高温滑环 发电机滑环烧损……

某电厂#2发电机滑环烧损事故原因分析

一、概述：

某年9月18日18时3分，##电厂#2发电机发生滑环烧损事故，造成机组停机十八天。同一时期，某年9月24日17时51分，湘潭电厂#1机也发生了类似事故，在此之前，山东##电厂也发生了发电机滑环烧损事故，而且三台机组同为东方电机厂生产的300MW汽轮发电机，具有一定的代表性，现将整个事故的过程、原因分析及采取的预防措施总结如下，希望能够引起兄弟电厂的注意，引起为鉴。避免类似事故的发生。

我厂#2发电机是东方电机厂制造的300MW发电机，冷却型式为水氢氢，该型发电机是东方厂的主力机型，技术上已相当成熟。我省目前就已安装该型发电机8台。

#2发电机的铭牌参数如下：

#2发电机的励磁型式为机端变自并励，自励磁变压器出来的交流电经整流后，通过发电机转子滑环和碳刷接入转子绕组。转子滑环以热套型式固定在转子大轴上，滑环下装有绝缘套筒，用以和转子本体隔离。正负滑环之间装有离心风扇，抽出的热风经风扇正下方的风道排至6米。每个滑环上有36只碳刷，正负极共72只碳刷。碳刷沿滑环圆周近似均匀分布，通过刷握、铜支架安装在刷架上。刷架两端装有绝缘隔板。碳刷为中英合资上海摩根碳制品有限公司生产的的NCC634，尺寸为32ⅹ25ⅹ60其主要参数为：

电阻uΩM:17

体积密度(g/cm3):1.26-1.28

弹性模量：700

开口气孔率%:41

最高线速度:80

电流分布A:40-176(额定155)导线不会过热变色。

应该说：该碳刷的性能指标比国产的D172碳刷要好。国内许多电厂已开始放弃国产的D172碳刷面采用该碳刷。

刷握为电机厂配套的U型双簧恒压弹簧。

转子滑环的结构示意图如下：

对发电机来说特别对300MW机组汽轮发电机，滑环及碳刷一直是一个薄弱环节。一方面，它是静止部件和滑动部件的直接接触部位。是励磁整流部分向转子绕组输送电流的关键部件，受到多方面因素的影响。另外，对300MW机组来说，其额定励磁电流远高于其它小机组，同时，其用材选型并没有增大很多，也就是说同小型机组相比，同定子线圈及铁芯一样，许多部件材料选型的裕度比小机组要小得多，甚至也有可能接近了其设计饱和值，这可能也是300MW机组滑环及碳刷事故远高于小机组的原因之一。比如说碳刷的允许线速度对NCC634来说是80m/s,而对国产D172型碳刷来说是70 m/s，滑环直径为Φ410，转速为3000rpm, 滑环表面线速度为V＝πDn=3.14*0.41*3000/60=64.37 m/s，已接近碳刷的允许最高线速度。

二、事故发生过程

2002年9月18日18：01分，#2机组220MW，无功55MVA，转子电压374.5V，转子电流1400A，定子电流6.57KA,定子电压20.06KV。DCS显示机组运行正常，当时机组振动、偏心、胀差、瓦温、回油温度正常。其中，振动，#5瓦：26.6цm, #6瓦：22.3цm, 瓦温，#5瓦：93.5℃,#6瓦：81℃；回油温度，#5瓦：62℃,#6瓦：62℃；氢压0.28MP,密封油压0.43MP。发电机励端冷风温度30℃，汽端冷风温度30℃，热风温度38℃，滑环热风温度38℃，励磁变温度62℃。这时值班员听到汽机房有异常声音，立即跑向机房就地检查，发现#2机励磁碳刷隔音小间冒浓烟且有明火，汽机房充满焦糊味，并伴有异常声音，立即汇报值长紧急停机，破坏真空，手动MFT停炉。发电机通过程序逆功率保护跳机，整个机、炉、电联锁正常；申222主开关、灭磁开关断开正常，厂用电切换正常。从发电机故障录波器提供的时间看，真正跳机时间在18：03左右。

