核電廠發電機集電環燒毀的原因分析及改進措施

程義巖

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦山一廠主發電機是一臺350 MW的靜態勵磁發電機組，勵磁電流由靜態勵磁柜發出經由電纜、碳刷和集電環將勵磁電流輸送到發電機轉子繞組中。這其中電刷是靜態的，集電環是動態的，電刷和集電環是一對動、靜部件的結合體，也是整個勵磁回路中容易出現故障的薄弱環節。在汽輪發電機行過程中勵磁電流通過每極40個碳刷(正極40個，負極40個)與集電環共同承載著額定1 921 A的勵磁電流，當集電環是以3 000 r/min高速旋轉時，如果碳刷和集電環運行狀態出現劣化可直接導致碳刷和集電環的燒毀，近年來其他電廠因碳刷和集電環運行狀態不佳而導致集電環燒毀的事件已有發生。碳刷和集電環的燒毀只是結果，究其原因是有很多因素導致的，對此必須要找出其根本原因和促成要素，并加以改進杜絕此類事故的再次發生，確保核電站的安全穩定運行。

1 發電機集電環燒毀事件經過

2020年8月4日中午11時30分,發電機轉子發出第一次一點接地報警，11時42分，集電環發生環火，發電機跳閘停運。經現場勘查發現發電機碳刷燒毀、刷架燒溶、風扇負極側嚴重變形和正、負極集電環、燒毀嚴重，導風罩已經碳化分層；環氧玻璃布板散落，外罩有機玻璃窗燒容(見圖1)。

圖1 燒毀后的刷架、集電環及風扇Fig.1 Burned brush holder, electric ring and fan

1.1 350 MW發電機的主要參數：

型號：QFS-350-2

功率：350 MW

電壓：18 000 V

電流：12 474 A

接線方式：2YY

相數：3

頻率：50 Hz

轉速：3 000 r/min

功率因數：0.9

額定勵磁電壓：442 V

額定勵磁電流：1 921 A

絕緣等級：F

1.2 發電機跳閘前、后的運行工況：

1)發電機電功率：334 MW；勵磁電壓：350 V；

2)勵磁電流:1 560 A;

3)集電環接地短路時的峰值電流高達：10 349 A。發電機碳刷、集電環燒毀。

2 集電環燒毀的原因分析

2.1 集電環振動、碳刷過流、碳刷質量導致燒毀的可能性

1)集電環振動導致碳刷打火。發電機跳機前24 h，8號瓦處發電機大軸振動值(振幅)：最大36 μm；機組大軸振動報警值：125 μm；碳刷振動：最大2.1 mm/min，這說明發電機大軸、集電環在運行時是平穩的，振動幅值并無異常，因此因集電環振動而導致碳刷打火的可能性較小。

2)勵磁電流過大。根據故障錄波情況看，在機組跳閘前其電功率：334 MW，勵磁電壓：350 V，勵磁電流：1 560 A，均在發電機額定工作范圍內，機組運行期間勵磁電流過大的可能性不存在。

3)現有碳刷因質量問題出現打火。每個碳刷的電流波動在30～104 A范圍內(技術規范書)，自2017年開始同時使用了兩個廠家生產的電刷，這兩種碳刷分別為：上海摩根NCC634 上海摩Y NCC634。在事件發生后，我們對使用的兩種碳刷進行了技術檢測(國家電碳制品質量監督檢驗中心)。

兩種電刷質量檢測結果如下：

1號樣品為：摩根NCC634；2號樣品為：摩Y NCC634。

根據檢測報告：

(1)肖氏硬度(標準肖氏硬度應≥20)

