沙角A電廠1，2號(hào)機(jī)曾因勵(lì)磁碳刷環(huán)火造成2次停機(jī)事故。機(jī)組容量200 MW，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁形式為它勵(lì)，額定勵(lì)磁電流1765 A，勵(lì)磁碳刷采用非恒壓形式，主勵(lì)每極32條碳刷，碳刷型號(hào)為D172HT-25×32×65，2000年6月2號(hào)機(jī)組大修增容改造時(shí)，勵(lì)磁碳刷改為恒壓形式，每極30條碳刷，碳刷形號(hào)為D172HT-25×32×100。D172碳刷主要參數(shù)見(jiàn)表1。

　　表1 D172碳刷主要參數(shù)

長(zhǎng)度L/mm

磨擦系數(shù)k

正壓力P/Pa

接觸壓降△E/V

電流密度I/（A/cm²）

額定電流I/A

最高速度v（m/s）

電阻率、p/Ω·m

電阻率R/Ω

65

9.8×2500

0.25

1.25

12

96

70

12×10^-6

0.00105

100

9.8×2500

0.25

1.25

12

96

70

10×1^0-6

0.00162

1 事故經(jīng)過(guò)

　　(1) 2001-06-29T08:00交接班檢查1號(hào)機(jī)組碳刷無(wú)火花機(jī)，14:45檢查發(fā)現(xiàn)主勵(lì)磁機(jī)負(fù)極滑環(huán)碳刷環(huán)火，減負(fù)荷和減勵(lì)磁電流、調(diào)整處理無(wú)效，碳刷刷辮相繼發(fā)紅燒斷，并伴有弧光，14:55，值長(zhǎng)令解列停機(jī)，事故過(guò)程約10 min，結(jié)果造成20個(gè)碳刷刷辮燒斷，4個(gè)刷握孔熔化。當(dāng)時(shí)機(jī)房?jī)?nèi)溫度35～40℃，有功負(fù)荷200 MW，無(wú)功負(fù)荷90 Mvar，勵(lì)磁電流1650 A。

　　(2) 2001-09-18，機(jī)房?jī)?nèi)溫度35～40℃，2號(hào)機(jī)組有功負(fù)荷210 MW，無(wú)功負(fù)荷87 Mvar，勵(lì)磁電流1550 A，班中檢查發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁負(fù)極的其中一條碳刷斷辮，滑環(huán)碳刷火花大，取出該組(3條)碳刷更換，滑環(huán)環(huán)火，并發(fā)現(xiàn)其它碳刷相繼發(fā)紅斷辮，減勵(lì)磁電流，有功減至140 MW調(diào)整處理無(wú)效，解列停機(jī)。整個(gè)過(guò)程約15 min，結(jié)果造成10只碳刷刷辮燒斷，部分采集電環(huán)及銷釘固定孔燒化，“V”架部分銷釘燒斷。

2 引起碳刷發(fā)熱的因素

　　碳刷發(fā)熱由3部分組成：碳刷自身電阻發(fā)熱，碳刷接觸壓降發(fā)熱和磨擦發(fā)熱。

　　碳刷自身電阻發(fā)熱功率：W
_1=I^2R

　　碳刷接觸壓降發(fā)熱 功率：W
_2=I△E

　　磨擦發(fā)熱功率：W_3=Fv

　　其中：I－流過(guò)碳刷的電流；

　　R-碳刷電阻；

　　△E-接觸壓降；

　　F-碳刷壓緊力；

　　v-碳刷與滑環(huán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

3 碳刷發(fā)熱的原因

3.1 碳刷使用過(guò)程中電阻值逐漸增大

　　將購(gòu)買的500條D172HT-25×32×100碳刷，用電橋法測(cè)量其電阻值為0.0012～0.0020Ω，電阻分散性不大；一部分碳刷在2號(hào)機(jī)組使用一段時(shí)間后更換下來(lái)，測(cè)得電阻值為0.0012～0.01Ω，即部分碳刷的電阻增大了；2號(hào)機(jī)碳刷事故停機(jī)后，拆下的碳刷測(cè)得電阻值為0.0012～0.3Ω，電阻分散性很大，電阻也大了許多，電阻值的增大使碳刷的電阻發(fā)熱增加。

