大型汽轮发电机转子集电环烧损分析与预防.pdf

大型汽轮发电机转子集电环烧损分析与预防 于 杰 国电宿迁热电有限公司 analyze and prevent the burning loss of large-scale steam turbo generator rotor collector ring jie yu guodian suqian thermoelectricity corporation,jiangsu suqian,223803 abstract: for several years, large-scale steam turbo generators rotor collector rings made in our country frequently suffer burning loss problems. through the massive scene evidence collection and the research, the main reasons of the accident are comprehensively studied and induced. according to the reasons, pertinent measures are found, and have a good effect on preventing the burning loss of generators collector ring and electric brush. particularly, to prevent the burning loss accident is very important to ensure the safe operation of large-scale generator, with the production of 300mw, 600mw, 1000mw water-hydrogen-oxygen cooling type large-scale steam turbo generators is more in recent years. moreover, this type generator adopts innovative approaches on the aspects of design, installment, operating maintenance and so on, which will avoid the accident of burning loss of generators collector ring. key word: large-scale generator; collector ring; analysis of burning loss; prevention 摘要： 针对几年来国产大型汽轮发电机频繁发生转子集 电环烧损问题进行了大量的现场取证和研究，对事故的 主要原因进行了综合分析和归纳，在得出的结论中采取 了有针对性的措施后，对预防发电机集电环及电刷烧损 事故的发生起到了良好的效果。尤其是近几年来投产的 国产水氢氢冷却式300mw、600mw、1000mw 大 型汽轮发电机较多，控制集电环及电刷的烧损对保证大 型发电机安全运行显得尤为重要。在此类型发电机上从 设计、安装及运行维护等方面采取有针对性的改进措 施，将对避免发电机集电环烧损事故起到积极的作用。 关键词：大型发电机；集电环；烧损分析；预防 几年来各发电厂中国产 200mw、 300mw 以上大 型汽轮发电机集电环烧损事故的发生日益频繁，据不 完全统计，仅 1997 年以来，吉林、河北、广东、湖 北、辽宁、内蒙古等省各大发电厂先后发生发电机集 电环烧损事故几十起，有的电厂甚至是重复发生此类 事故，修复时间少则一个星期，多则一个月，直接和 间接造成了发电企业的严重经济损失，极大地影响了 发电厂的安全生产和经济效益。近几年国产 600mw、 1000mw 汽轮发电机相继大量投产运营，一旦发生集 电环烧损事故，造成的经济损失和对区域电网稳定的 影响是显而易见的，因此研究预防这些大容量、转子 大电流发电机转子集电环烧损的问题不容忽视。从根 本上解决发电机集电环烧损，也是一名专业技术人员 义不容辞的责任。下面就吉林省某发电厂两台 qfsn-300-2 型汽轮发电机集转子电环及电刷烧损事 故的现场调查、 综合原因分析、 预防措施和落实情况， 以及取得的效果作简单介绍，谨供各发电企业作为避 免此类事故的参考。 1 事故经过及现场调查 1997 年 4 月份， 吉林省某发电厂运行中的 1 号发 电机转子电压、转子电流、主励磁机转子电压表突然 摆动较大，其它表计如无功功率、定子电压、定子电 流表都在正常值附近略有波动。值班员到就地检查发 现发电机转子隔音罩内严重冒火，立即打闸停机，发 变组与系统解列。