1號樣品肖氏硬度是20，合格；2號樣品肖氏硬度是13.5，不合格。碳刷的硬度是碳刷主要的靜態性能之一。

(2)電阻率

1號樣品電阻值：24 μΩ·m;2號樣品平均電阻率：53.7 μΩ·m,這兩個產品差值較大。2號是1號的2.2倍。

(3)抗折強度

1號樣品：5.2 MPa；2號樣品：3.7 MPa。

(4)聯接電阻

1號樣品電阻：1.3 mΩ；2號樣品電阻：1.38 mΩ，兩個數值均合格。

(5)脫出拉力

1號樣品與2號樣品均≥137.6 N，合格。

(6)體積密度

1號樣品：1.3 g/cm2；2號樣品：1.25 g/cm2，兩個樣品基本相同。

從碳刷金相檢驗報告得知2個樣本的基材都為石墨材料， 1號樣品中天然石墨含量較多，表面空隙較少，表面孔隙只占面積比約5%左右。2號樣品中天然石墨含量較少，含有一定量的電化石墨成分，表面空隙占面積比約13%左右，并含有較多數量的膠質物質(粘合劑)這也就能解釋了上面的檢測報告的結果，空隙較多導致碳刷的硬度下降，膠質較多(導電性差)，導致碳刷的電阻率上升，這和前面的檢測結果相吻合。說明同型號，同規格不同生產廠家其產品質量差異是明顯的。

根據檢測報告和以往的運行狀況可知，這兩個樣品雖然有一定的差別，但在少量使用的情況下不易暴露缺陷，所以摩 Y碳刷從2017年就開始少量混用一直未出現異常，在機組運行期間檢修人員每周一次周檢，運行人員每班有一次巡檢(每日三次巡檢)過程中均未發現碳刷打火等異常現象，只是2號樣品的磨損量要大于1號樣品。

所以在機組正常運行時因碳刷打火而引起集電環環火的可能性較小。

2.2 運行溫度導致碳刷、集電環燒毀的可能性

導致碳刷、集電環溫度過高的原因有兩個，一是碳刷超過額定載流量導致電阻熱;二是碳刷的摩擦產生的高溫。

1)運行時碳刷的載流量；按運行時每個碳刷的平均的載流量是，1 560/40=39 A，遠小于碳刷的額定80 A的標準(技術規格書)。

在歷次的運行檢查中未發現碳刷與集電環的接觸面低于75%的現象(技術規格書)，以及碳刷未出現破損的現象。因此碳刷因過流產生大量電阻熱導致高溫的可能性很小。

2)壓簧差異導致機械摩擦產生的高溫

根據：Q=μNS可知,N是恒壓簧的壓力,在1.2～1.45 kg，兩種碳刷的摩擦系數都是μ=1.8，S值相等。之前檢測恒壓彈簧的拉力都是在合格范圍內，即1.2～1.45 kg。

Q1/Q2=1.45μS/1.2μS=1.2，由此可知因恒壓彈簧壓力差別而導致的機械摩擦產生的熱量不足以使碳刷溫度有較大的變化，因此在正常運行時因機械摩擦而導致的高溫的可能性很小。

2.3 集電環短路可能性

每個集電環與發電機大軸之間都有一個厚度為8 mm的絕緣套筒(2019年更換的新的絕緣套筒)發電機運行前絕緣測試是合格的，在發電機運行期間442 V的勵磁電壓不會對絕緣套筒的絕緣構造成實質性的損壞，絕緣套筒是由環氧玻璃布板疊壓制成，這種絕緣材料不僅具有較高的機械強度同時具有良好的韌性，絕緣套筒在運行過程中發生斷裂、破損的可能性很小，所以因運行振動、磨損而導致兩個絕緣套筒同時失效而發生短路的可能性很小。

2.4 發電機轉子一點接地造成對地短路

在跳機前曾出現了3次發電機轉子一點接地報警信號，隨后發生轉子一點接地短路，導致勵磁系統過流保護動作跳閘(7 300 A)。這說明故障首先出現在勵磁系統的一點接地故障上。從發電機發生的集電環燒毀的現場情況看，在負極集電環下面絕緣套筒被燒出一個100 mm×200 mm的缺口并在此處呈現多個3 mm左右的凹坑，此處為大電流放電所致如圖2所示。正極集電環絕緣套筒絕緣完好，無放電痕跡。

圖2 負極集電環下絕緣套及鋼套燒毀情況Fig.2 Burning of insulating sleeve and steel sleeve under negative electric ring

負極集電環所對應的邊緣處也被燒出一個100 mm的缺口，如圖3所示。說明此處是集電環與電機集電環鋼套筒(發電機大軸)電弧放電之處。

圖3 負極集電環內側與鋼套電弧放電處Fig.3 Discharge point at the arc between the inner side of the negative electric ring and steel sleeve

根據集電環解體后發現集電環絕緣套筒內側除缺口部分外，其他部位沒有發現絕緣層被電擊穿及絕緣套筒過熱的跡象，如圖4所示。因此可以說明因集電環過熱而導致絕緣套筒絕緣失效的可能性很小。