停机后运行人员检查发现#2发变组保护柜出：“转子一点接地1”、“转子一点接地2”、“励磁系统故障”、“程序逆功率”报警信号。

18：15励磁系统解备，发变组部分解备，值班员就地检查氢压、密封油压正常，#2机励磁负极碳刷损坏严重。

值得注意的是，在此之前，17：20 ，运行人员巡检发电机并无异常。

三、设备损坏情况介绍

检查发现负极滑环侧损坏非常严重，南北两个刷架上的刷握大部分烧熔或部分烧熔，恒压弹簧烧熔及断裂情况普遍，造成部分碳刷脱出。固定刷握的铜支架也大多烧熔或部分烧熔。碳刷刷辫大多烧断，部分碳刷烧熔。两侧刷架各有几个电弧烧伤点。风扇侧的绝缘隔板面向风扇的一侧内缘严重炭化，这一部分的固定螺栓也有烧熔现象，靠发电机侧的绝缘隔板只有轻微烧伤。

滑环表面被严重烧伤，有过热痕迹，滑环靠近风扇一侧的内沿有两处烧伤，沿圆周方向相差约90℃，最严重的地方被烧成长约11cm、宽约2.5cm、深约1cm的豁口，此处正下方的转子大轴也被严重烧伤，在巴掌大的面积中有十多个小坑，其中最大的一个坑深约0.5cm，面积约为2 3 cm。

滑环下面的绝缘套筒伸出滑环的部分已严重炭化，与滑环内沿烧伤处相对应的地方已完全烧掉。

风扇座上有多处烧伤痕迹，最严重的为3 5 cm大的坑，深约0.3 cm，此处与滑环内沿烧伤较轻处在轴向相互对应。

正极滑环侧完全正常。

拆除刷架后的滑环

大轴和滑环烧伤最严重的地方

大轴上的烧损情况

四、事故后的检查与修复

停机后检查转子绕组对大轴绝缘为零，励磁回路绝缘约7MW。检修人员将转子滑环和绝缘套筒全部拆下后，检查转子绕组对大轴绝缘大于100 MW，直流电阻和交流阻抗试验结果均合格。由此可判定事故时只有负极滑环处接地，励磁回路和转子绕组其他地方绝缘良好，励磁系统正常。

由厂家配合拆除掉#2机正负极集电环、风扇环、绝缘筒，并对转子大轴进行打磨处理，对正负集集电环进行精加工，直至满足表面光滑度及跳动要求。

省中试所又对#2机大轴及集电环、风扇环进行表面探伤及硬度检查。认为：1、发电机主轴两处缺陷经打磨后，探伤未发现表面裂纹，但硬度值分散大且局部点硬度最高值达HB478，建议下次大修中重点检查。2、集电环风扇经打磨处理后可继续使用。3、正极集电环硬度值均匀，表面探伤无缺陷，可继续使用。4、负极集电环烧损严重，虽经打磨处理未发现表面裂纹缺陷，但其硬度值分散大且已低于规定值，下次大修时应更换。

这次修复，共更换了负极刷架、汽励端绝缘筒、两侧止动垫片、密封圈、铜止动垫片、所有碳刷。

五、事故原因分析

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、刷架与滑环与之间的电弧可能维持较长时间。

下面我们可以通过DCS及发变组的录波信息上来看一下事故的发生过程及进展情况。

从DCS录波图和励磁调节器的记录可以看出，17：32 机组有功负荷220MW，无功55MVar，转子电流1400A，此时，发电机转子电压开始波动，转子电流基本稳定。17：47转子电压波动加剧，励磁调节器记录发电机转子温度高低值报警，17：49发电机转子温度高低值报警信号消失，17：56发电机转子温度高低值又报警，18：00发电机转子温度高高值报警。DCS录波图显示此时励磁电压已升高80V左右。

