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【摘 要】发电机运行中滑环冒火是常见的故障之一，若不及时消除，可导致发电机滑环冒火，严重时将造成滑环烧毁、被迫停机的事故。通过分析此次发电机碳刷冒火处理的经过和事故原因，提出了防范措施和运行维护中要注意的有关事项。
【关键词】发电机；过热；滑环；冒火；碳刷
1.设备简述
某电厂#2机为汽轮发电机组。发电机为发变组单元接线。#2机组为97年11月相继投产的哈尔滨电机厂生产的300MW机组，励磁系统是带有永磁付励磁机、交流主励磁机，静止整流器的“三机励磁”系统。
图1 压簧形状及尺寸
主励磁机Exc输出的交流电流，由三相全波桥式接线的硅整流柜整流后，经发电机碳刷供给发电机G励磁。而交流主励磁机Exc的励磁，由中频永磁付励磁机PMG输出交流电，由励磁调节器的可控硅整流桥整流后，经主励碳刷供给。
励磁碳刷采用恒压压簧，压簧形式见图1。发电机和主励碳刷型号均为D172/2-14②；规格为25×32×65；图号为92HL-79T。发电机每极36条碳刷，分四排、每排9条，；两极共72条；主励每极4条，共8条。
1.1 发电机为三相二极同步发电机，型号：QFSN-300-2-20型。
1.2 主励磁机为同步发电机三相四极励磁机，型号为TFL-1670-4。
1.3 副励磁机为同步发电机永磁，型号为TFL-75-400。
2.事件经过及处理
2.1 事件的发生
2008年01月10日 检查发现#2发电机大滑环北侧一极有三块碳刷辫发热，立即将发热炭刷更换，更换后正常；事后测量#2发电机碳刷电流分布，发现#2发电机大滑环北侧一极电流分布不均匀；有三块超过100A，有四块电流低于20 A。经调整后，降到100 A以下，但仍在80A左右。
2008年02月04日 #2发电机停运转B级检修，2008年03月6日#2发电机B级检修结束后，#2发电机并入系统。
2.2 事件的发展
2008年5月13日检查发现#2发电机北极碳刷冒火严重，减无功进行调整处理后基本不冒火。运行每班重点对#2发电机北极碳刷进行维护，但从13日开始到5月20日#2北极发电机碳刷冒火情况逐步恶化，每班多次进行维护，但间隔一段时间后仍出现冒火现象。中间几次出现被迫减无功、降低励磁电流进行处理和调整。
5月20日 测量#2发电机北极个别碳刷电流大在250A左右，并且刷辨温度高、烧焦变色，紧急减#9机无功进行处理，处理中共更换8块碳刷，其中有5块刷辨被已烧断，并对全部碳刷进行了调整和维护，将各碳刷电流调整后降至80A以下。
从5月20日开始到5月27日多次出现烧断碳刷刷辨，25日开始出现每班都碳刷刷辨烧断的现象，并且出现碳刷刷窝被烧坏的情况；冒火情况经调整后消失，但加无功后，冒火情况又出现，无法消除。被迫限最高无功100MVAR运行。
2.3 事件的发展的最后结果
从6月27日北极碳刷最北侧一排碳刷振动开始明显增大，压簧断裂崩开也呈逐步上升，到#2机7月8日停机，平均每班更换压簧4个以上。北极碳刷其他三排碳刷压簧断裂崩开情况比较少。期间只能维持发电机转子电流在1500A（额定电流2203A）左右运行。
3.停机处理经过
#2发电机由于碳刷冒火只能降无功维持运行，但长期运行势必造成更大的危害，被迫于2008年7月8日申请省调停机，处理#2发电机碳刷北侧一极碳刷冒火。
