发电机励磁碳刷事故分析和对策详细版

文件编号：GD/FS-8170
（安全管理范本系列）
发电机励磁碳刷事故分析
和对策详细版
In Order To Simplify The Management Process And Improve The Management Efficiency, It Is Necessary To Make Effective Use Of Production Resources And Carry Out Production Activities.
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发电机励磁碳刷事故分析和对策详
细版
提示语：本安全管理文件适合使用于平时合理组织的生产过程中，有效利用生产资源，经济合理地进行生产活动，以达到实现简化管理过程，提高管理效率，实现预期的生产目标。

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沙角A电厂1，2号机曾因励磁碳刷环火造成2次停机事故。

机组容量200 MW，发电机的励磁形式为它励，额定励磁电流1765 A，励磁碳刷采用非恒压形式，主励每极32条碳刷，碳刷型号为
D172HT-25×32×65，20xx年6月2号机组大修增容改造时，励磁碳刷改为恒压形式，每极30条碳刷，碳刷形号为D172HT-25×32×100。

D172碳刷主要参数见表1。

表1 D172碳刷主要参数
长度L/mm
磨擦系数k
正压力P/Pa
接触压降△E/V
电流密度I/（A/cm²）额定电流I/A
最高速度v（m/s）电阻率、p/Ω·m
电阻率R/Ω65
9.8×2500
0.25
1.25
12
96
70
12×10-6(-6标在右上位置) 0.00105
100
9.8×2500
0.25
1.25
12
96
70
10×10-6
0.00162
1 事故经过
(1) 2001-06-29T08:00交接班检查1号机组碳刷无火花机，14:45检查发现主励磁机负极滑环碳刷环火，减负荷和减励磁电流、调整处理无效，碳刷刷辫相继发红烧断，并伴有弧光，14:55，值长令解列停机，事故过程约10 min，结果造成20个碳刷刷辫烧断，4个刷握孔熔化。

当时机房内温度35～
40℃，有功负荷200 MW，无功负荷90 Mvar，励磁电流1650 A。

(2) 2001-09-18，机房内温度35～40℃，2号机组有功负荷210 MW，无功负荷87 Mvar，励磁电流1550 A，班中检查发现励磁负极的其中一条碳刷断辫，滑环碳刷火花大，取出该组(3条)碳刷更换，滑环环火，并发现其它碳刷相继发红断辫，减励磁电流，有功减至140 MW调整处理无效，解列停机。

整个过程约15 min，结果造成10只碳刷刷辫烧断，部分采集电环及销钉固定孔烧化，“V”架部分销钉烧断。

2 引起碳刷发热的因素
碳刷发热由3部分组成：碳刷自身电阻发热，碳刷接触压降发热和磨擦发热。

碳刷自身电阻发热功率：W₁=I²R
碳刷接触压降发热功率：W₂=I△E
磨擦发热功率：W₃=Fv
其中：I－流过碳刷的电流；
R-碳刷电阻；
△E-接触压降；
F-碳刷压紧力；
v-碳刷与滑环的相对运动速度。

3 碳刷发热的原因
3.1 碳刷使用过程中电阻值逐渐增大
将购买的500条D172HT-25×32×100碳刷，用电桥法测量其电阻值为0.0012～0.0020Ω，电阻分散性不大；一部分碳刷在2号机组使用一段时间后更换下来，测得电阻值为0.0012～0.01Ω，即部分碳刷的电阻增大了；2号机碳刷事故停机后，拆下的碳刷测得电阻值为0.0012～0.3Ω，电阻分散性很大，电阻也大了许多，电阻值的增大使碳刷的电阻发
热增加。

3.2 碳刷卡阻
碳刷通过电流后发热，刷体膨胀，易卡在刷握，这时拉动刷辫感觉很紧；部分碳刷由于振动、刷握不垂直等原因，会在刷握一侧的上沿和另一侧下沿产生明显卡阻，这几种形式卡阻，用钳表仍可测得电流，容易被误导(刷辫处磁场较强，测量方法不同，钳表测得数值误差大，测量值只作定性分析)，碳刷却已经失效，致使其它碳刷分配的电流增加，电阻发热增加。

3.3 碳刷压力减小
非恒压碳刷，压紧弹簧后碳刷接触压降小，发热少，在碳刷磨短后，弹簧压力明显减少，压力小到一定程度，接触不稳定，接触压降增大，接触压降发热明显增加。

3.4 碳刷接触面形成气膜
D172碳刷最大圆周速度为70 m/s，发电机励磁滑环直径为445 mm，折算后滑环表面园周速度为69.9 m/s，碳刷在允许最大速度下运行，很容易在碳刷接触面产生气膜和跳动，流过碳刷的电流不稳定。

