電廠發電機碳刷環火故障原因分析及對策

楊智勇

（陜西國華錦界能源有限公司，陜西榆林 719300）

0 引言

某電廠兩臺QFS-110-2 110 MW 發電機于1999 年12 月投運，分別于2008 年、2009 年進行了增容改造，由容量100 MW增容改造為110 MW，改造前后技術參數如表1 所示。

表1 QFS-110-2 110 MW 發電機改造前后技術參數

1 發電機結構

QFS-110-2 型發電機為雙水內冷發電機，定、轉子內部通入內冷水，其空間的空氣通過下部的空冷器循環冷卻。勵磁電流通過主、副勵由碳刷向轉動的發電機滑環通入。因此，滑環與碳刷是傳遞勵磁電流的重要中間環節。它們不同于靜止的部件，因此是發電機的薄弱環節，如果該部位發生故障將導致機組停運，必須給予高度重視。如果發電機碳刷發生環火，處理不及時性或技術手段不能有效跟進，絕大部分將導致機組停運。因此，掌握突發情況下應對發電機碳刷發生環火的技術手段并能及時迅速處理，是每位從事電力企業電氣設備運行與維護人員必須具備的能力。

2 環火故障

2.1 故障案例1

2007 年6 月28 日17：54，當班運行人員對2#發電機電刷巡檢正常，測量電刷最高溫度為74 ℃；19：00 交班前檢查2#發電機電刷正常，測量電刷最高溫度為76 ℃；19：45 接班電氣主操檢查2#發電機滑環運行正常；19：55 接班值長檢查到2#發電機附近時聞到有輕微的焦糊味，檢查發現2#發電機一電刷燒紅且瞬間變黑，立即讓正在附近進行接班檢查的汽機主操和電氣副操檢查確認，發現該電刷又變紅并伴有打火現象。19：57 接班電氣副操返回集控室匯報當值值長。當值值長令2#機減無功至20 MVar，并令當班電氣主操立即去就地檢查，檢查時未發現有打火電刷和電刷燒紅現象。接班電氣副操用紅外線測溫儀進一步檢查時發現該電刷又有燒紅現象，測其溫度為310 ℃且打火嚴重，其他電刷均在50 ℃左右；此時，突然有相鄰4 個電刷發生較為嚴重的打火現象，電氣副操立即返回集控室匯報當值值長，19：59 值長令減無功至1 MVar 左右，同時有“逆無功”光字發出，轉子電流826 A。接班電氣主操返回控制室匯報發電機負極電刷已發生環火，當班值長立即組織人員滅火，同時匯報省調申請停機，征得省調同意后，于20：05 倒廠用電，20：07 汽機打閘停機。

2.2 故障案例2

2013 年2 月22 日9：07，設備維護部電氣巡檢人員在2#勵磁機處工作時聞到有焦糊味，發現2#發電機碳刷打火、冒煙，立即呼叫并通知運行人員，當值值長檢查后，立即通知電氣主操電氣維護人員檢查處理，并匯報公司領導及相關人員。9：08 電氣主操將2#機無功由32 MVar降至15 MVar，勵磁電流由1042 A 降至980 A，6 kV 廠用電壓降由6.2 kV 降至6.0 kV；電氣維護人員現場對未打火的碳刷進行壓緊處理。9：10 電氣運行主管與電氣維護人員根據現場情況要求無功降至10 MVar，維持6 kV 廠用電壓5.8 kV 左右，勵磁電流920 A。9：15，根據情況要求繼續降低勵磁電流，運行調整機組有功為1#機組85 MW、2#機組75 MW 運行，勵磁電流900 A，隨后打火情況明顯降低，電氣維護人員隨即對燒斷的刷辮進行更換（4#、5#、6#、10#、16#、22#、24#），逐步依次對未打火的進行更換，9：20 打火現象全面消除，開始對變形的刷握進行更換，于10：30 全部處理完畢，圖1、圖2 為發電機環火故障現場。

圖1 燒毀的碳刷

圖2 發電機環火故障部位

3 原因分析

引發發電機環火故障的因素較多，對故障原因全面深入的認知，是預防及有效應對環火故障的基礎。結合實際案例及發電機碳刷環運行特點，分析發電機環火故障的原因。

（1）發電機運行中，部分碳刷接觸面氧化，接觸電阻增大，造成碳刷流過的電流分布不均勻，個別碳刷通過電流較大，刷體膨脹，在刷握內運動不靈活，最終刷體完全卡死，導致電流分布進一步不均勻，如此惡性循環，整個滑環及碳刷溫度迅速升高，導致碳刷打火，并在短時內形成環火[1]。