停机后检查发现：滑环表面已凸凹不平、特别是最北侧一排，靠近发电机6瓦一侧，不平度比较明显；部分刷窝内有电弧烧灼痕迹；部分碳刷由于震动有掉块现象；部分压簧由于过热弹力明显减小。
联系厂家对#2发电机碳刷北侧一极滑环表面进行了打磨处理。处理完毕后，将受损碳刷、压簧、刷窝进行了更换。检查滑环、压簧、碳刷和碳刷架无异常后，于7月11日12：00#2发电机并入系统运行。
#2发电机并入系统运行后，检查北侧一极滑环和碳刷无冒火现象。机组在满负荷下，测量#2发电机碳刷电流分布偏差不大，滑环和碳刷温度在60℃左右、无冒火情况。#2发电机碳刷和滑环运行正常。
4.原因分析
发生碳刷冒火花的原因很多，相关资料、规程都对其作了详细的叙述，但在实际生产中真正造成碳刷冒火花的原因大概有以下几种：
4.1 碳刷电流分布不均、个别碳刷电流密度过大
实际运行中，如果有一、两个碳刷因机械原因卡涩，弹簧压力不足等原因不出力，只要碳刷电流分布比较均匀的话，由其他碳刷分摊其电流，短时间内还不致于发生大的危害，但要及时发现、进行调整。就怕碳刷电流已分布不均匀，造成个别碳刷带大负荷电流，这次#2发电机励磁冒火时就发现，个别碳刷测量电流在200A左右，峰值达到过400A，如此大的電流造成接触面通流密度增大，根据Q=I*IRT，发热量跟电流的平方成正比，积聚的热量无法散发出去时，温度急剧升高，碳刷与滑环接触面就会产生火花。另外火花的产生后，使碳刷工作环境更加恶劣，从而恶性循环，使碳刷冒火花更严重。并且在如此大电流下将造成碳刷刷辫烧断。碳刷烧断后其分摊大电流又转移到其他碳刷上，造成其他碳刷也发生如此情况，形成恶性循环。
4.2 滑环和碳刷表面不洁
这一点最让人忽略的，正常运行的发电机碳刷密封在密闭的柜子内，靠出风口在南侧一极下方的滑环风机把磨下的石墨碳粉、碳刷发热及时吹走，达到冷却的作用。如果由于发电机密封瓦漏油、甩油将油污附着在碳刷、滑环上，一方面影响碳刷散热，另一方面碳刷发生火花时因滑环表面不洁，刷柱之间绝缘强度不够很容易环火。此外滑环上车有螺旋状一道道沟槽，这是为了增加碳刷散热面积，改善同碳刷接触，使碳刷更充分冷却，同时更容易让碳粉抽走。油污也很轻易附着在螺旋状沟里，其也将严重影响其散热。 此次事件中，最北侧一极电流不均匀情况最大，刷辫烧断也以最北侧一排的9条碳刷为多；在事件最后，压簧震断的也全部集中在这一排；停机后检查也是这一排下滑环表面不平度最大。集中以上情况说明，油污问题是本次碳刷冒火的主要诱因。
4.3 碳刷压簧压力不均匀或不符合要求
碳刷出厂时厂家都有相关：碳刷压力调整到不发生火花的最低压力，经过科学论证和实践总结，最低压力一般为200～300ɡ/c㎡，即0.02～0.03MPa，要求各个碳刷之间的压力也要均匀，其差别不超过10%。发电机在长期运行中如果某个碳刷摩擦过短，或碳刷在刷框内滞卡，或由于碳刷温度高造成压簧过热等情况下，压力将出现不均匀。
4.4 轴承振动大。
励磁采取三机励磁系统发电机组，大轴带励磁机，副励磁机。由于轴系较长、带的附加设备多了，振动自然就很难控制到最低，。机组长时间运行，疲劳、老化等等复杂因素引起轴承振动加大，碳刷随着震动，将使刷柱摩擦不均、引线及弹簧松动，发生局部冒火花慢慢进一步影响全局。这也是造成此次冒火的不利因素。
