刷的平均電流，及時調整和更換電流過大或過小的碳刷，使每塊碳刷電流分擔差別不大。

（5）、換：及時更換磨損過短、異常過熱及有硬粒電刷，新換電刷與滑環接觸面應超過70%以上。規定碳刷磨損掉1/2，必須更換，消除碳刷太短、電阻值變大、卡阻、階梯形四面體等現象。出現碳刷斷辮或打火，可先減小勵磁電流；調整碳刷電流平衡後再換碳刷。但調整時功率因數儘量不要超過0.95。如仍不行，則請示廠調降有功負荷。

在夏季，要特別注意碳刷的溫度，當個別碳刷的溫度超過100℃時，要及時進行調整或更換。在發生碳刷火花大或燒斷刷辮時，應及時調整和更換碳刷。調整更換碳刷時，應嚴格按規程規定進行，若調整不及時或處理不當，將會蔓延至其它碳刷，造成更大的火花。當機組出現大面積碳刷過熱及刷辮燒斷時，則不要全換成新碳刷。應先從不過熱的機組上換下一塊已磨合好的碳刷，安裝在出現過熱的機組上。

（6）、消：及時消除碳刷在運行中出現的火花。除此之外，並應根據具體情況規定每天、每月、每季小修大修的檢查項目。

運行一段時間後，滑環表面可能會起毛或出現小坑，此時會造成碳刷火花和跳動，且無法通過調整消除。因此，遇停機機會應及時對滑環表面進行拋光處理。

4.3、碳刷更換方法的改進：

總結以上兩次碳刷過熱事故，可將碳刷更換方法歸納為以下五點：

（1）、正確選型：儘量使用一個廠家生產的產品。由於製作工藝上的差異，兩個廠家生產的碳刷含碳量有可能不一樣，安裝於發電機上有可能導致電流不均。

碳刷磨去1/2就需更換新的。更換新碳刷時，舊的碳刷應全部從發電機上取下，更換的新碳刷在型號、規格上應和原用碳刷相同。同一臺發電機的滑環上不允許混用兩種或兩種以上型號的碳刷。

熱電三臺機使用的碳刷均為哈爾濱碳碳廠生產，型號為D172/HT，規格：25×32×60。壓簧為1.85kgf/cm2的恆壓彈簧。廠家為丹東市彈性元件廠。

（2）、質量擇優：更換碳刷前，必須檢查碳刷外觀是否良好，檢查碳刷與銅辮的接觸是否緊固，必要時對碳刷各面進行直流電阻測定，以篩選合格的碳刷，若達不到要求，則換型，選用質量好的碳刷。從外觀上分辨，合格碳刷與不合格碳刷的區別：

圖片一：合格的碳刷 圖片二：U型頭未焊正 圖片三：U型頭焊反

圖片四：U型頭焊反 圖片五：U型頭焊反 圖片六：U型頭未焊正

圖片七：刷辮擰勁 圖片八：刷辮裸露 圖片九：碳刷已磨掉二分之一

注：這裡的"合格碳刷"是指"最優"碳刷。圖片一至圖片六不是不能用，而是不如"合格碳刷"好。今後，車間將嚴把進貨渠道，在進貨上，給崗位只提供"合格碳刷"。圖片七至圖片九則禁止使用。

（3）、細心打磨

用砂紙對碳刷進行打磨，將碳刷本體打磨光亮，與滑環接觸面打磨光滑，去除各種飛邊、毛刺。由於碳刷通過電流後發熱，刷體膨脹，易卡在刷握內，因此打磨要有一定裕度。

（4）、安裝可靠：

刷辮的U型端頭凹面應朝上，用螺絲刀擰緊。

碳刷裝入刷握內要保證能夠上下自由移動，碳刷側面與刷握內壁的間隙應在0.1-0.3毫米之間，以免碳刷卡在刷握中因間隙過大而產生擺動。

最後，裝上壓簧。施於碳刷上的彈簧壓力應儘可能均一。

圖片十：正確的安裝方法

圖片十一：不正確的安裝方法

（5）、提拉試驗：

提拉一下刷辮，檢查有無卡澀現象，碳刷應上下活動自如，防止碳刷及壓簧卡在刷握內。

5、結論

採取並推廣上述措施以後，3臺機組勵磁碳刷實現了無火花、刷辮無變色、無斷辮運行，先後及時消除了個別碳刷卡阻問題。從運行情況看，碳刷的維護管理走向正規，避免了人為因素的影響。首鋼熱電站三臺機組已服役20多年，機組整體進入老化期，但由於首鋼搬遷，老機組還將在原地發揮作用，直至2010年拆遷完成。因此，從最基本的環節—-碳刷入手，加強管理，使機組最大限度地發揮作用，有著現實意義。

參考文獻：

1、彭遠崇：（沙角A電廠,廣東,東莞,523761）《發電機勵磁碳刷事故分析和對策》，《電力安全技術》2003 Vol.5 No.7 P.27-28 2003-7-20出版.

2、胡新軍：（襄樊發電有限責任公司,湖北,襄樊,441141）《發電機滑環碳刷電火花故障處理》《電力安全技術》2004 Vol.6 No.6 P.9出版日期：2004年6月5日

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