（2）當碳刷磨損縮短至上平面低于刷握上邊沿時，也就是碳刷磨損到較短時，由于碳刷導線絕緣套與刷握上邊沿卡澀，導致碳刷與滑環接觸壓力減小，造成接觸不良，當很少一部分碳刷有效接觸時，這部分碳刷上的電流很大，短時間內逐步將刷辮依次燒斷，惡性循環后形成環火。

（3）碳刷壓簧由于長時間處于張開狀態，形成壓力疲勞，在碳刷磨損的一定長度時導致碳刷壓接不良。壓力大的碳刷電流大，壓力小的碳刷電流小甚至無電流，惡性循環后形成環火[2]。

（4）刷握內壁有臟污或者由于溫度高引起變形使碳刷在內部活動不靈活，部分碳刷卡在刷握內不能與滑環接觸，使部分接觸的碳刷電流逐步增大，惡性循環后形成環火。

（5）發電機滑環橢圓度應不超過0.05 mm，滑環橢圓度不好或者機組振動引起碳刷跳動，瞬間有部分碳刷跳離滑環表面，使大部分電流迅速涌向接觸的碳刷，引起環火。

（6）使用的碳刷牌號不對或質量不好引起冒火，最終形成環火。

（7）滑環表面不清潔，使碳刷接觸不良引起冒火，最終形成環火。

（8）電磁方面的原因，如電樞斷線等，形成環火。

（9）滑環通風孔堵塞，導致散熱不良，發熱嚴重引起環火。

（10）檢修后，調整碳刷架位置不合理或未擰緊碳刷架螺栓，碳刷架和滑環間距離不符合相關規定要求，接觸面減少，碳刷出現火花，引發環火。

（11）發電機滑環對表面光潔度與平整度有明確要求，光潔度應超過7，不平度應低于0.05 mm。機組長期運行，光潔度與不平度出現變化，不滿足標準要求，導致機組運行期間碳刷跳動，接觸不良，引發碳刷打火，形成環火[3]。

4 預防措施

針對發電機碳刷出現的環火故障，電廠應加強對發電機碳刷的運維管理，定期進行巡查、檢修與維護，及時發現發電機碳刷的異常狀況，分析異常原因，采取針對性措施，如調整參數、更換零部件等，避免發電機碳刷出現環火故障。

（1）定期檢查。在機組日常運行中，定期檢查發電機的滑環及碳刷，主要檢查內容：①刷辮的完好性；②導線的完好性，重點檢查導線是否被燒毀或出現氧化；③碳刷的完好性，重點檢查碳刷是否存在脫辮問題和跳動現象；④滑環與碳刷是否積灰或出現火花。檢查火花時應關閉照明，保障檢查的有效性。

（2）利用每次機組檢修或調停機會，用干燥的壓縮空氣對滑環、刷握、通風道進行徹底吹掃與清理；檢查滑環表面及橢圓度，表面光滑無蝕現象，不平度應小于0.5 mm，橢圓不大于0.5 mm；滑環與刷握之間距離應調整在2～3 mm；調整碳刷在刷握內間隙0.10～0.20 mm，無卡澀現象，碳刷在握內能輕松自由移動；檢查集電環的破損狀況及偏擺狀況，發現異常后立即修理，倒換滑環極性，每次大修后進行一次；必要時測量滑環與引線的直流電阻，測量正負極滑環、滑環和發電機等部位安裝的轉子軸的晃動值，判斷其接觸是否良好；如在運行中有機組振動現象，利用停運行機會，及時消除振動。

（3）必須使用同一型號同一廠家產碳刷。碳刷型號：NCC634，規格：25×32×60，廠家：上海摩根碳刷有限公司。驗貨時確保質量關，防止偽劣產品造成嚴重事故。

（4）日常運行中，每日巡回拉拽碳刷刷辮，一方面可以及時發現碳刷在刷握內是否有卡澀；另一方面有助于改變電流均衡分布；巡回檢查勵磁機滑環表面時，將干凈無毛須白布折疊成與滑環相同寬度，輕輕將滑環表面的油污擦拭干凈。擦拭時注意保持與轉動部分的安全距離，并不準戴手套。

