中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司 宁夏银川 750411
摘要：近年来随着技术更新，大型火力发电机组逐步取消了传统的励磁机，多采用机端自并励励磁方式，此种励磁方式有效的缩短了发电机组轴系的长度，减少了励磁机故障的几率，但在运行过程中，由于运行维护不到位，部分机组发生了集电环着火的事故。本文就某厂330MW汽轮发电机集电环着火原因深入分析探讨，提出解决措施。
关键词：集电环；碳刷；着火；振动；运行维护；措施
一、基本概况
该厂发电机--主变压器采用单元接线，包括发电机、主变、厂高变和励磁变。发电机为上海电气集团股份有限公司生产的QFSN－330－2型汽轮发电机，发电机定子铁芯共有54槽，励磁方式采用静止机端自并励有刷励磁方式，定子绕组采用YY接线。发电机出口电压为20kV，定子引出线与主变压器、厂高变、励磁变压器及电压互感器采用封闭母线相连，封闭母线采用微正压装置充入干燥空气，防止绝缘受潮和发电机出口短路。发电机中性点采用经二次侧接电阻的单相变压器接地。发电机定子线圈采用直接水内冷，发电机转子线圈、定子铁芯及其它部件采用氢气冷却，发电机配置4个氢气冷却器，并配置双筒吸附式氢气干燥装置和氢气泄漏检测装置，密封油系统采用双流环式密封瓦。发电机启动升压时由外部交流电源供电启励，发电机电压大于10%额定电压后，可控硅整流器的输入电压达到10V~20V 后，可控硅整流器和励磁调节器可正常工作，由AVR 控制软起励升压。使用发电机出口电压经励磁变降压，由三台静止可控硅整流柜以及瑞士ABB UNITROL®F/5000 数字式励磁调节器调节整流，通过灭磁开关经发电机碳刷向发电机转子提供励磁电流。
励磁系统主要参数如下：
发电机碳刷的作用是将励磁变降压后，经励磁整流柜整流成为直流后的直流电，通过碳刷传导至集电环，传输至发电机转子线圈，为发电机提供励磁，形成转子磁场，是发电机重要的元器件。碳刷作为一种滑动接触件，在许多电气设备中得到广泛的应用。NCC634碳刷主要材质为石墨，是由碳粉烧结而成，烧结温度高达800℃以上，因此碳刷本体可以承受的温度是很高的，但是刷辫是在碳刷上钻孔后填埋，及碳刷微端的绝缘压板是用胶粘的，这两处是碳刷的薄弱点，所以碳刷的耐温一般不超过120℃。NCC634碳刷电阻率：18，硬度：52，电流密度10A/平方厘米，弹簧压力140-180S/Press，具有良好的成模型。碳刷安装要求装入刷握内要保证能够上下自由移动，碳刷与刷握内壁的间隙在0.1-0.3毫米之间，以避免碳刷和刷握之中因间隙过大产生摆动。刷握下边缘距集电环表面的距离应该大于2毫米。
电刷使用性能良好的标志主要有以下几个方面：
1、使用寿命长并不磨损集电环。
2、具有良好的集流性能，使火花抑制在允许的范围内，并且能量损耗小。
3、电刷运行时，不过热，噪音小，不破损。
4、运行过程中，能够在集电环表面较快地形成一层均匀、适度和稳定的氧化薄膜。
该厂每台发电机组配置励磁碳刷96块，正负极各48块，碳刷型号为NCC634，外形尺寸为25*32*100mm，厂家指导碳刷额定电流80A，正常运行时平均每块碳刷通过约50A电流，该型号碳刷在330MW火力发电机组广泛使用，运行情况良好，口碑较好。
二、事故经过
事故前#2发电机主要运行参数：有功负荷235MW、无功负荷132MVar，发电机出口电压20.3KV、出口电流7626A，励磁电压241V、励磁电流2128A，机组#8瓦振动X向32.8um、Y向33.1 um，#9瓦振动X向36.8um、Y向29.1 um，集电环轴瓦温度64.1℃，机组推力轴承温度67.9℃，各参数均正常。
20**年*月**时，#2发电机励磁电压、电流持续升高且大幅波动，随后发电机励端#8瓦、集电环处#9瓦振动随之增大，约十分钟后机组#8瓦振动大保护动作跳闸，锅炉MFT保护联锁动作，同时发电机程序逆功率保护动作解列，但灭磁开关未跳闸，两分钟后过激磁保护动作后灭磁开关跳闸。值班员就地检查发现#2发电机碳刷小室内有烟雾、打火现象，由于振动大，造成#9瓦轴承座处地脚螺栓断裂，#9瓦回油管道破裂漏油，在集电环处着火，现场人员立即组织将火扑灭，发电机进行氢气退氢置换，发电机组进入检修状态。