发变组故障录波上显示故障信息为：2002.9.18:01:04转子上点接地1即高值动作，2002.9.18:03:16发电机程跳逆功率、励磁系统故障已经动作，申222、MK、613、614开关、厂用电切换动作正常，在机组故障期间故障量未达到转子一点接地2保护定值 ，而在手动停机后由于故障量进一步发展到转子一点接地2保护动作定值，18：20发电机转子一点接地保护低值动作发变组保护采集转子对地绝缘电阻3.6KΩ，其一直保持动作。

从录波图上看到从17：32发电机转子电压开始微小波动，这说明此时个别碳刷可能已经开始冒火，并拌有微小电弧产生。励磁调节器中的转子温度是以转子电压除以转子电流计算出转子绕组电阻，根据阻值的变化推算转子平均温度。其基本原理为：

首先测出正常情况下转子电阻R1＝U1/I1,当转子温度升高，电阻增大时，再测出其转子电阻R2＝U1/I2，计算这时的转子平均温度，t平均＝R2/R1(235+t1)-235,则温升为t平均－t1。

当回路电阻增大时，由于机组要维持当时无功功率，所以电流不变，这样，电压便增高，会导致转子平均温度升高。17：47励磁调节器发电机转子温度高报警，17：49发电机转子温度高低值报警信号消失，17：56发电机转子温度高低值又报警，这说明励磁电压在缓慢增长和波动，18：00发电机转子温度高高值报警，说明励磁电压增加很多，此时，电弧已非常严重。

从整个事故发展过程来看，17：20分左右，巡视时还没发现任何问题，从17：32分开始，转子电压开始波动，直至发生事故，整个过程不超过半个小时，事故的发展过程是非常迅速的。

分析其主要原因及事故发生的过程如下：

一、由于该型发电机正负极集电环间风扇是采用向内吸风方式，如上面滑环结构示意图所示，同时，由于发电机励端油密封瓦漏油严重，容易将碳粉、油污等物体吸入。从后来发电机风道的检查中，发现发电机风扇下的风道由于长时间没有清理，风道内油污、碳渣、碳粉甚至弹簧碎片都有，造成风道严重堵塞，滑环及碳刷运行中产生的热量不能排出去，致使碳刷及滑环的温度升高，使碳刷打火，电弧的高温会造成碳刷氧化，导致接触不良引起电压波动，同时由于这种双簧式刷握的弹簧直接和碳刷接触，当碳刷温度升高时，其热量直接传递到弹簧上，弹簧温度升高，造成弹簧的压力发生变化，同时其特性也发生变化，其材质变脆，从后来的事故现场分析也证实了这一点，有的弹簧直接从根部断裂，有的掉下几块小碎块，但总的来说，弹簧的特性已发生了变化，其特性已变脆。

首先，由于压力小的弹簧其接触面积减小，接触电阻变大，导致各个碳刷间的电流分布不均匀，压力小的弹簧其由于其压力降低，接触面积减小，其接触电阻急剧增大，其发热尤其严重，同时由于原来正常运行的碳刷上分得了更多的电流，致使其也开始发热，其弹簧特性及压力也会逐渐变化，如此恶性循环，导致“多米诺”骨牌式的连锁反应。整个滑环及碳刷温度迅速升高由于，其发热导致更多的碳刷冒火和拉弧。电弧由小到大，逐渐扩大加强，在滑环的高速旋转下，形成环火。

所以在这种特殊情况下，完全有可能只要有几个碳刷由于温度升高开始打火，很快就会造成这种连锁式的反应，这应该是这次事故发展如此迅速的主要原因。

二：当碳刷及滑环温度升高时，碳刷本身的特性也会发生变化，其硬度降低，和滑环接触部位也会出现不规则的形状。如缺角、掉渣等现象。这从风道内检查的情况也可以看出。这样，一方面，其和滑环的接触部位减小，接触电阻增大。另一方面，当其和高达3000RPM的滑环接触时，也容易引起碳刷及弹簧片的跳动。这种频繁的跳动也会加剧弹簧特性的改变甚至造成弹簧的断裂。加速事故的发展。

