關(guān)于直流電機環(huán)火事故預防及處理

王海蛟

（國家能源準能設備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯010300）

目前發(fā)電企業(yè)在發(fā)電運行的過程中，會使用較多的直流電動機驅(qū)動設備，其中發(fā)電機的勵磁機便是一種應用較為廣泛的直流發(fā)電機類型，通常情況下在運行過程中，容易受到一系列其他因素的影響，由于片間累積擊穿，換向惡化問題嚴重，或者因為負載條件十分惡劣，導致正負極刷架之間的電弧不穩(wěn)定，環(huán)繞換向器表層形成十分強烈的電弧，并且伴隨弧光和巨大的響聲，引發(fā)環(huán)火事故。環(huán)火事故后對設備電樞表面進行觀察，發(fā)現(xiàn)表面已經(jīng)燒黑，因為電樞繞組受到高溫灼燒形成小孔裝絕緣擊穿，之后對電氣設備進行全面檢查，并詳細分析其原因。

1 直流電機環(huán)火概述

直流電機在工作過程中，電樞繞組線圈首先會通過一條支路，再由電刷短路進入到其他一條支路中，該過程電流方向明顯變化，即換向。如果換向存在問題將會在電刷下產(chǎn)生火花，如果火花超出相應的程度范圍，則會形成環(huán)火事故[1]。火花形成的原因具有一定的復雜性，可能為電磁、機械或者化學等方面因素互相作用產(chǎn)生火花。電刷下火花具有危害性，難以避免，如果火花超出相應的范圍，程度嚴重，則會將電刷和換向器燒毀，甚至可能將整個刷架燒毀，導致電機無法正常運行[2]。目前直流電機技術(shù)標準對火花進行合理的等級劃分，并明確規(guī)定直流電機實際運行過程中不可超過11/2級[3]，其等級劃分如表1所示。

表1 火花等級劃分

2 出現(xiàn)環(huán)火事故的原因分析

2.1 片間擊穿

如果直流電機換向器的片間電壓處于較高的情況，在實際運行的過程中形成電壓，因為片間累積擊穿情況，進而引發(fā)環(huán)火。在多數(shù)情況下導致片間擊穿的主要原因在于工作人員沒有對換向器進行維護和保養(yǎng)，清掃工作不全面，換向器的云母溝中可能積累了諸多的碳粉、污漬以及銅粉等物質(zhì)[4]。除此之外，也可能因為電刷擠銅，換向片銅毛刺延長，致使周圍換向片間云母溝中導電橋，該導電橋通過電樞旋轉(zhuǎn)進入到主機區(qū)的過程中，換向器表層電位梯度呈不斷升高的趨勢，進而導致電流明顯增加。如果電流形成電動力大于保持粉末形成的導電橋則會引發(fā)嚴重錯位情況，導電橋因為熔化灼熱形成片間閃絡[5]。如果導電橋斷裂位置的實際電壓大于電弧最低電壓，則會產(chǎn)生電弧。如果斷裂位置寬度提升至云母溝的實際寬度，保持電弧的電壓也需要不斷提升，反之可能會導致電弧熄滅。如果片間電壓與起弧過程中的感應電壓大于保持電弧電壓的范圍，電弧會呈燃燒狀態(tài)。電流也會隨著換向片的擊穿而不斷提升，磁場范圍也會隨之擴增，片間電弧換向器表面也會不斷擴展[6]。

如果在電弧擴展的過程中，兩個換向器片區(qū)域電位差能夠保證片間電弧不被熄滅，電弧處于持續(xù)擴展的狀態(tài)下。基于相應條件，片甲電弧能夠擴展至正極、負極兩個極性刷架間，進而引發(fā)環(huán)火事故[7]。

2.2 嚴重的電刷火花

導致直流電機發(fā)生環(huán)火事故的另一個主要因素便是電刷火花。如果直流電機處于十分惡劣的負荷運行條件下，換向器表層滑動接觸受到嚴重的損壞，則會在電刷同換向器中間范圍內(nèi)形成相應的火花。如果換向器火花發(fā)展到一定的程度，火花能量將會導致電刷同換向片發(fā)生燃燒和汽化，并且在實際燃燒的范圍內(nèi)形成一個等離子區(qū)域，這一電弧因為受到旋轉(zhuǎn)換向器沿電弧磨道運行的影響出現(xiàn)拉長情況[8]。

如果這一電弧被拉長到相應長度的某一換向片的過程中，電弧是否持續(xù)燃燒受到換向器表層點位分布曲線以及電弧特點的影響。如果換向片的某區(qū)域點位小于電弧維持電壓Ug，則會導致電弧熄滅。如果超過電弧維持電壓Ug，電弧則會處于持續(xù)燃燒的狀態(tài)，并且還會繼續(xù)發(fā)展。電刷磨道上空氣的電離能夠為電弧的延伸創(chuàng)造合理的環(huán)境及條件，如果換向火花能量較大，達到某一較大量級，電弧會延伸到異極性電刷中，進而產(chǎn)生環(huán)火事故[9]。