3.2 碳刷卡阻

　　碳刷通過(guò)電流后發(fā)熱，刷體膨脹，易卡在刷握，這時(shí)拉動(dòng)刷辮感覺(jué)很緊；部分碳刷由于振動(dòng)、刷握不垂直等原因，會(huì)在刷握一側(cè)的上沿和另一側(cè)下沿產(chǎn)生明顯卡阻，這幾種形式卡阻，用鉗表仍可測(cè)得電流，容易被誤導(dǎo)(刷辮處磁場(chǎng)較強(qiáng)，測(cè)量方法不同，鉗表測(cè)得數(shù)值誤差大，測(cè)量值只作定性分析)，碳刷卻已經(jīng)失效，致使其它碳刷分配的電流增加，電阻發(fā)熱增加。

3.3 碳刷壓力減小

　　非恒壓碳刷，壓緊彈簧后碳刷接觸壓降小，發(fā)熱少，在碳刷磨短后，彈簧壓力明顯減少，壓力小到一定程度，接觸不穩(wěn)定，接觸壓降增大，接觸壓降發(fā)熱明顯增加。

3.4 碳刷接觸面形成氣膜

　　D172碳刷最大圓周速度為70 m/s，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁滑環(huán)直徑為445 mm，折算后滑環(huán)表面園周速度為69.9 m/s，碳刷在允許最大速度下運(yùn)行，很容易在碳刷接觸面產(chǎn)生氣膜和跳動(dòng)，流過(guò)碳刷的電流不穩(wěn)定。在滑環(huán)表面開(kāi)凹槽和磨花碳刷接觸面可破壞氣膜。但開(kāi)凹槽使碳刷實(shí)際的接觸面積減小。

3.5 滑環(huán)氧化膜的形成

　　滑環(huán)氧化膜太厚，使碳刷接觸電阻大大增加，勵(lì)磁電流分流到其它回路電阻小的碳刷上。

3.6 電流平衡的破壞

　　一般情況下，非恒壓彈簧碳刷新?lián)Q上和壓緊彈簧，碳刷與滑環(huán)接觸面的接觸緊力較大，即接觸壓降小，所有32條碳刷工況相近，每條碳刷的電流接近相等，刷體的平均溫度較低，碳刷間電流相對(duì)穩(wěn)定平衡(稱作強(qiáng)平衡)。運(yùn)行一段時(shí)間后，碳刷的磨損量相近，但出現(xiàn)了氧化膜、氣膜、卡阻等因素，碳刷磨短了或彈簧壓力降低了，碳刷接觸面的接觸緊力減小，碳刷間電流二次再分配，每條碳刷的電流差別增大，處于不穩(wěn)定平衡(稱作弱平衡)。這個(gè)階段時(shí)間長(zhǎng)，逐漸變化，不容易引起警覺(jué)。當(dāng)環(huán)境溫度升高或勵(lì)磁電流增加時(shí)，隨時(shí)可造成弱平衡破壞。

4 碳刷事故原因

　　滑環(huán)表面形成了一定厚度的氧化膜，增大了碳刷的接觸壓降，加上個(gè)別碳刷卡阻失效，碳刷處于弱平衡狀態(tài)，事故時(shí)室內(nèi)氣溫高，機(jī)組負(fù)荷加滿，勵(lì)磁電流增加，碳刷間弱平衡破壞，個(gè)別碳刷電流迅速增大，嚴(yán)重過(guò)熱，刷體發(fā)紅膨脹卡死，大電流轉(zhuǎn)移到其它碳刷，并相繼出現(xiàn)膨脹卡死，滑環(huán)環(huán)火惡性發(fā)展，使得短時(shí)間內(nèi)大量碳刷刷辮燒斷。

