發(fā)電電動機檢修試運行滑環(huán)室放電事故原因分析及處理

趙 冉，穆小紅，岳明奕，辛曉明

（1.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350；2.哈達山發(fā)電有限公司，吉林省松原市 138000）

0 引言

某抽水蓄能電廠安裝4臺奧地利安德里茨公司生產(chǎn)的150MW機組，勵磁系統(tǒng)中集電環(huán)采取正、負極為兩塊半圓形導體型式安裝，且正、負極導體在上、下空間上兩端均有搭接，其上分別接有6根勵磁電纜。在集電環(huán)上以每2只為一組均勻裝有6對半碳刷，下層單只碳刷安裝在集電環(huán)上、下層空間搭接處。

發(fā)電電動機的勵磁系統(tǒng)采用自并勵可控硅勵磁裝置，電源取自本單元主變壓器低壓側(cè)，機組額定勵磁電壓為252.7V/DC，空載勵磁電壓為72V，額定勵磁電流為1200A，空載勵磁電流為700A，碳刷尺寸為32mm×25mm，型號為EG34D。為降低滑環(huán)室封閉空間對碳刷產(chǎn)生的熱量影響，改善通風條件，滑環(huán)室四周有機玻璃觀察孔全部改裝成濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保留上部有機玻璃觀察孔，以便巡視時掌握其內(nèi)運行情況。

1 事故過程

1號機組在C級檢修后進行整組分步啟動調(diào)試，當機組由發(fā)電空載試運行正常轉(zhuǎn)停機過程時，勵磁系統(tǒng)走逆變流程瞬間，發(fā)電機滑環(huán)室內(nèi)突現(xiàn)弧光放電、火花四濺，并伴有少量白色煙氣，由于時間極短，機組的保護裝置并未動作，調(diào)試人員見狀立即按下緊急停機按鈕迫使機組緊急停機。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，處于集電環(huán)負極與正極交叉部位處的單只負極碳刷刷辮已被燒熔，上、下集電環(huán)相應部位被嚴重侵蝕，絕緣套管被燒裂，且滑環(huán)上有一條深約0.5mm、長約50mm的劃痕，其余碳刷正常，如圖1所示。現(xiàn)場查看電流、電壓故障錄波均顯示無異常，測量轉(zhuǎn)子絕緣電阻及磁極連接電阻均符合相關(guān)標準的要求，且機組的振動、擺度均在合理范圍內(nèi)。

圖1 集電環(huán)及絕緣套管損毀狀況Figure 1 Damaged condition of collector ring and insulating sleeve

2 事故原因分析

1號機組自2007年2月投運以來，10余年間均無有關(guān)滑環(huán)室缺陷事故的發(fā)生，根據(jù)國內(nèi)有關(guān)滑環(huán)室出現(xiàn)的類似放電事故經(jīng)驗，此次事故產(chǎn)生的原因可能為：

（1）碳刷載流密度不均。在檢修完滑環(huán)室回裝碳刷時，造成個別碳刷與刷握之間卡澀，再加之輔機分步啟動到勵磁投入中間過程大約持續(xù)10min，碳刷受熱膨脹，使得碳刷在刷握中浮動不靈活，從而影響了碳刷與滑環(huán)的接觸[1]，導致通過每只碳刷的電流分布不均，最終致使此碳刷放電打火。

（2）碳刷材質(zhì)問題。由于設計之初只考慮了碳刷對滑環(huán)的腐蝕影響，在碳刷材質(zhì)選擇上使用的是電化石墨，從而忽略了其相對于天然石墨有較大的摩擦系數(shù)和對碳刷打火抑制的消極作用，且每次機組月度定檢、年度檢修在滑環(huán)室內(nèi)都會附著大量的魚鱗狀碳粉，由此考慮認為碳刷材質(zhì)也是此次事故的一個制約因素。

（3）溫度的影響。碳刷與滑環(huán)相對運行的接觸面上會形成一層均勻、穩(wěn)定的氧化膜，其不僅有利于降低摩擦系數(shù)和增大正極碳刷與滑環(huán)間的接觸電壓降（負極與正極壓降變化相反），還可增強潤滑性能[2-3]。但此碳刷與刷握的卡阻使得其本身區(qū)域范圍內(nèi)溫度過高，破壞了氧化膜的形成，加劇了碳刷與滑環(huán)的不正常磨損，使得碳刷摩擦發(fā)熱過度，超過了銅質(zhì)刷辮的熔點，引起刷辮斷裂，造成正負極短接。