现场DCS监控情况
三、事故原因分析
1、通常造成发电机集电环打火的原因有以下几个方面：
1）弹簧压力不均，接触不良。
2）碳刷与刷握间隙不当，碳刷卡塞或摆动。
3）碳刷型号不一致，电流不均匀。
4）碳粉积垢脏污、集电环表面脏污。
5）碳刷过短。
6）机组振动或滑环表面不平整。
7）发电机碳刷风道堵塞。
2、根据以上条件，现场查看，逐步排查事故原因
1）对刷握上的压紧弹簧进行排查。由于事故现场正极碳刷及刷握损坏严重无法检查。检查未损坏的碳刷弹簧压力正常，接触良好，初步判断不是事故原因。
2）对碳刷与刷握间隙进行排查。检查现场使用的碳刷尺寸与刷握合适，能够在刷握内自由活动，且无未卡塞或摆动现象，确认不是事故原因。
3）对碳刷型号的排查。现场两台机组使用碳刷型号均为NCC634，生产厂家一家为南通森仕碳刷，一家为原厂配置上海摩根碳刷。经核查，该厂从投运初期使用上海摩根NCC634，以后采购的碳刷型号未改变，但厂家有所不同，主要技术规范及碳刷尺寸相近，经2013年投产以来使用经验，从未发生过碳刷打火现象。确认不是主要原因。
4）对碳粉积垢脏污、集电环表面脏污状况的排查。事故发生时，大量油污喷洒至集电环，且灭火过程中喷洒干粉灭火器，导致现场被严重破坏，集电环表面是否脏污无法判断，询问运行人员，集电环表面光洁，但巡检时发现刷辫上有经常脏污。判断不是主要原因。
5）排查碳刷长度。现场检查未烧损的碳刷，部分碳刷过短，检查碳刷更换记录，发现碳刷更换频次较长。现场检查相邻#1机组碳刷，发现大量碳刷长度不足。
根据该种碳刷刷握设计，为保护集电环，避免碳刷过短时，刷辫铜与集电环摩擦，损坏集电环，该碳刷磨损至一定程度时，受刷辫长度限制，不能使碳刷与集电环接触。检查故障点主要在集电环正极，根据长期观察两台机组运行情况，正极碳刷磨损普遍比负极碳刷快，若更换不及时，极易造成碳刷接触不良。判断为本次事故的主要原因。
6）对机组振动或滑环表面不平整的排查。事故发生30分钟前，#8、#9瓦振动均正常，在励磁电流、电压大幅波动后，振动增大，排除机组振动原因造成的打火；由于发生火灾事故，集电环表面严重受损，事故前表面是否平整无法判断，但运行人员证实，事故前未发现碳刷有跳动现象，应该不是事故原因。
7）对发电机碳刷风道的排查。发电机碳刷室风道出口在6.3米平台，出口装设大尺寸滤网，经检查发电机碳刷风道畅通，无堵塞现象，确认不是事故原因。
综合分析，此次事故主要原因为运行人员更换发电机碳刷不及时，刷体磨短，使碳刷的有效导电接触面积变小发生断流现象，从而使接触良好的其他碳刷电流增大发热，在集电环的高速旋转下形成环火，迅速烧坏集电环、碳刷、刷架、风扇，严重烧损发电机大轴，从滑环烧毁的情况可以看出，集电环和大轴是被高温电弧烧伤，而且碳刷、刷架与滑环之间的电弧维持时间长，形成永久性损伤。在事故发生前，由于能够与集电环接触的碳刷过少，导致集电环与碳刷打火且发电机励磁不足（从DCS趋势可以看出，励磁调节器判断励磁不足，强励保护动作），产生机组振动，强烈的振动导致#9瓦固定螺栓断裂，回油管泄漏，而集电环碳刷环火引燃润滑油。
间接原因
1、此次异常应急处置过程中采取措施不得当，错失了事件初期最佳处理时间，在发现碳刷环火等异常应急处置时，当班人员未及时紧急手动停机，造成事态扩大。
2、运行工作责任心不强，设备巡回检查制度、定期工作制度及运行规程执行不力，未能及时发现碳刷接触不良及滑环温度升高发生打火现象，致使碳刷冒火严重，形成环火。
3、对发电机集电环日常巡视检查不到位、更换碳刷记录不详细，通过事件发生后对#1机组未烧毁的正极侧检查，且对厂家不同的碳刷混用风险分析不足。
4、发电机集电环与转子间的绝缘套筒存在缺陷，发电机运行过程中集电环绝缘套筒外圆底部绝缘布出现脱丝现象，被带入集电环与碳刷间，绝缘物着火加剧燃烧。
5、发变组保护A柜程序逆功率保护动作后，灭磁开关第一次未跳闸，两分钟后过激磁保护动作后灭磁开关才跳闸，进一步造成集电环损伤，此问题通过实验排查，本文不做分析。
四、防范措施
1、加强对发电机碳刷的运行管理措施
1）每班检查集电环（滑环）上碳刷有无打火现象。
2）每班检查碳刷在刷握内有无跳动、摇动或卡涩的情况，弹簧压力是否正常。