圖4 負極集電環絕緣套筒內側Fig.4 Inside of the insulating sleeve of the negative electric ring

2.5 導致發電機負極集電環絕緣套筒被燒穿原因

(1)碳刷室的冷卻風路結構對絕緣的影響

發電機在運行時碳刷室需要通風冷卻，在正、負集電環中間配有一個高效的離心風扇，能提供足夠的冷卻風量，帶走碳刷磨損下來的碳粉顆粒和集電環及碳刷等產生熱量，使它不超過額定工況下的溫度限值。而冷卻的進、出風管道在集電環下側，采用下進下出的通風冷卻結構，冷卻風的流向模型如圖5所示。由于進風口在正極集電環和碳刷的下方，進風直接吹向正極集電環且進風量充足，風路很通暢及時帶走正極室的熱量和碳粉顆粒。而負極室的進風口主要是由底部的兩個φ100 mm的管道輸送，但由于每根進風管又穿了3根φ30 mm的勵磁電纜這就導致每根進風管的截面積減少了27%，直接影響了到負極室的進風量，由于負極室的進風量減少導致負極室的溫度在正常情況下比正極室的溫度高出5 ℃左右。

圖5 碳刷室冷卻風的流向模型Fig.5 The flow direction model of the cooling air in brush chamber

(2)冷卻風油污對絕緣的影響

碳刷室的冷風循環系統是一個開環系統，它與外界是相通的，它的空氣進氣口在汽輪機輔機廠房層，在這個廠房里存在有油氣、潮氣和灰塵等混合氣體，這些物質形成的氣溶膠，彌漫在空中，當這些氣溶膠被吸入到進氣口時，在進口濾網上滯留了比較嚴重的黑色的油質污漬。但是還有相當部分的油性污染物被吸入到發電機的碳刷室內。當油氣通過進風管道被送進碳刷室后，大部分被離心風扇抽走排到出口排除，另有一部分隨氣流在室內循環，在負極室引進氣量不足而導致負壓現象，會有一部分氣流向下流動形成回旋氣流，其中一部分回旋氣流被集電環底部的進風孔抽回到集電環中間出口區域，隨后又被流動的氣體重新帶到離心風扇入口附近而形成一路循環氣流。而在集電環底部絕緣套的外沿區域存在著軸向渦旋氣流，而這些氣流流速度相對較低，油氣分子容易被粘附在風扇內側、集電環絕緣套外沿處和底部進風口這個區域內使得絕緣下降。如圖6所示。

圖6 負極室內空氣流動方向Fig.6 The air flow direction in the negative electrode room1—負極室氣封;2—發電機轉軸;3—風扇鋼套筒;4—集電環鋼套筒;5—離心風扇罩;6—負極室進風管;7—集電環絕緣套;8—同軸離心風扇

