郭凯
国能河北龙山发电有限责任公司 河北 邯郸 056400
〔摘 要〕 分析某电厂600MW汽轮发电机碳刷烧损事故的原因，介绍了改进碳刷维护管理的措施。
〔关键词〕 碳刷；事故；发热；电流平衡；措施
某电厂600MW机组励磁系统为自并励静止可控硅整流励磁系统，额定励磁电流4512 A，发电机采用D172型号的碳刷，采用恒压簧刷握，发电机碳刷共168块，每极84块。碳刷是发电机中动静接触和交换能量的设备，碳刷运行的好坏，直接关系到发电机的安全运行。#2号机曾因励磁碳刷环火造成1次停机事故，多次发电机碳刷大面积烧损事故，其中一次发电机碳刷一极烧损34块碳刷。
D172碳刷主要参数见表1。
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1 事故经过
（1）2013年12月28日13时16分#2发电机#7瓦喷油至发电机碳刷上，15时45分将碳刷上的油清理完毕。29日20时32分#2发电机出转子接地信号，就地检查发电机碳刷出现环火，立即调整后恢复正常，21时10分检查发电机碳刷，负极滑环碳刷环火，减有、无功负荷调整处理无效，碳刷刷辫相继发红烧断，并伴有弧光，21时20分打闸停机。结果造成46个碳刷刷辫烧断，15个刷握熔化。当时机房内温度33℃，有功负荷600 MW，无功负荷133 Mvar，励磁电流4064 A。
（2）2013年11月25日15时10分机房内温度35℃，有功负荷603 MW，无功负荷130 Mvar，励磁电流4061A，检查#2发电机碳刷无火花，温度正常。15时40分检查#2发电机碳刷正极刷辫烧断12根，部分刷辫碳化，并有轻微火花，立即切除AVC降无功负荷至20 Mvar，更换刷辫烧断的碳刷，之后将刷辫碳化的碳刷更换，此次正极共更换碳刷24块，2个刷握变形，在被换的碳刷中，部分碳刷是碳刷中心不正，部分是振动大崩角，小部分是碳刷发热卡涩。
2 引起碳刷发热的因素
碳刷发热由三部分组成：碳刷自身电阻发热，碳刷的接触压降发热和磨擦发热。
碳刷自身电阻发热功率：P1=I2R
碳刷接触压降发热功率：P2=I△E
磨擦发热功率：P3=Fv
其中：I－流过碳刷的电流；
R－碳刷电阻；
△E－接触压降；
F－碳刷压紧力；
V－碳刷与滑环的相对运动速度。
3 碳刷发热的原因
3.1 碳刷运行过程中电阻值逐渐增大
用电桥法测量使用的D172碳刷电阻值为0.0012～0.0020Ω，#2 机组使用一段时间后更换下来，测得电阻值为0.0012～0.01Ω，#2机碳刷事故停机后，拆下的碳刷测得电阻值为0.0012～0.3Ω。
3.2 碳刷卡阻
碳刷通过电流后发热，刷体膨胀，易卡在刷握中，这时拉动刷辫感觉很紧；部分碳刷由于振动、刷握中心不正等原因，会在刷握一侧的上沿和另一侧下沿产生明显卡阻，这几种形式卡阻，用钳表仍可测得电流，容易被误导(刷辫处磁场较强，测量方法不同，钳表测得数值误差大，测量值只作定性分析)，碳刷却已经失效，致使其它碳刷分配的电流增加，电阻发热增加。
3.3 碳刷压力不均
恒压簧碳刷运行一段时间后，由于振动等原因使得恒压簧下部分绝缘垫块脱落，恒压簧流过电流发热，使得弹簧压力明显减少，压力小到一定程度，接触不稳定，接触压降增大，接触压降使发热明显增加，碳刷上电流减小。 而未流过电流的恒压簧，压力没有变化，碳刷上电流增大，发热增加。
3.4 碳刷接触面形成气膜
D172碳刷最大圆周速度为70 m/s，发电机励磁滑环直径为401mm，折算后滑环表面园周速度为63 m/s，碳刷在允许最大速度90%下运行，很容易在碳刷接触面产生气垫与吸附现象，高速集电环并联电刷在气垫与吸附双重作用下，刷握与集电环接触电阻走向两个极端，刷体负荷电流出现异常不均的分布。负荷低的电刷暂时不会出现什么问题，符合严重超载的电刷导线将过热变色或被烧断、烧溶。这部分电刷失去了集流作用，其他电刷负荷势必会增大电流分布出现新的分布不均，导线发生新的过热变色或被烧断烧溶。在滑环表面开凹槽和磨花碳刷接触面可破坏气膜。但开凹槽使碳刷实际的接触面积减小。碳刷崩角后更会加剧不平衡电流。
3.5 滑环氧化膜的形成
滑环氧化膜太厚，使碳刷接触电阻大大增加，励磁电流分流到其它回路电阻小的碳刷上。
3.6 电流平衡的破坏
一般情况下，恒压弹簧碳刷新换上后压紧弹簧，碳刷与滑环接触面的接触紧力较大，即接触压降小，所有168块碳刷工况相近，每条碳刷的电流接近相等，刷体的平均温度较低，碳刷间电流相对稳定平衡(称作强平衡)。运行一段时间后，碳刷的磨损量相近，但出现了氧化膜、气膜、卡涩等因素，碳刷磨短了或弹簧压力降低了，碳刷接触面的接触紧力减小，碳刷间电流二次再分配，每条碳刷的电流差别增大，处于不稳定平衡(称作弱平衡)。这个阶段时间长，逐渐变化，不容易引起警觉。当环境温度升高或励磁电流增加时，随时可造成弱平衡破坏。