5.日常运行中维护的措施
5.1 日常运行检查
加强定期与不定期的设备巡回检查工作，正常情况下，工作人员每班必须对发电机碳刷进行检查，用红外测温仪测量集电环和碳刷的温度，夏季高峰负荷期间以及无功和电压波动较大时应缩短温度测量间隔，更换的新碳刷做重点检查。最好每天高负荷阶段测量一次碳刷电流分布情况，发现碳刷电流过大、过小要及时及时进行调整，处理不好要通知检修进行处理。
5.2 日常清洁维护
正常运行中每天都要进行清扫、吹灰工作，保持碳刷及整流子滑環光面清洁，若遇异常现象造成碳刷灰尘大时，要加强清扫。遇有停机机会，检修要对滑环、碳刷、碳刷架以及滑环罩等进行全面的清扫、检查。特别要重点对油污进行处理。
维护时要调整碳刷压簧，防止因卡涩造成压力不均，，碳刷压簧的压力要符合制造厂家的规定，并使碳刷承受压力均匀。防止个别碳刷过热或产生火花、刷辫烧焦烧断现象的发生。碳刷运行中出现问题必须及时消缺，避免恶性循环，危及机组正常运行。
5.3 碳刷更换时要注意的问题
对新购进的碳刷进行验收。测定碳刷的固有电阻值，测量碳刷引线接触电阻，阻值要符合制造厂和国家标准。严格把握更换碳刷工艺，同一台机组使用的碳刷必须一致，不可掺插使用。在更换碳刷前，细心研磨碳刷使其面面光滑，碳刷在刷握内应有0.2～0.4毫米的间隙，在刷握内上下活动自如。刷握的下边缘和滑环表面之间的距离为2～3毫米，距离过小，会碰撞滑环表面，易受损、距离过大碳刷跳动易产生火花。争取实现碳刷接触面大于碳刷截面的 80%。勤更换，但多次更换碳刷不宜过多，一次更换碳刷的数量不得超过单极总数的10%，碳刷顶端低于刷握顶端2mm的碳刷应尽快更换，每次更换碳刷时必须使用同一型号的碳刷，但要注意节约和充分利用碳刷。更换后的碳刷必须用直流卡钳表测量碳刷分流情况，用红外测温仪进行温度测试，防止个别碳刷因过流而过热。
【关键词】发电机；过热；滑环；冒火；碳刷
1.设备简述
某电厂#2机为汽轮发电机组。发电机为发变组单元接线。#2机组为97年11月相继投产的哈尔滨电机厂生产的300MW机组，励磁系统是带有永磁付励磁机、交流主励磁机，静止整流器的“三机励磁”系统。
图1 压簧形状及尺寸
主励磁机Exc输出的交流电流，由三相全波桥式接线的硅整流柜整流后，经发电机碳刷供给发电机G励磁。而交流主励磁机Exc的励磁，由中频永磁付励磁机PMG输出交流电，由励磁调节器的可控硅整流桥整流后，经主励碳刷供给。
励磁碳刷采用恒压压簧，压簧形式见图1。发电机和主励碳刷型号均为D172/2-14②；规格为25×32×65；图号为92HL-79T。发电机每极36条碳刷，分四排、每排9条，；两极共72条；主励每极4条，共8条。
1.1 发电机为三相二极同步发电机，型号：QFSN-300-2-20型。
1.2 主励磁机为同步发电机三相四极励磁机，型号为TFL-1670-4。
1.3 副励磁机为同步发电机永磁，型号为TFL-75-400。
2.事件经过及处理
2.1 事件的发生
2008年01月10日 检查发现#2发电机大滑环北侧一极有三块碳刷辫发热，立即将发热炭刷更换，更换后正常；事后测量#2发电机碳刷电流分布，发现#2发电机大滑环北侧一极电流分布不均匀；有三块超过100A，有四块电流低于20 A。经调整后，降到100 A以下，但仍在80A左右。
