汽輪發(fā)電機集電環(huán)電刷打火的原因分析及在線處理方法

寧夏銀星發(fā)電有限責(zé)任公司 楊 文

某發(fā)電公司1號機組集電環(huán)碳刷打火嚴(yán)重，被迫降負(fù)荷及降低機組無功運行，碳刷載流分布嚴(yán)重不平衡，接觸面溫度高達(dá)200℃，集電環(huán)表面最高溫接近160℃，現(xiàn)場多數(shù)碳刷存在邊、角崩裂的現(xiàn)象，嚴(yán)重危及到機組運行。通過現(xiàn)場反復(fù)檢測、研究、判斷為集電環(huán)表面存在“高點”，表面光潔度劣化，導(dǎo)致碳刷電流分布不均局部高溫“打火”。后經(jīng)自主研發(fā)制作了膠木假碳刷，對集電環(huán)表面在線研磨后，消除了發(fā)電機碳刷打火問題，避免了發(fā)電機非正常停機帶來經(jīng)濟(jì)損失及惡劣的社會影響，得到了廠家的認(rèn)可和推廣，取得了良好的社會價值。

發(fā)電機集電環(huán)也叫滑環(huán)，集電環(huán)裝置是發(fā)電機設(shè)備重要組成部分，其主要功能是將靜止勵磁電流提供給旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組勵磁電流的一種裝置。電刷是集電環(huán)裝置的重要組成部分，是發(fā)電機動靜接觸和交換能量的設(shè)備，其狀況運行好壞，直接關(guān)系到發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行。然而，在日常檢查中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)因各種原因會造成發(fā)電機碳刷“打火”故障，如不及時消除，可能導(dǎo)致碳刷碎裂，集電環(huán)高溫運行“環(huán)火”，嚴(yán)重時會燒毀集電環(huán)，威脅機組安全穩(wěn)定運行。本文就發(fā)電機集電環(huán)碳刷打火原因分析及在線消除方法進(jìn)行簡要探討。

1 設(shè)備簡介

某發(fā)電公司安裝兩臺由上海發(fā)電機廠制造的QFSN2-660-2型靜止勵磁系統(tǒng)的汽輪發(fā)電機。發(fā)電機集電環(huán)裝置在同軸上由兩個集電環(huán)單件構(gòu)成。集電環(huán)是合金鋼鍛件，經(jīng)加工和熱處理熱套于集電環(huán)套筒的環(huán)形構(gòu)件。將集電環(huán)熱套在集電環(huán)套筒后形成了一個完整性能的集電環(huán)構(gòu)件，這兩個環(huán)形構(gòu)件的接觸表面均為鍍銀的，使接觸面的電阻降到最低，以達(dá)到降低集電環(huán)溫度的目的。

集電環(huán)套筒表面周向上有均布的，與軸向成45°的斜槽，斜槽的進(jìn)風(fēng)口處修成有利于通風(fēng)的單邊喇叭口，進(jìn)一步增大自抽風(fēng)能力，這些斜槽除具有自抽風(fēng)能力外，還增加了集電環(huán)的散熱面積，以達(dá)到降低集電環(huán)溫升目的。集電環(huán)構(gòu)件也是熱套在具有絕緣筒的集電環(huán)軸上的環(huán)形件，它高速旋轉(zhuǎn)的表面與靜止電刷的接觸面是動、靜電流的交換面。每只集電環(huán)的周向上裝有6個刷盒座，每個刷盒座上可插入2只刷握，刷盒、附件及彈簧件組成了刷握，每只刷握能裝6只25x32x100mm型電刷，每一極集電環(huán)分別布置72只碳刷。刷盒座被緊固在一對同心的鍍銀匯流環(huán)上，刷握頂部是絕緣手柄，可供運行人員在不停電的條件下更換碳刷。每只電刷均有6只恒壓彈簧，提供一個作用于電刷中心線上的恒定壓力。刷架是以環(huán)氧玻璃布板為主的組合框架，用螺栓將它與導(dǎo)風(fēng)圈、匯流環(huán)連成一個整體，緊固在底架上面的絕緣材料板上。