3）每班检查碳刷刷辫是否完整，与碳刷的连接是否良好，有无发热及触碰构件的情况。
4）新更换碳刷增加明显红色标识线，使运行人员巡检时能发现临近标识线时及时组织更换，发电机运行中更换碳刷时，应汇报当班值长。每班检查碳刷是否过短，碳刷低于红色标识线时应及时更换，并做好记录，接班人员发现碳刷过短时，可以拒绝接班，更换完成后方可接班。
5）每周测量各碳刷的电流分布是否均匀，有无过热。
6）每班检查、测量集电环表面温度不应大于120℃。
7）每班检查刷握与刷架上是否有积垢，否则及时清理。
2、编制发电机碳刷发热、打火处理规定并执行，加强培训运行人员，提高事故处理能力。
1）发现发电机碳刷发热、打火首先检查不打火和无过热的碳刷是否接触良好。
2）使用钳型电流表检查各碳刷的分流情况，不要盲目的更换过热和电流大的碳刷。
3）更换过短、不分流的碳刷，不同牌号的碳刷。
4）重新打磨卡塞、接触不良的碳刷。
5）更换弹簧压力不足和过热失效的弹簧。
6）更换过热后变形，破碎或引线变色断线的碳刷。
7）滑环表面不平整，通知检修进行研磨。
8）若机组振动超过极限规定，应按有关规定打闸停机。
9）若个别碳刷产生严重火花或烧红，在发电机机端电压和系统电压允许的情况下，可采用转移无功负荷或申请降低无功负荷的办法。
10）若发生滑环严重过热或局部刷架烧红或运行人员处理不了，应联系调度降低发电机励磁电流，必要时申请降低发电机有功负荷或强制通风，并尽快通知检修人员处理。
3、更换发电机碳刷的注意事项：
1）更换运行中的发电机碳刷或调整碳刷冒火工作，由两人进行，碳刷打火时应禁止发电机进行氢气排污工作。
2）更换发电机碳刷或调整碳刷冒火工作人员，应穿绝缘鞋或站在绝缘台垫上，使用绝缘良好的工具。着装应穿紧身衣服，应扎紧袖口的衣服或在手腕处将衣袖扣住，女职工应将长发或辫子盘在帽内。
3）同一极碳刷不能同时更换四块以上，且每块的接触面积应达70%以上，每只碳刷的电流尽量不超过80A。
4）更换发电机碳刷应使用型号一致的碳刷。
5）更换或调整碳刷时应采取防止短路和接地的措施，禁止一手接触碳刷的带电部分（无论正极或负极）而另一手触碰机壳，或者两手分别同时触及不同极性的碳刷，也不允许两人同时调换同一机组的不同极性的碳刷。
6）发电机大轴的接地碳刷应处于接触良好状态，接地线应接地良好，如果磨短应及时联系检修更换。
7）更换发电机碳刷后要做好相关登记工作。
4、运行管理人员每周检查一次发电机碳刷运行情况，同时检查运行人员更换碳刷执行情况，对执行不好的班组进行考核。
5、保证碳刷牌号统一，全部使用原厂配置上海摩根NCC634碳刷。
6、采购并安装碳刷智能监控系统，能够实时监控每块碳刷的温度及电流，发现问题及时处理。
7、在发电机励磁小室内装设具备温度测量功能的监控视频以及烟感探头、灭火设施，对发电机励磁碳刷的运行状态实时监控，巡检人员通过监控视频进行巡视检查，以减少人员在危险区域的停留时间。
五、结果评价
本次事故发生后，将集电环及#9瓦相关设备返厂修复，电弧烧毁内侧集电环、内外绝缘筒、风扇罩、挡风环、刷架、导电环、刷座、绝缘件等做更换，检修费用高，且时间长，造成巨大的经济损失。所幸此次事故过程中，发电机密封瓦工作正常，未发生漏氢现象，否则后果不堪设想。
针对此次事故，电厂组织运行、检修人员进行培训，深入讲解碳刷的作用、原理、结构、运行管理规定、事故处理方法，充分让员工了解碳刷的重要性，从心里提高了对碳刷维护的重视程度。编制了碳刷运行管理措施并执行，管理人员定期检查措施执行情况。统一使用上海摩根NCC634碳刷，现机组运行情况良好。计划结合机组大修，安装碳刷智能监控系统，实时监控碳刷运行情况。
六、结束语
发电机集电环着火事故发生的比较少，发生这类事故和运行人员整体素质及责任心有着密切的关系。随着火力发电厂机组不断增容，电厂运行人员数量大幅减少，一般采用集控值班模式，专业电气人员逐步减少，且运行人员主要操作热机设备，对作为火力发电厂三大主机之一的发电机运行情况关注甚少，导致此次发电机集电环着火事故的发生。加强运行人员培训，提高运行人员责任心是避免类似事故发生的主要手段。
参考文献：
[1]330MW集控运行规程
[2]上海电气集团股份有限公司330MW汽轮发电机使用维护说明书
[3]上海摩根NCC634碳刷使用说明书