2008年02月04日 #2发电机停运转B级检修，2008年03月6日#2发电机B级检修结束后，#2发电机并入系统。
2.2 事件的发展
2008年5月13日检查发现#2发电机北极碳刷冒火严重，减无功进行调整处理后基本不冒火。运行每班重点对#2发电机北极碳刷进行维护，但从13日开始到5月20日#2北极发电机碳刷冒火情况逐步恶化，每班多次进行维护，但间隔一段时间后仍出现冒火现象。中间几次出现被迫减无功、降低励磁电流进行处理和调整。
5月20日 测量#2发电机北极个别碳刷电流大在250A左右，并且刷辨温度高、烧焦变色，紧急减#9机无功进行处理，处理中共更换8块碳刷，其中有5块刷辨被已烧断，并对全部碳刷进行了调整和维护，将各碳刷电流调整后降至80A以下。
从5月20日开始到5月27日多次出现烧断碳刷刷辨，25日开始出现每班都碳刷刷辨烧断的现象，并且出现碳刷刷窝被烧坏的情况；冒火情况经调整后消失，但加无功后，冒火情况又出现，无法消除。被迫限最高无功100MVAR运行。
2.3 事件的发展的最后结果
从6月27日北极碳刷最北侧一排碳刷振动开始明显增大，压簧断裂崩开也呈逐步上升，到#2机7月8日停机，平均每班更换压簧4个以上。北极碳刷其他三排碳刷压簧断裂崩开情况比较少。期间只能维持发电机转子电流在1500A（额定电流2203A）左右运行。
3.停机处理经过
#2发电机由于碳刷冒火只能降无功维持运行，但长期运行势必造成更大的危害，被迫于2008年7月8日申请省调停机，处理#2发电机碳刷北侧一极碳刷冒火。
停机后检查发现：滑环表面已凸凹不平、特别是最北侧一排，靠近发电机6瓦一侧，不平度比较明显；部分刷窝内有电弧烧灼痕迹；部分碳刷由于震动有掉块现象；部分压簧由于过热弹力明显减小。
联系厂家对#2发电机碳刷北侧一极滑环表面进行了打磨处理。处理完毕后，将受损碳刷、压簧、刷窝进行了更换。检查滑环、压簧、碳刷和碳刷架无异常后，于7月11日12：00#2发电机并入系统运行。
#2发电机并入系统运行后，检查北侧一极滑环和碳刷无冒火现象。机组在满负荷下，测量#2发电机碳刷电流分布偏差不大，滑环和碳刷温度在60℃左右、无冒火情况。#2发电机碳刷和滑环运行正常。
4.原因分析
发生碳刷冒火花的原因很多，相关资料、规程都对其作了详细的叙述，但在实际生产中真正造成碳刷冒火花的原因大概有以下几种：
4.1 碳刷电流分布不均、个别碳刷电流密度过大
实际运行中，如果有一、两个碳刷因机械原因卡涩，弹簧压力不足等原因不出力，只要碳刷电流分布比较均匀的话，由其他碳刷分摊其电流，短时间内还不致于发生大的危害，但要及时发现、进行调整。就怕碳刷电流已分布不均匀，造成个别碳刷带大负荷电流，这次#2发电机励磁冒火时就发现，个别碳刷测量电流在200A左右，峰值达到过400A，如此大的電流造成接触面通流密度增大，根据Q=I*IRT，发热量跟电流的平方成正比，积聚的热量无法散发出去时，温度急剧升高，碳刷与滑环接触面就会产生火花。另外火花的产生后，使碳刷工作环境更加恶劣，从而恶性循环，使碳刷冒火花更严重。并且在如此大电流下将造成碳刷刷辫烧断。碳刷烧断后其分摊大电流又转移到其他碳刷上，造成其他碳刷也发生如此情况，形成恶性循环。
4.2 滑环和碳刷表面不洁