（5）每周一、周四對發電機碳刷電流及溫度進行測量并記錄，對電流低于20 A 的碳刷進行調整或更換。一次更換的炭刷數目不應超過總數的1/3。如需更換的較多，應逐步進行。

（6）每年對衡壓簧進行統一更換，運行中發現壓力降低的及時更換，避免由于壓力疲勞導致的壓力下降，注意壓力標準必須一致。

（7）碳刷的樹脂下平面與刷握上沿相平時必須進行更換，以防止碳刷過短引起壓簧壓力降低。

（8）在日常運行中，以月為單位進行發電機軸電壓的測量。

（9）做好發動機油檔管理工作，定期進行檢修，避免發動機油檔滲漏污染滑環。

（10）定期檢查碳刷架的位置，確保所有碳刷都可以接觸環的大部分，防止碳刷因接觸面小出現環火。

5 應急措施

在緊急情況下的應對措施，將直接影響環火故障的處理效果。如果應對措施實施不當，會擴大環火故障的影響范圍，蔓延至更多碳刷[4]。從已發生的兩起環火事件分析，發生突然、發展迅速是其特點，是否發展成機組停運，取決于處理的及時性、果斷性與方法是否得當。分析兩起故障得出：案例1 發展成停機，是由于處置方法不當導致。案例2 在充分總結第一次失敗的基礎上，處置及時、方法得當，避免了一次機組停運。因此在處理突發環火事件時必須沉著冷靜、方法得當，合理實施應對措施。

（1）及時發現是成功處置的前提。由于環火是突發，且發展迅速，如果發現不及時，沒有給處理留出時機，同時對設備的損壞將更加嚴重，造成的損失更大。所以保證在第一時間發現要發揚群策群力、團結協作的團隊精神，不只是相關電氣維護人員、運行人員的職責與義務，任何人員只要發現就應立即通知當值值長和電氣維護人員，為及時成功處置創造有利條件[5]。為提高檢電氣維護人員、電氣運行人員對環火事件的重視，電廠可制定責任制度與激勵制度，將環火故障責任落實到具體工作人員，提高工作人員的責任意識。對于及時發現環火事件，并采取有效應急措施的工作人員，給予通報表揚和獎金激勵，調動工作人員工作熱情，確保在第一時間發現環火故障。

（2）電氣維護人員對應急情況下的處置方法、流程的熟練掌握是成功處置的關鍵。首先，電氣維護人員要準備好應急物資。應將一盒碳刷（25 個），刷握、鉗型電流表、更換的專用工具放置于班組工具柜內，并告知全體電氣維護人員，以便發生突發事件時能帶處置物資第一時間趕到現場；其次，處置人員要熟練掌握處置方法、流程。電氣維護人員針對此類突發事件專門開展處置方法與流程的培訓，通過故障模擬，使全體電氣維護人員反復練習，掌握操作要點。

（3）做到臨危不亂、判斷清楚、果斷處置、默契配合，是成功處置的核心。在第一時間趕到現場后，首先判斷發展程度，然后立即處理。處理的原則：對打火嚴重的不要動，立即對刷辮沒有燒斷、接觸的碳刷盡最大可能進行壓緊處理。壓緊前先處理刷辮不要靠近手，以防止燙傷。電氣運行值班員應匯報值長并及時按《電氣運行規程》有關規定迅速降低發電機無功，并派人就地觀察和處理。根據現場情況，及時安排對刷辮燒斷、刷握沒有損壞的碳刷進行更換。隨著環火逐漸消失后，開始對損壞的刷握進行更換。整個處置過程中要求維護與運行通力協作、緊密配合，在較短的時間內處置完畢。

6 總結

發電機作為發電企業的重要設備，其健康狀況直接關系到機組的安全穩定運行。而發電機碳刷作為導入勵磁電流動靜結合部分的“咽喉”。其狀態的好壞成為制約發電機穩定運行的瓶頸。因此在準確分析故障原因的基礎上，制定出有針對性的對策并嚴格執行顯得非常迫切。而當真正遇到突發故障時，如何做到正確、果斷的按照正確的處置方法、流程進行處置，并能及時控制、消除故障，這就要求相關人員在對故障成因非常清楚的基礎上，依靠日常處理經驗的積累為及時處理故障提供時間保證；技術經驗的交流與分享為有效處理故障提供技術支持。