（4）壓簧壓力不足。由于使用的單簧恒壓彈簧長時間運行，導致彈性疲勞老化、壓力不足，造成碳刷與滑環(huán)接觸面不穩(wěn)定，從而引起拉弧[4]。

（5）絕緣擊穿引起正負極短接。從事故發(fā)生損壞部位來看，還可能為負極碳刷刷辮過長，在安裝后沒有嚴格按照相關(guān)要求檢查其與上、下集電環(huán)的距離，造成刷辮與上層的正極集電環(huán)下表面貼合，而上、下層集電環(huán)表面絕緣僅依靠絕緣紅瓷漆維持，當手動投勵磁電流到650A左右時，轉(zhuǎn)子電壓在160～200V之間，此時絕緣紅瓷漆尚能維持絕緣，隨后勵磁系統(tǒng)OFF令發(fā)出后走逆變流程，轉(zhuǎn)子電壓反向，電壓瞬時達到600～700V，絕緣紅瓷漆被擊穿，正負極電流通過刷辮短路，引發(fā)銅質(zhì)刷辮熔融。

3 事故處理及防范策略

3.1 事故處理方法

依多年機組的運行狀況并與其他3臺機組對比，結(jié)合以上分析，斷定為上述第（5）項原因引起，為從根本上杜絕類似事故的再次出現(xiàn)，采取以下方法進行處置：

（1）將碳刷全部更換為同一批次、相同型號的碳刷并對其接觸面進行研磨，使其與集電環(huán)的接觸面積大于75%。

（2）對產(chǎn)生劃痕的下滑環(huán)和上、下集電環(huán)有銅漬處用專用砂布進行打磨處理，并對集電環(huán)刷絕緣紅瓷漆。

（3）更換損壞的絕緣套筒。將新絕緣套筒刷絕緣紅瓷漆，并用1000V絕緣電阻測試儀耐壓1min，測得的絕緣電阻符合相關(guān)標準要求。

（4）檢查每一個刷握壓簧的壓力并確保碳刷受力均勻且與滑環(huán)接觸良好。

（5）用白布蘸酒精對滑環(huán)、集電環(huán)仔細擦拭，并用吸塵器清除碳粉、灰塵及殘留的細小銅渣，確保滑環(huán)室內(nèi)清潔。

（6）檢查勵磁穿軸引線及刷架緊固螺栓，對防松動墊片進行仔細確認。

（7）為避免再次因為刷辮在振動和在其自身的彈性作用下與上集電環(huán)接觸形成閉合回路，將兩個集電環(huán)之間的碳刷刷辮用熱縮管封裝，如圖2所示。

3.2 防范策略

鑒于滑環(huán)室對環(huán)境要求較高，以及結(jié)合運行經(jīng)驗、管理角度，可從以下幾個方面進行預防：

（1）建立健全發(fā)電電動機碳刷及其附屬結(jié)構(gòu)的維護制度，完善碳刷安裝與研磨質(zhì)量管理體系。

（2）對滑環(huán)室進行技術(shù)改造，安裝碳粉吸收裝置和弧光保護回路。

（3）為減輕碳刷對滑環(huán)“陽極蒸發(fā)，陰極粉化”的影響，定期倒換滑環(huán)極性和采用材質(zhì)為天然石墨的碳刷。

（4）與碳刷生產(chǎn)廠家聯(lián)系，要求將碳刷刷辮的長度根據(jù)設備實際情況適當縮短，以此保證安全距離。

圖2 封裝熱縮管Figure 2 Encapsulated heat-shrinkable tube

4 結(jié)束語

通過對滑環(huán)室事故的處理，進一步增強了運維工作的相關(guān)經(jīng)驗。此種預防措施的應用，取得了理想的效果，并排除了當初考慮的集膚效應問題，對有類似隱患的單位提供借鑒。

要以狀態(tài)檢修管理理念為出發(fā)點，根據(jù)機組容量明確細化上、下集電環(huán)安全距離標準，規(guī)范刷辮長度合理化指導意見，從多角度研判事故發(fā)生的可能性和客觀規(guī)律，從中抓住設備個性特點，采用可操作的、積極的、有效的解決和預防措施，繼而確保機組安全穩(wěn)定運行。