这一点最让人忽略的，正常运行的发电机碳刷密封在密闭的柜子内，靠出风口在南侧一极下方的滑环风机把磨下的石墨碳粉、碳刷发热及时吹走，达到冷却的作用。如果由于发电机密封瓦漏油、甩油将油污附着在碳刷、滑环上，一方面影响碳刷散热，另一方面碳刷发生火花时因滑环表面不洁，刷柱之间绝缘强度不够很容易环火。此外滑环上车有螺旋状一道道沟槽，这是为了增加碳刷散热面积，改善同碳刷接触，使碳刷更充分冷却，同时更容易让碳粉抽走。油污也很轻易附着在螺旋状沟里，其也将严重影响其散热。 此次事件中，最北侧一极电流不均匀情况最大，刷辫烧断也以最北侧一排的9条碳刷为多；在事件最后，压簧震断的也全部集中在这一排；停机后检查也是这一排下滑环表面不平度最大。集中以上情况说明，油污问题是本次碳刷冒火的主要诱因。
4.3 碳刷压簧压力不均匀或不符合要求
碳刷出厂时厂家都有相关：碳刷压力调整到不发生火花的最低压力，经过科学论证和实践总结，最低压力一般为200～300ɡ/c㎡，即0.02～0.03MPa，要求各个碳刷之间的压力也要均匀，其差别不超过10%。发电机在长期运行中如果某个碳刷摩擦过短，或碳刷在刷框内滞卡，或由于碳刷温度高造成压簧过热等情况下，压力将出现不均匀。
4.4 轴承振动大。
励磁采取三机励磁系统发电机组，大轴带励磁机，副励磁机。由于轴系较长、带的附加设备多了，振动自然就很难控制到最低，。机组长时间运行，疲劳、老化等等复杂因素引起轴承振动加大，碳刷随着震动，将使刷柱摩擦不均、引线及弹簧松动，发生局部冒火花慢慢进一步影响全局。这也是造成此次冒火的不利因素。
5.日常运行中维护的措施
5.1 日常运行检查
加强定期与不定期的设备巡回检查工作，正常情况下，工作人员每班必须对发电机碳刷进行检查，用红外测温仪测量集电环和碳刷的温度，夏季高峰负荷期间以及无功和电压波动较大时应缩短温度测量间隔，更换的新碳刷做重点检查。最好每天高负荷阶段测量一次碳刷电流分布情况，发现碳刷电流过大、过小要及时及时进行调整，处理不好要通知检修进行处理。
5.2 日常清洁维护
正常运行中每天都要进行清扫、吹灰工作，保持碳刷及整流子滑環光面清洁，若遇异常现象造成碳刷灰尘大时，要加强清扫。遇有停机机会，检修要对滑环、碳刷、碳刷架以及滑环罩等进行全面的清扫、检查。特别要重点对油污进行处理。
维护时要调整碳刷压簧，防止因卡涩造成压力不均，，碳刷压簧的压力要符合制造厂家的规定，并使碳刷承受压力均匀。防止个别碳刷过热或产生火花、刷辫烧焦烧断现象的发生。碳刷运行中出现问题必须及时消缺，避免恶性循环，危及机组正常运行。
5.3 碳刷更换时要注意的问题
对新购进的碳刷进行验收。测定碳刷的固有电阻值，测量碳刷引线接触电阻，阻值要符合制造厂和国家标准。严格把握更换碳刷工艺，同一台机组使用的碳刷必须一致，不可掺插使用。在更换碳刷前，细心研磨碳刷使其面面光滑，碳刷在刷握内应有0.2～0.4毫米的间隙，在刷握内上下活动自如。刷握的下边缘和滑环表面之间的距离为2～3毫米，距离过小，会碰撞滑环表面，易受损、距离过大碳刷跳动易产生火花。争取实现碳刷接触面大于碳刷截面的 80%。勤更换，但多次更换碳刷不宜过多，一次更换碳刷的数量不得超过单极总数的10%，碳刷顶端低于刷握顶端2mm的碳刷应尽快更换，每次更换碳刷时必须使用同一型号的碳刷，但要注意节约和充分利用碳刷。更换后的碳刷必须用直流卡钳表测量碳刷分流情况，用红外测温仪进行温度测试，防止个别碳刷因过流而过热。