2 案例概述

某發(fā)電公司安裝兩臺由上海發(fā)電機廠制造的QFSN2-660-2型、水氫氫冷卻方式、靜止勵磁系統(tǒng)的汽輪發(fā)電機，勵磁系統(tǒng)使用上海摩根碳刷傳輸勵磁電流。附著于集電環(huán)上的碳刷，依靠彈力搭接、滾動搭接原理構(gòu)成可靠的連接系統(tǒng)，碳刷附著于無線旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)上，提供給集電環(huán)電流，使其加載于發(fā)電機轉(zhuǎn)子之上，形成磁場被切割，產(chǎn)生電能。據(jù)供貨廠家指導(dǎo)意見，該廠選用性能優(yōu)良的進(jìn)口電刷(摩根NCC634、羅蘭LFC554)，正常工況下集電環(huán)表面溫度一般不超過100℃。但在2018年11月至2019年4月期間，某發(fā)電公司運一號機組持續(xù)發(fā)生集電環(huán)高溫、碳刷碎裂等嚴(yán)重缺陷，碳刷溫度最高點達(dá)到了140℃左右，經(jīng)緊急在線處理后恢復(fù)運行，鑒于碳刷發(fā)熱“打火”的常見性以及可能造成的嚴(yán)重后果，現(xiàn)將整個分析處理過程進(jìn)行總結(jié)，對碳刷打火原因進(jìn)行深入分析，總結(jié)了極其實用的在線處理方法。

3 原因分析及對策制定

（1）安裝不規(guī)范，碳刷握的彈簧壓力不足或壓力不均勻，與集電環(huán)表面間隙過大。一般電刷的材質(zhì)比較脆，當(dāng)同集電環(huán)表面的空隙過大的時候，其運行的過程中不能整體與集電環(huán)接觸，會呈斜面接觸，因此容易產(chǎn)生電刷崩裂情況。

解決對策：按照廠家技術(shù)文件要求，在廠家技術(shù)人員的指導(dǎo)下對發(fā)電機刷握間隙進(jìn)行統(tǒng)一檢查調(diào)整至4mm，并測量刷握恒壓彈簧壓力均達(dá)到正常。

（2）碳刷混用，造成不同材質(zhì)、不同導(dǎo)電性能的碳刷混裝，碳刷載流分布不均勻。

解決對策：經(jīng)抽取現(xiàn)場碳刷樣品檢查，該批次使用的碳刷均為上海發(fā)電機廠指導(dǎo)使用卡朋羅蘭品牌，型號為LFC554型進(jìn)口電刷，該碳刷性能優(yōu)良，現(xiàn)場檢查未發(fā)現(xiàn)不同品牌的電刷混用。同時，經(jīng)核查采購經(jīng)銷商，該廠采購的碳刷均為卡朋羅蘭品牌國內(nèi)授權(quán)經(jīng)銷商，未發(fā)現(xiàn)存在非正式廠家生產(chǎn)牌號或其它牌號的碳刷。

（3）檢修人員操作不規(guī)范，未按照規(guī)定對新碳刷進(jìn)行研磨或研磨不均勻。設(shè)備異常打火期間更換碳刷數(shù)量明顯上升，損壞的碳刷多數(shù)出現(xiàn)崩角，裂變等情況。

解決對策：按照廠家指導(dǎo)要求，對碳刷更換作業(yè)進(jìn)行細(xì)致、規(guī)范的培訓(xùn)，且現(xiàn)場由熟練工帶領(lǐng)進(jìn)行碳刷更換，嚴(yán)格按照廠家要求對新碳刷進(jìn)行細(xì)致打磨，杜絕因人為因素造成設(shè)備故障。

（4）集電環(huán)室內(nèi)空氣循環(huán)差，溫度高積粉多，長時間未清理，造成碳刷打火。碳刷在同集電環(huán)的機械摩擦過程中，會產(chǎn)生很大的熱量、流過碳刷的電流會產(chǎn)生熱量，集電環(huán)室內(nèi)的空氣循環(huán)較差，兩者之間產(chǎn)生的熱量不能及時的排出室外，熱量集中室內(nèi)，使室內(nèi)的溫度升高，隨著碳粉越積越多，如未及時的清理干凈，導(dǎo)致碳刷溫度增高而出現(xiàn)打火。

