發(fā)電電動(dòng)機(jī)檢修試運(yùn)行滑環(huán)室放電事故原因分析及處理

趙 冉，穆小紅，岳明奕，辛?xí)悦?/p>

（1.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350；2.哈達(dá)山發(fā)電有限公司，吉林省松原市 138000）

0 引言

某抽水蓄能電廠安裝4臺(tái)奧地利安德里茨公司生產(chǎn)的150MW機(jī)組，勵(lì)磁系統(tǒng)中集電環(huán)采取正、負(fù)極為兩塊半圓形導(dǎo)體型式安裝，且正、負(fù)極導(dǎo)體在上、下空間上兩端均有搭接，其上分別接有6根勵(lì)磁電纜。在集電環(huán)上以每2只為一組均勻裝有6對(duì)半碳刷，下層單只碳刷安裝在集電環(huán)上、下層空間搭接處。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)可控硅勵(lì)磁裝置，電源取自本單元主變壓器低壓側(cè)，機(jī)組額定勵(lì)磁電壓為252.7V/DC，空載勵(lì)磁電壓為72V，額定勵(lì)磁電流為1200A，空載勵(lì)磁電流為700A，碳刷尺寸為32mm×25mm，型號(hào)為EG34D。為降低滑環(huán)室封閉空間對(duì)碳刷產(chǎn)生的熱量影響，改善通風(fēng)條件，滑環(huán)室四周有機(jī)玻璃觀察孔全部改裝成濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保留上部有機(jī)玻璃觀察孔，以便巡視時(shí)掌握其內(nèi)運(yùn)行情況。

1 事故過(guò)程

1號(hào)機(jī)組在C級(jí)檢修后進(jìn)行整組分步啟動(dòng)調(diào)試，當(dāng)機(jī)組由發(fā)電空載試運(yùn)行正常轉(zhuǎn)停機(jī)過(guò)程時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)走逆變流程瞬間，發(fā)電機(jī)滑環(huán)室內(nèi)突現(xiàn)弧光放電、火花四濺，并伴有少量白色煙氣，由于時(shí)間極短，機(jī)組的保護(hù)裝置并未動(dòng)作，調(diào)試人員見(jiàn)狀立即按下緊急停機(jī)按鈕迫使機(jī)組緊急停機(jī)。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，處于集電環(huán)負(fù)極與正極交叉部位處的單只負(fù)極碳刷刷辮已被燒熔，上、下集電環(huán)相應(yīng)部位被嚴(yán)重侵蝕，絕緣套管被燒裂，且滑環(huán)上有一條深約0.5mm、長(zhǎng)約50mm的劃痕，其余碳刷正常，如圖1所示。現(xiàn)場(chǎng)查看電流、電壓故障錄波均顯示無(wú)異常，測(cè)量轉(zhuǎn)子絕緣電阻及磁極連接電阻均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且機(jī)組的振動(dòng)、擺度均在合理范圍內(nèi)。

圖1 集電環(huán)及絕緣套管損毀狀況Figure 1 Damaged condition of collector ring and insulating sleeve

2 事故原因分析

1號(hào)機(jī)組自2007年2月投運(yùn)以來(lái)，10余年間均無(wú)有關(guān)滑環(huán)室缺陷事故的發(fā)生，根據(jù)國(guó)內(nèi)有關(guān)滑環(huán)室出現(xiàn)的類(lèi)似放電事故經(jīng)驗(yàn)，此次事故產(chǎn)生的原因可能為：

（1）碳刷載流密度不均。在檢修完滑環(huán)室回裝碳刷時(shí)，造成個(gè)別碳刷與刷握之間卡澀，再加之輔機(jī)分步啟動(dòng)到勵(lì)磁投入中間過(guò)程大約持續(xù)10min，碳刷受熱膨脹，使得碳刷在刷握中浮動(dòng)不靈活，從而影響了碳刷與滑環(huán)的接觸[1]，導(dǎo)致通過(guò)每只碳刷的電流分布不均，最終致使此碳刷放電打火。

（2）碳刷材質(zhì)問(wèn)題。由于設(shè)計(jì)之初只考慮了碳刷對(duì)滑環(huán)的腐蝕影響，在碳刷材質(zhì)選擇上使用的是電化石墨，從而忽略了其相對(duì)于天然石墨有較大的摩擦系數(shù)和對(duì)碳刷打火抑制的消極作用，且每次機(jī)組月度定檢、年度檢修在滑環(huán)室內(nèi)都會(huì)附著大量的魚(yú)鱗狀碳粉，由此考慮認(rèn)為碳刷材質(zhì)也是此次事故的一個(gè)制約因素。

（3）溫度的影響。碳刷與滑環(huán)相對(duì)運(yùn)行的接觸面上會(huì)形成一層均勻、穩(wěn)定的氧化膜，其不僅有利于降低摩擦系數(shù)和增大正極碳刷與滑環(huán)間的接觸電壓降（負(fù)極與正極壓降變化相反），還可增強(qiáng)潤(rùn)滑性能[2-3]。但此碳刷與刷握的卡阻使得其本身區(qū)域范圍內(nèi)溫度過(guò)高，破壞了氧化膜的形成，加劇了碳刷與滑環(huán)的不正常磨損，使得碳刷摩擦發(fā)熱過(guò)度，超過(guò)了銅質(zhì)刷辮的熔點(diǎn)，引起刷辮斷裂，造成正負(fù)極短接。