三、由于碳刷本身的诸多特性，如“负温度效应”即当碳刷温度升高时，在一定范围内，其电阻值反而降低，当温度达到80－100°C时，其电阻值最低，加速了碳刷的过热.当超过100°C时，其电阻值又会急剧增加，对碳刷间的电流分布是极为不利的。另外，据厂家资料介绍，当滑环高速运行时，碳刷下面的气流有将碳刷抬起的趋势，当滑环线速度达到70m/s，碳刷接触面积为30 22mm，碳刷的工作压力为0.157Mpa时碳刷下面的最大空气压力约等于0.40Mpa。由于各个碳刷和滑环的接触情况都不会完全一样，所以碳刷抬起的程度也不一样，即其接触电阻不一样，造成各个碳刷间的电流分布不均匀。

四、事故发生过程中，17时47分及17时56分，励磁系统曾两次报出转子温度高低值报警，18时01分发变组保护报出转子一点接地报警。但是由于设计及DCS的原因，并没有起到真正报警的作用。

其深层次的原因，当时信阳华豫电厂电气量进DCS时作为一个设计试点，简化集控室的设计，一台机组电气量及热控量各保留二十个常规光字牌，而进入DCS的电气量又相当多，所以大量的重要报警信息并没有进入光字牌上。而是直接进入DCS的操作员站上，由于操作员站上的信息量太大，对机炉电热等报警信息量不可能作实时弹出报警画面，否则当有事故时，大批报警量纷纷弹出，占满整个画面，可能连运行人员的正常操作及事故处理都保证不了。操作人员操作员站上这些重要信息没有做实时弹出及声光报警，只有当操作人员调出报警窗口时，才能发现这些重要的电气报警量。从我们考察过的使用INFI90系统的电厂来看，对报警系统，现在都没有一个比较成功的处理办法。

这样，由于诸多原因，使事故进一步发展，碳刷温度升高打火产生弧光，弧光使滑环处温度急剧升高，会将碳刷烧软、烧熔，高温和电流分配不均导致的大电流会使刷辫烧断。滑环环火会导致刷握、铜支架对滑环拉弧而烧熔。

电弧和高温会造成绝缘套筒以及绝缘隔板的炭化，滑环和转子大轴之间的绝缘遭到破坏，加上平时碳粉的积聚，以及电弧导致的空气电离和金属熔渣，在冷却风的作用下，滑环内沿对转子大轴和风扇座拉弧，造成转子大轴和风扇座上的烧伤。由于刷架和滑环之间存在电弧，此时滑环温度很高，接触电阻大，导电性能降低，这一段转子本体就承担了分流作用，电流流经转子大轴回到导电螺钉。我们可以看到，转子烧伤最严重处位于两个导电螺钉之间。同时，金属专业对烧伤痕迹的分析结论也验证了滑环内沿与转子本体之间有电弧存在。

从上述分析可以看出：集电环处风道长期没有清理，造成风道堵塞，散热不好是这次事故的主要原因。弹簧特性改变压力不均匀等诸多因素是造成事故的直接原因。报警信息没有被发现是导致事故扩大的原因。

六、采取的措施

1、定期清理滑环及风道附近的碳粉和灰尘等脏物，保持滑环系统清洁，绝缘良好。

2、定期检查滑环碳刷的均流情况，每班检查不少于两次。更换碳刷时，注意磨去碳刷接触面上的氧化层。

3、对DCS的报警进行改造。对报警信息进行分级，并配声光等明显警示，保证运行员能在第一时间发现故障信号，并采取处理措施。；

4、对现有的刷握进行逐步更换。改成直压式弹簧。使弹簧片和碳刷隔热。。

5、加强对发电机的巡视，注意测量碳刷及集电环处的温度，发现问题及时处理更换。

6、同时使用的碳刷应尽量使用同一厂家、同一批次的产品。

7、新碳刷使用前，应尽量磨配。

8、运行人员没有操作时，应多查看DCS的报警画面，以便于及时发现问题，尽早处理。

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