在滑环表面开凹槽和磨花碳刷接触面可破坏气膜。

但开凹槽使碳刷实际的接触面积减小。

3.5 滑环氧化膜的形成
滑环氧化膜太厚，使碳刷接触电阻大大增加，励磁电流分流到其它回路电阻小的碳刷上。

3.6 电流平衡的破坏
一般情况下，非恒压弹簧碳刷新换上和压紧弹簧，碳刷与滑环接触面的接触紧力较大，即接触压降小，所有32条碳刷工况相近，每条碳刷的电流接近相等，刷体的平均温度较低，碳刷间电流相对稳定平衡(称作强平衡)。

运行一段时间后，碳刷的磨损量相近，但出现了氧化膜、气膜、卡阻等因素，碳刷磨短了或弹簧压力降低了，碳刷接触面的接触紧力减小，碳刷间电流二次再分配，每条碳刷的电流差别增大，处于不稳定平衡(称作弱平衡)。

这个阶段时间长，逐
渐变化，不容易引起警觉。

当环境温度升高或励磁电流增加时，随时可造成弱平衡破坏。

4 碳刷事故原因
滑环表面形成了一定厚度的氧化膜，增大了碳刷的接触压降，加上个别碳刷卡阻失效，碳刷处于弱平衡状态，事故时室内气温高，机组负荷加满，励磁电流增加，碳刷间弱平衡破坏，个别碳刷电流迅速增大，严重过热，刷体发红膨胀卡死，大电流转移到其它碳刷，并相继出现膨胀卡死，滑环环火恶性发展，使得短时间内大量碳刷刷辫烧断。

5 关于2号恒压励磁碳刷事故
20xx年6月，2号机组大修时将刷架改为恒压励磁刷架，主励磁机每极碳刷由10组“V”架组成，每个“V”架装3条碳刷，“V”架与集电环靠一根销钉转动9°卡接，“V”架两侧面与集电环面接触通过电流。

5.1 “V”架销钉磨蚀
“V”架销钉磨蚀有2种，一种是电流流经销钉产生腐蚀，另一种是销钉与“V”套径向线接触，“V”架与“V”套接触紧力使销钉产生应力磨损。

5.2 “V”架与集电环接触不好
“V”架与集电环“V”套配合差，虽然装配要
求接触面大于80%，实际上达不到要求，“V”架装上后前后左右可晃动，造成“V”架两侧面很多烧伤弧坑。

5.3 弹簧压力不足
恒压弹簧压力不足，用手拉动励磁弹簧，可明显感觉不同弹簧的压力差异，且弹力比其它机组非恒压弹簧小很多，由于弹簧压力不足，刷握和碳刷加长增加了碳刷侧面磨擦阻力，碳刷被阻在握内。

上述缺陷增加了2号机碳刷事故的几率，而2号机事故当时取出1组碳刷更换则加剧了碳刷弱平衡的破坏。

6 改进维护处理措施
(1) 将消除碳刷火花的被动管理形式改为控制
碳刷电流分配和温度的主动管理形式。

在生产现场配备直流钳表和测温表，每班测量和掌握每个碳刷电流和温度，碳刷电流控制在10～90 A，刷体温度控制在不大于80℃，及时消除电流不平衡、气膜、氧化膜、卡阻等因素，保证碳刷在强平衡状态工作。

有条件时，专人负责碳刷的维护更换工作跟踪，效果会更好。

(2) 出现个别碳刷断辫，可先减小励磁电流；出现环火，则大量减小励磁电流，调整碳刷电流平衡后再换碳刷。

(3) 规定碳刷磨损掉1/3，必须更换，每月更换碳刷不少于20条，月更换量达到30%，消除碳刷太短、电阻值变大、卡阻、阶梯形四面体等现象。

(4) 在“V”架导电两侧面涂导电脂，消除紧力不足引起的导电不良。

定期检查“V”架销钉和紧力，定期检查弹簧压力。

7 结论
采取上述措施以后，3台机组励磁碳刷实现了无火花、刷辫无变色、无断辫运行，先后及时消除了个别碳刷小电流(卡阻)以及3号主励磁碳刷正极一周8只碳刷无电流(机端盖渗油引起)问题。

从一段时间的
运行情况看，不论是变压弹簧还是恒压弹簧，碳刷维护管理从控制碳刷无火花改为碳刷状态平衡控制，较好地实现了强平衡状态运行目的，避免了人为因素的影响。

2号机由于设备先天不足，虽然个别碳刷小电流现象经常出现，电流平衡问题仍得到较好控制。

（彭远崇）
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