3 直流電機環(huán)火事故造成的危害

通常情況下，直流電機環(huán)火事故程度主要包括以下幾類情況，本文對此進行一一分析。首先，危害程度輕的事故。多數(shù)情況下這類環(huán)火事故下直流電機的容量較小，其轉(zhuǎn)速較低，出現(xiàn)環(huán)火的過程中快速開關(guān)或者自動開關(guān)很快發(fā)生動作，將主回路及勵磁回路及時切斷，電弧及時被短路電流磁吹作用熄滅[10]。這一類環(huán)火通常只會將換向器表層燒焦，或者將一些刷辮燒焦，不會對整體設備造成較為嚴重的影響。其次，較為嚴重的環(huán)火事故。通常情況下這類事故中的直流電機容量較多并且轉(zhuǎn)速較快，環(huán)火過程中即使快速開關(guān)或者自動開關(guān)動作，但是短路的過程中電弧存在較大能量，因此會引發(fā)嚴重的損壞，程度嚴重。該類環(huán)火會在換向器表面產(chǎn)生深淺程度不一的灼燒點，換向器外端位置也會存在明顯的燒灼，局部刷握被燒毀或者燒熔，同時直流電機的刷架、導電環(huán)等裝置也存在局部受損的情況，熔化銅噴濺、氣化的銅和碳結(jié)晶微粒附著在絕緣表層，通常情況下導致表面泄漏電流的持續(xù)提升，絕緣電阻大幅下降，最后歸零。

對企業(yè)工作人員來說，需要采取以下相關(guān)方法對直流電機的受損位置以及受損程度進行全面檢查。第一，工作人員需要對絕緣電阻進行檢查。如果直流電機發(fā)生環(huán)火事故，首先需要對燒焦、燒黑的換向器進行打磨處理，對繞組進行吹風清理，之后通過兆歐表對各個繞組的絕緣電阻進行全面檢查，明確其是否符合相關(guān)規(guī)定，進而明確是否需要對絕緣進行有效處理。第二，工作人員還需要對片間電阻進行合理測量，查看升高片同電樞并頭套是否已經(jīng)存在開焊及短路情況，檢查電阻值不平衡情況。第三，工作人員需要對換向器的表面進行全面檢查，查看其氧化劑積碳呈黑色位置，同時因為電弧燒灼產(chǎn)生的點狀凹陷或者端部局部燒損情況等均需要進行全面檢查[11]。第四，通過檢查發(fā)現(xiàn)電刷燒損4只，并且有11只電刷存在程度不一的材質(zhì)受損，因此需要對上述電刷進行全面更換。第五，工作人員需要對刷架和導電環(huán)進行全面檢查，如果存在缺損問題需要及時解決，對其進行修理和更換，保證檢查的全面性。

4 直流電機環(huán)火事故的預防和處理措施

4.1 直流電機環(huán)火事故處理措施分析

如果直流電機發(fā)生環(huán)火事故對其進行及時有效的處理十分重要，下面本文對直流電機環(huán)火事故的處理措施進行一一分析。第一，工作人員需要對換向器進行處理。因為受到環(huán)火事故的影響，換向器發(fā)生嚴重燒灼，因此需要重新車削外圓，并且在對換向器進行打磨和車削后，對其倒棱和下刻重新實施。經(jīng)過處理后對一次片間電阻進行檢查，確保其滿足相關(guān)要求。第二，工作人員需要對原來相同型號的電刷進行全面更換，同時需要對電刷的壓力進行合理調(diào)整，保證其處于均勻的狀態(tài)。第三，及時更換受損繞組以及其他構(gòu)件，同時對于受損不嚴重的構(gòu)件進行焊補。第四，如果繞組和導電部件表層絕緣僅僅受到蒸熏的影響導致絕緣電阻處于下降的狀態(tài)，工作人員需要將棉紗上蘸取少量汽油、酒精以及四氯化碳等溶劑，將這部分部件表面聚集的碳及銅微粒清除，之后對絕緣電阻進行全面測量。

4.2 直流電機預防環(huán)火的主要措施分析

因為直流電機環(huán)火的發(fā)生時間并不是很長，并且發(fā)生在電機內(nèi)部，因此通過繼電保護、空氣開關(guān)以及快速開關(guān)進行保護存在一定的難度。因此，采取有效的維護措施至關(guān)重要。對發(fā)電企業(yè)來說，預防直流電機發(fā)生環(huán)火事故的主要措施包括以下幾點：第一，工作人員需要合理使用補償繞組，設置補償繞組后，首先能夠解決換向極飽和相關(guān)問題，有助于實現(xiàn)對電流換向的改善。并且因為補償繞組能夠抵消橫軸電樞反應，進而解決主磁場畸變，導致?lián)Q向器點位分布曲線處于平滑的狀態(tài)。并且因為換向器表面點位分布曲線主要為氣隙合成磁場的空間分布曲線積分。通過對補償繞組的使用能夠有效抑制電刷火花和片間電弧的延伸。如果直流電機不能夠使用補償繞組，可以使用不同心氣隙，也可以有效減少氣隙磁場發(fā)生畸變。第二，需要對換向器表面進行合理處理，重視換向片的倒角和片云母的下刻質(zhì)量，同時將換向片上的端部尖棱及尖角清除。第三，設計人員在對新選購的直流電動機設計過程中，需要適當減少片間電壓。對大型直流電機來說，其片間電壓需要小于16V；對小型設備來說，不能超過18V。如果片間電壓處于較高的狀態(tài)，對于經(jīng)常出現(xiàn)環(huán)火問題的設備，需要將其電壓保護值有效降低。第四，需要設置隔弧板。將其設置于刷架間的空間，使用耐弧材料制作隔板達到擋隔的作用，能減小環(huán)火對設備造成的損害。

5 結(jié)束語

綜上所述，環(huán)火事故屬于十分危險的惡性事故，其發(fā)生短時間內(nèi)產(chǎn)生巨大的能量和高溫，不但會對電刷和換向器造成嚴重損害，同時還會導致其他繞組受損嚴重。并且還可能會對操作人員的人身安全造成嚴重威脅。所以需要加強對直流電機的維護，采取有效的措施消除環(huán)火事故，工作人員需要重視事故問題，確保電刷和換向器始終處于安全穩(wěn)定的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)問題予以解決。