解決對策：加強室內(nèi)的通風(fēng)冷卻，在發(fā)電機集電環(huán)處引接一路儀用壓縮空氣，對碳刷和發(fā)電機集電環(huán)積粉進(jìn)行吹掃清潔，同時使碳刷與集電環(huán)面等零部件的溫度低降。另外，檢修人員定期檢查設(shè)備各部位是否有粉塵積垢，需要及時的清掃干凈；此外，結(jié)合機組檢修，定期將集電環(huán)螺旋導(dǎo)風(fēng)槽里的碳粉物清除干凈，避免影響通風(fēng)和散熱的效果。

（5）人員技能及經(jīng)驗不足，日常巡視檢查過程中未能及時發(fā)現(xiàn)集電環(huán)局部高溫及碳刷載流分布不均勻的缺陷，造成碳刷及集電環(huán)長時間過熱，進(jìn)行形成打火缺陷。

解決對策：針對人員技能及經(jīng)驗不足等問題，聯(lián)系廠家專業(yè)技術(shù)人員針對此類問題開展現(xiàn)場專項培訓(xùn)，人員達(dá)到熟練水平方可上崗作業(yè)。

綜上述原因分析，針對具體原因分析制定出的解決對策，逐項落實實施后，碳刷“打火”故障并未有效消除，且隨著負(fù)荷率的增加有形成“環(huán)火”的趨勢。機組多次被迫降負(fù)荷及降無功運行，碳刷電流分布嚴(yán)重不平衡，接觸面溫度高達(dá)200℃，集電環(huán)表面最高溫接近160℃，現(xiàn)場多數(shù)碳刷存在邊、角崩裂的現(xiàn)象，嚴(yán)重危及機組運行。后經(jīng)技術(shù)人員及廠家技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場反復(fù)檢測、分析、研斷，確定此次打火故障的主要原因為發(fā)電機集電環(huán)表面存在“高點”，因電腐蝕造成集電環(huán)表面光潔度劣化，致使碳刷電流分布不平衡局部高溫打火。

解決對策：為研磨集電環(huán)表面“高點”，進(jìn)一步提高集電環(huán)表面光潔度，技術(shù)人員自制作了同比例膠木材質(zhì)的碳刷。膠木即電木，具有較高的機械強度、良好的絕緣性，耐熱耐高溫耐腐蝕，用其代替碳刷可以有效研磨集電環(huán)表面“高點”及毛刺且不會對集電環(huán)造成二次損壞。其制作過程相對簡單，即選用耐熱性能更佳的原膠木，按原碳刷規(guī)格比例1：1切割打磨成碳刷狀，為進(jìn)一步提高研磨接觸面積，取舊碳刷比照，在膠木碳刷端面畫出相同弧面，用磨具沿弧面打磨，直至膠木碳刷弧面成與集電環(huán)接觸面達(dá)到75%以上，為防止取出時不慎滑落，將制作好的膠木碳刷頂部打孔系好絕緣繩（如圖1所示），將其按照碳刷安裝要求安裝于新刷握上，根據(jù)故障集電環(huán)碳刷電流分布情況，依次謹(jǐn)慎、輪換、替代電流分布不均，載流能力較低的碳刷刷握，逐步對集電環(huán)表面進(jìn)行持續(xù)研磨、清潔，消除集電環(huán)表面“高點”，同時對集電環(huán)表面光潔度進(jìn)行修復(fù)拋光。經(jīng)多輪次，反復(fù)不斷的對集電環(huán)持續(xù)研磨，碳刷打火現(xiàn)象逐步減少，直至徹底消失，觀察集電環(huán)表面光滑度明顯提升，此方法取得了立竿見影的效果，避免了機組非停造成的經(jīng)濟(jì)效益損失響。同時，得到廠家的認(rèn)可和贊許，值得在同類故障中廣泛推廣，取得了良好的社會價值。

圖1 自制膠木碳刷

某火電機組在運行中集電環(huán)打火嚴(yán)重，造成集電環(huán)及碳刷異常發(fā)熱，為避免機組非正常停機帶來的經(jīng)濟(jì)損失，以及事故擴(kuò)大造成惡劣的社會影響，本文通過深入分析，提出了有效的在線處理對策，通過研發(fā)自制膠木碳刷，對發(fā)電機故障集電環(huán)在線研磨，有效解決了集電環(huán)“打火”故障，避免了機組非停的帶來經(jīng)濟(jì)損失及惡劣的社會影響，鑒于取得的良好效果，希望對同行業(yè)類似故障有一定的借鑒作用。