5 關(guān)于2號(hào)恒壓勵(lì)磁碳刷事故

　　2000年6月，2號(hào)機(jī)組大修時(shí)將刷架改為恒壓勵(lì)磁刷架，主勵(lì)磁機(jī)每極碳刷由10組“V”架組成，每個(gè)“V”架裝3條碳刷，“V”架與集電環(huán)靠一根銷釘轉(zhuǎn)動(dòng)9°卡接，“V”架兩側(cè)面與集電環(huán)面接觸通過(guò)電流。

5.1 “V”架銷釘磨蝕

　　“V”架銷釘磨蝕有2種，一種是電流流經(jīng)銷釘產(chǎn)生腐蝕，另一種是銷釘與“V”套徑向線接觸，“V”架與“V”套接觸緊力使銷釘產(chǎn)生應(yīng)力磨損。

5.2 “V”架與集電環(huán)接觸不好

　　“V”架與集電環(huán)“V”套配合差，雖然裝配要求接觸面大于80%，實(shí)際上達(dá)不到要求，“V”架裝上后前后左右可晃動(dòng)，造成“V”架兩側(cè)面很多燒傷弧坑。

5.3 彈簧壓力不足

　　恒壓彈簧壓力不足，用手拉動(dòng)勵(lì)磁彈簧，可明顯感覺(jué)不同彈簧的壓力差異，且彈力比其它機(jī)組非恒壓彈簧小很多，由于彈簧壓力不足，刷握和碳刷加長(zhǎng)增加了碳刷側(cè)面磨擦阻力，碳刷被阻在握內(nèi)。

　　上述缺陷增加了2號(hào)機(jī)碳刷事故的幾率，而2號(hào)機(jī)事故當(dāng)時(shí)取出1組碳刷更換則加劇了碳刷弱平衡的破壞。

6 改進(jìn)維護(hù)處理措施

　　(1) 將消除碳刷火花的被動(dòng)管理形式改為控制

　　碳刷電流分配和溫度的主動(dòng)管理形式。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)配備直流鉗表和測(cè)溫表，每班測(cè)量和掌握每個(gè)碳刷電流和溫度，碳刷電流控制在10～90 A，刷體溫度控制在不大于80℃，及時(shí)消除電流不平衡、氣膜、氧化膜、卡阻等因素，保證碳刷在強(qiáng)平衡狀態(tài)工作。有條件時(shí)，專人負(fù)責(zé)碳刷的維護(hù)更換工作跟蹤，效果會(huì)更好。

　　(2) 出現(xiàn)個(gè)別碳刷斷辮，可先減小勵(lì)磁電流；出現(xiàn)環(huán)火，則大量減小勵(lì)磁電流，調(diào)整碳刷電流平衡后再換碳刷。

　　(3) 規(guī)定碳刷磨損掉1/3，必須更換，每月更換碳刷不少于20條，月更換量達(dá)到30%，消除碳刷太短、電阻值變大、卡阻、階梯形四面體等現(xiàn)象。

　　(4) 在“V”架導(dǎo)電兩側(cè)面涂導(dǎo)電脂，消除緊力不足引起的導(dǎo)電不良。定期檢查“V”架銷釘和緊力，定期檢查彈簧壓力。

7 結(jié)論

　　采取上述措施以后，3臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁碳刷實(shí)現(xiàn)了無(wú)火花、刷辮無(wú)變色、無(wú)斷辮運(yùn)行，先后及時(shí)消除了個(gè)別碳刷小電流(卡阻)以及3號(hào)主勵(lì)磁碳刷正極一周8只碳刷無(wú)電流(機(jī)端蓋滲油引起)問(wèn)題。從一段時(shí)間的運(yùn)行情況看，不論是變壓彈簧還是恒壓彈簧，碳刷維護(hù)管理從控制碳刷無(wú)火花改為碳刷狀態(tài)平衡控制，較好地實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)平衡狀態(tài)運(yùn)行目的，避免了人為因素的影響。2號(hào)機(jī)由于設(shè)備先天不足，雖然個(gè)別碳刷小電流現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，電流平衡問(wèn)題仍得到較好控制。（彭遠(yuǎn)崇）

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文章名稱：《發(fā)電機(jī)勵(lì)磁碳刷事故分析和對(duì)策》

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