3.7安装或碳刷质量原因使得接触电阻增大
碳刷和刷辫连线松动，使得接触电阻增大，发热增加；刷辫和接线端子间的连接螺丝安装时未拧紧或运行中振动螺丝松动，流过碳刷的电流减小，加重其他碳刷负荷。
3.8碳刷中心不正
碳刷由于安装或刷架质量原因使碳刷中心不正，碳刷位置不能对准滑环圆周的法线方向，经目测发现部分刷握距离滑环的高度不一，有些不能平行于滑环圆周的法线方向。使得碳刷与滑环接触压力降低，碳刷流过的电流减小，其他碳刷分担的负荷增大。
4 碳刷事故原因分析
2013年12月#2发电机组由于密封油系统回油不畅，#7瓦喷油至发电机励磁碳刷上，运行及检修人员虽通力合作将滑环及碳刷上的油清理干净，但滑环及碳刷上有一层油膜清理不干净，运行一段时间后，滑环表面油与灰尘沾在一起，形成一层灰尘膜，使得接触电阻增大，滑环表面受热逐渐形成了一定厚度的氧化膜，增大了碳刷的接触压降，加上个别碳刷卡涩失效，碳刷处于弱平衡状态，事故时室内气温高，机组负荷加满，励磁电流增加，碳刷间弱平衡破坏，个别碳刷电流迅速增大，严重过热，刷体发红膨胀卡死，大电流转移到其它碳刷，并相继出现膨胀卡死，滑环环火恶性发展，虽经多方调整仍然无效，使得短时间内大量碳刷刷辫烧断被迫停机。在此事故之前也曾经有多次#7瓦密封油喷至发电机碳刷上 ，久而久之滑环表面氧化膜的厚度越来越大，接触电阻增大，加之个别碳刷的绝缘垫已经脱落，使得恒压簧流过电流，恒压簧压力减弱，致使碳刷负荷电流不均衡，最终导致了事故的发生。
5 关于碳刷烧损事故的分析
2013年碳刷烧损失故事检修时，仅将烧损的衡压簧更换，其余部分未进行更换，致使衡压簧压力不均，为后来碳刷烧损事故埋下了陷阱。2013年事故时恒压弹簧压力不足，用手拉动励磁弹簧，可明显感觉不同弹簧的压力差异，且弹力比其它机组恒压弹簧小很多，由于弹簧压力不足，刷握和碳刷磨擦阻力使碳刷被阻在握内。
更换下来的碳刷有相当一部分崩角，集电环在高速运行中，吸附着其表面的空气也一同旋转。当电刷滑入端出现楔形间隙时，旋转空气不断充斥这一空间，形成带正压的气垫。气垫增大了刷体与集电环的接触电阻，减少了刷体的负荷电流，严重的甚至使负荷电流降为零，出现不导电碳刷。如果楔形间隙发生在电刷滑出端，这一间隙的空气不断被泄出，刷下形成的负压将刷体紧紧的吸附在集电环工作面上。碳刷与集电环接触电阻大大减小，电刷的负荷电流大幅增加，甚至超出额定电流数倍。同时更换的碳刷，有一部分中心不正，加重了其他碳刷的负荷。
6 改进维护处理措施
（1）将消除碳刷火花的被动管理形式改为控制
碳刷电流分配和温度的主动管理形式。在生产现场配备直流钳表和红外线测温仪，每小时测量和掌握每个碳刷温度必要时加测电流，碳刷电流控制在10～90 A，刷体温度控制在不大于80℃，及时消除电流不平衡、气膜、氧化膜、卡阻等因素，保证碳刷在强平衡状态工作。有条件时，专人负责碳刷的维护更换工作。
（2）出现个别碳刷断辫，可先减小励磁电流；出现环火，则大量减小励磁电流，调整碳刷电流平衡后再换碳刷。
（3）规定碳刷磨损掉1/3，必须更换，消除碳刷太短、电阻值变大、卡阻、阶梯形四面体等现象。
（4）定期检查发电机碳刷是否有崩角现象，一旦发现立即进行更换，消除楔形间隙减小电流偏差。
（5）为减少密封瓦喷出的油烟污染滑环以及密封油泄漏喷向发电机转子滑环，利用停机检修机会在发电机本体#7瓦与隔音罩之间转子轴径表面圆周方向安装阻油环。
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（6）利用停机检修机会对位置不能对准滑环圆周的法线方向的碳刷重新找正，使碳刷电流分布均匀。
（7）加强停机后维护
停机后对滑环进行防锈和除锈，对滑环沟道和刷握进行吹灰和清抹。
7 结 论
采取上述措施以后，#2机组励磁碳刷实现了无火花、刷辫无变色、无断辫运行，先后及时消除了个别碳刷小电流(卡阻)以及#2发电机磁碳刷正极八块碳刷无电流(机端盖渗油引起)问题。从一段时间的运行情况看，碳刷维护管理从控制碳刷无火花改为碳刷状态平衡控制，较好地实现了强平衡状态运行目的，避免了人为因素的影响。#2发电机由于设备先天不足，虽然个别碳刷小电流现象经常出现，电流平衡问题仍得到较好控制。
参考文献：
《励磁碳刷事故分析》………………………………………作者：余宏威