(3)集電環絕緣套筒對地短路原因分析

由上述碳刷的檢測報告可知，2號樣品的硬度偏小，內部孔隙較大，耐磨性相對較差，整體性能較低，更容易磨損而產生出較多的碳粉顆粒。這些被磨損下來的碳粉顆粒順著集電環的的導風槽被流動的氣流帶到風扇側，這些顆粒大部分被氣流帶出碳刷室，但有一部分被下旋氣流帶到集電環底部區域，此時的風速相對較低，碳粉顆粒所具備的動能減少，由于這個區域有被油污污染，所以碳粉顆粒更容易在此處被吸附。當油污和碳粉顆粒積累到一定程度時就會導致集電環絕緣電阻下降，當集電環絕緣套筒外沿的絕緣電阻下降到一定程度時，就會發生爬電現象，爬電發展到一定程度就會發生閃絡(間接電弧短路)，即：繼電保護發出接地報警信號，電弧閃絡會產生煙塵，電弧閃絡同時會使絕緣套表面出現碳化現象，碳作為導體會使得絕緣電阻進一步降低，最終發生電弧接地短路現象，短路電弧造成發電機勵磁回路對地短路，此時的短路電流的峰值高達到10 349 A，勵磁過流保護動作，勵磁接地短路跳閘電流為7 300 A。電弧短路會產生的上千度高溫將絕緣套筒爬電處瞬時燒穿，同時電弧高溫將碳刷室內的絕緣板和隔板引燃并產生大量的煙塵，在碳刷室這個相對封閉的環境里，這些煙塵會嵌入集電環與碳刷之間造成接觸不良，進而造成碳刷打火而形成集電環環火現象，過大的短路電流也是造成集電環環火的原因。而在勵磁回路發生接地短路時短路電流高達7 300 A，短路電流使得每個碳刷要承受高達182.5 A電流，根據Q=I2RT可知，設跳機前每個碳刷的電阻熱量Q1勵磁系統發生接地短路時每個碳刷的電阻熱量Q2;又因為R2=2.2R1，所以Q2/Q1=182.52R2T/392R1T=48，這就說明碳刷在短路時2號樣本所產生的熱量是1號樣本正常運行時的48倍以上，這一系列因素足以造成集電環環火，碳刷燃燒和銅刷架的燒溶(銅的熔點1 083 ℃，碳刷的燃點1 000 ℃)。機組在正常運行時碳刷的工作溫度一般在50～90 ℃，就以碳刷50 ℃為例，碳刷溫度超過48倍是2 400 ℃完全超過碳刷的燃點，2號樣本碳刷是最先燃燒起來而導致碳刷到了無法辨認的程度。綜上所述可以初步判，集電環絕緣套筒因爬電而導致電弧接地短路，短路電流引起集電環環火、碳刷燃燒和刷架的燒溶，電弧高溫造成離心風扇負極側嚴重變形。因短路點發生在負極側，所以負極室燒損更為嚴重。

(4)質量不穩定碳刷對集電環絕緣套筒的影響

在負極集電環側使用2號碳刷數量比正極側多，由于2號碳刷自身品質的原因其耐磨性較差，更容易磨損(會產生較多的碳粉顆粒)，2號碳刷的電阻率是1號的2.2倍，當電流增加時就更容易發熱，抗折強度2號低于1號，極端情況下更容易破損。

集電環的絕緣套筒是隔絕集電環與發電機大軸的絕緣部件，其外沿部位就是防止爬電而設計的，但當油污和碳粉積累到一定程度會導致其絕緣失效，造成發電機勵磁回路接地事故。

(5)上海某廠的碳刷2017年開始使用，為什么到現在才暴露出問題

我們根據對該廠的碳刷檢測報告得知，該廠的碳刷質量是不穩定的，如果是少量的混用就不容易暴露缺陷，這次正極使用某廠碳刷較少(7.5%)而負極使用了某廠的碳刷較多(25%)，碳粉顆粒的累計也有一個時間過程。正是這些諸多因素導致了這起事故的發生。

3 防范措施

1)使用質量更加穩定的碳刷，減少碳粉顆粒的產生。

2)在不改變絕緣套筒外沿長度的情況下，在外沿部位增設防爬電溝槽以增加其爬電距離，風扇側爬電距離由28 mm增加到40 mm，增加了43%，汽側端的爬電距離由31 mm增加到37 mm，增加了19%。如圖7所示。

圖7 改進后集電環絕緣套外沿的結構Fig.7 The structure of the improved outer edge of the collector ring insulating sleeve

由于發電機組在運行時，集電環絕緣套筒得外沿部位存在著兩個軸向氣流和一個縱向氣流，這3種氣流在槽凸和槽底會形成壓差擾動，就使得碳粉顆粒很難在曹凸處滯留，確保絕緣的有效性。

3)在集電環絕緣套筒安裝好后，在其外沿部分涂刷絕緣漆并進行拋光處理以減少絕緣套外沿的表面粗糙度，減少油污和碳粉附著的可能性。

4)增加負極碳刷室底部進風通道，增加通風量，使通風速度和流量增加，帶走更多的碳粉顆粒。

5)安裝更有效的進氣濾網，增加清洗濾網的頻度，已達到減少油氣進入碳刷室的機率。

通過以上措施能有效的避免集電環絕緣套筒絕緣失效的可能性。

4 結論

發電機轉子接地短路事故對電廠來說是非常嚴重的事故，不僅給發電機造成嚴重的損壞，也給電廠造成很嚴重的經濟損失，通過對這起事故現象的深入分析，找出事故的根本原因和促成因素，針對這些問題，采取了相應的改進措施。避免以后類似的事故的再次發生，確保核電機組的安全穩定運行。同時也給類似機組的其他電廠和發電機設備制造廠提供一些可借鑒的經驗。