（4）壓簧壓力不足。由于使用的單簧恒壓彈簧長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，導(dǎo)致彈性疲勞老化、壓力不足，造成碳刷與滑環(huán)接觸面不穩(wěn)定，從而引起拉弧[4]。

（5）絕緣擊穿引起正負(fù)極短接。從事故發(fā)生損壞部位來(lái)看，還可能為負(fù)極碳刷刷辮過(guò)長(zhǎng)，在安裝后沒(méi)有嚴(yán)格按照相關(guān)要求檢查其與上、下集電環(huán)的距離，造成刷辮與上層的正極集電環(huán)下表面貼合，而上、下層集電環(huán)表面絕緣僅依靠絕緣紅瓷漆維持，當(dāng)手動(dòng)投勵(lì)磁電流到650A左右時(shí)，轉(zhuǎn)子電壓在160～200V之間，此時(shí)絕緣紅瓷漆尚能維持絕緣，隨后勵(lì)磁系統(tǒng)OFF令發(fā)出后走逆變流程，轉(zhuǎn)子電壓反向，電壓瞬時(shí)達(dá)到600～700V，絕緣紅瓷漆被擊穿，正負(fù)極電流通過(guò)刷辮短路，引發(fā)銅質(zhì)刷辮熔融。

3 事故處理及防范策略

3.1 事故處理方法

依多年機(jī)組的運(yùn)行狀況并與其他3臺(tái)機(jī)組對(duì)比，結(jié)合以上分析，斷定為上述第（5）項(xiàng)原因引起，為從根本上杜絕類(lèi)似事故的再次出現(xiàn)，采取以下方法進(jìn)行處置：

（1）將碳刷全部更換為同一批次、相同型號(hào)的碳刷并對(duì)其接觸面進(jìn)行研磨，使其與集電環(huán)的接觸面積大于75%。

（2）對(duì)產(chǎn)生劃痕的下滑環(huán)和上、下集電環(huán)有銅漬處用專(zhuān)用砂布進(jìn)行打磨處理，并對(duì)集電環(huán)刷絕緣紅瓷漆。

（3）更換損壞的絕緣套筒。將新絕緣套筒刷絕緣紅瓷漆，并用1000V絕緣電阻測(cè)試儀耐壓1min，測(cè)得的絕緣電阻符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）檢查每一個(gè)刷握壓簧的壓力并確保碳刷受力均勻且與滑環(huán)接觸良好。

（5）用白布蘸酒精對(duì)滑環(huán)、集電環(huán)仔細(xì)擦拭，并用吸塵器清除碳粉、灰塵及殘留的細(xì)小銅渣，確保滑環(huán)室內(nèi)清潔。

（6）檢查勵(lì)磁穿軸引線及刷架緊固螺栓，對(duì)防松動(dòng)墊片進(jìn)行仔細(xì)確認(rèn)。

（7）為避免再次因?yàn)樗⑥p在振動(dòng)和在其自身的彈性作用下與上集電環(huán)接觸形成閉合回路，將兩個(gè)集電環(huán)之間的碳刷刷辮用熱縮管封裝，如圖2所示。

3.2 防范策略

鑒于滑環(huán)室對(duì)環(huán)境要求較高，以及結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、管理角度，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防：

（1）建立健全發(fā)電電動(dòng)機(jī)碳刷及其附屬結(jié)構(gòu)的維護(hù)制度，完善碳刷安裝與研磨質(zhì)量管理體系。

（2）對(duì)滑環(huán)室進(jìn)行技術(shù)改造，安裝碳粉吸收裝置和弧光保護(hù)回路。

（3）為減輕碳刷對(duì)滑環(huán)“陽(yáng)極蒸發(fā)，陰極粉化”的影響，定期倒換滑環(huán)極性和采用材質(zhì)為天然石墨的碳刷。

（4）與碳刷生產(chǎn)廠家聯(lián)系，要求將碳刷刷辮的長(zhǎng)度根據(jù)設(shè)備實(shí)際情況適當(dāng)縮短，以此保證安全距離。

圖2 封裝熱縮管Figure 2 Encapsulated heat-shrinkable tube

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)滑環(huán)室事故的處理，進(jìn)一步增強(qiáng)了運(yùn)維工作的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。此種預(yù)防措施的應(yīng)用，取得了理想的效果，并排除了當(dāng)初考慮的集膚效應(yīng)問(wèn)題，對(duì)有類(lèi)似隱患的單位提供借鑒。

要以狀態(tài)檢修管理理念為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)機(jī)組容量明確細(xì)化上、下集電環(huán)安全距離標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范刷辮長(zhǎng)度合理化指導(dǎo)意見(jiàn)，從多角度研判事故發(fā)生的可能性和客觀規(guī)律，從中抓住設(shè)備個(gè)性特點(diǎn)，采用可操作的、積極的、有效的解決和預(yù)防措施，繼而確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。