停机后检查转子正极集电环（靠发 电机本体六瓦侧）表面严重烧损，表面径向螺旋通风 沟凸起部分光洁面全失，集电环内径边缘被电弧灼烧 成一条周向弧长约 200mm、最宽处约 85mm、最深处 约 30mm 的弧形沟，正极 10 组电刷握靠集电环侧严 重烧熔，40 块电刷全部烧熔，残留部分被焊附在电刷 2 发 电 317 握内，铜质导电架灼伤严重，集电环与转子轴径之间 的环氧绝缘套筒边缘部分被烧损成一周向弧长约 210mm、轴向深约 90mm 呈近似三角形状的缺口，绝 缘套筒烧损处的转子轴径表面被灼烧成同样形状最 深处约 10mm 的凹坑，详见附图 1 所示。现场鉴定后 确认整个正极集电环、10 组电刷握及导电架全部报 废。事后对 1 号发电机转子集电环的运行维护、集电 环和电刷的结构以及安装缺陷等问题进行了详细的 调查、研究，并在结构设计和安装上遗留下的原始缺 陷进行了补救处理，加强了电刷的维护，并提出了两 台发电机转子集电环烧损的防范措施。尽管如此，事 隔不到两年的 1999 年 3 月份，该厂 2 号发电机转子 正极集电环又发生了烧损事故，事故现象与 1 号发电 机大致相同，只是烧损程度略轻，除 10 组电刷握报 废外，导电架基本无损伤，集电环经过表面处理后恢 复使用。事故的重复性发生，说明当时的原因分析不 够透彻，采取的对策及防范措施还有很大漏洞，甚至 是没有找到集电环及电刷烧损的根本原因，防范措施 也就没有做到对症下药。 附图 1 1 号发电机集电环及电刷烧损情况图 图 1-a. 集电环烧损情况 图 1-b. 电刷握烧损情况 图 1-c. 导电架装配烧损情况 图 1-d. 绝缘套筒及转子轴烧损情况 经过了两台次发电机集电环烧损的事故教训后， 该厂在电气专业专门成立了攻关小组，决心查出集电 环烧损的真正原因并彻底解决问题。专业人员经过多 次对各发电厂此类事故的现场实地调查和大量的实 验、分析，并从设备元件材质、结构设计、装配质量、 运行维护等方面进行了深入研究，罗列了各种原因， 最终确定了集电环烧损的主要原因，制定了对策并付 诸实践，七年多来效果显著。 2 原因分析 总结出了造成发电机集电环烧损的诸多可能原 因，并从大量的运行监测原始记录判断，这些原因均 成立： 2.1 通过对该发电厂 2000 年 4 月份的一次 1 号发电 机密封油系统差压阀自动跟踪失调导致发电机励侧 轴封瞬间喷溅大量带油的氢气到集电环和电刷上的 事件（因发现及时并积极采取减励磁、更换电刷措施 而避免了一次集电环烧损事故）说明，造成集电环烧 损的一主要原因即发电机双流环式密封油系统差压 阀质量不过关，调节跟踪性能差，带油的氢气瞬间穿 越轴封喷溅到集电环及电刷上，在集电环和电刷之间 形成油膜，使得电刷在高速旋转的集电环表面基本处 于悬浮状态，致使整个正极集电环上的绝大部分甚至 全部电刷很短时间内失去导电能力，极个别电刷电流 急剧上升，刷辫烧断，甚至是整个集电环正极失去导 电通道后，集电环与全部电刷之间形成绝缘间隙（即 发电机瞬间失磁） ，构成电弧通道放电，导致集电环、 电刷握在电弧作用下迅速烧损、融化。 318 2006 中国电机工程学会年会论文集河南郑州 2.2 1、2 号发电机集电环设计直径455mm 偏大，电 刷设计选型不当是酿成集电环烧损事故的另一重要原 因。d172 型电刷允许的圆周线速度（70m/s）满足不了 这种大直径集电环3000r/min 转速下线速度（71.48m/s） 的要求，致使集电环表面运行温度较高，电刷与集电环 接触面氧化膜形成过快过厚，导电性能差，引起过热。 3、4 号发电机集电环直径已设计为380mm。 2.3 电刷的运行维护不当。 专责人对发电机电刷的运 行状况不熟悉，仅通过测温及提刷的方法进行维护还 远远不够，另外频繁提刷和提刷方法不当是导致电刷 引出线与刷块间接触不良和引线脱出的主要原因。 2.4 检修工艺质量不高， 使电刷握与电刷之间装配间 隙过大或过小，间隙过小造成卡刷使电刷不导电流、 间隙过大造成电刷振动而碎裂；电刷握与刷架导电楔 形面过于光亮，导电性能不好。 2.5 电刷质量差容易碎裂、刷辫易脱出；集电环、刷 架结构存在原始缺陷；恒压弹簧长期承受高温而使其 弹性变坏和压力不均匀，造成电刷电流分配不均匀。 对上述诸多原因进行总结、分类，确定出造成发 电机集电环烧损的三个主要原因，即： （1）带油的氢气喷溅到集电环及电刷上，在集电 环和电刷之间形成油膜，导致转子整个励磁回路在正 极集电环与电刷之间近乎处于开路状态，瞬间构成电 弧放电通道，导致集电环、电刷握在电弧作用下迅速 烧损、融化。 （2）集电环设计直径偏大、所选 d172 型电刷不 能满足大直径集电环线速度的要求。 （3）电刷的运行维护不到位及检修工艺质量差。 3 预防措施及实施情况 3.1 为避免密封油系统漏泄时向发电机转子集电环 隔音罩内喷带油的氢气，采取了如下措施： （1）利用机组大、小修机会相继在四台发电机本 体六瓦与集电环隔音罩之间转子轴径表面圆周方向 安装阻油环装置，具体安装位置如附图 2.所示。阻油 环制作、安装步骤及工艺如下：a.预先准备好足量的 宽度 20mm 环氧玻璃布带、环氧树脂胶、2 只碘钨灯 具和毛刷 2 把；b.机组检修时拆除集电环隔音罩及接 地刷后将发电机端盖与隔音罩之间转子轴径表面用 酒精、 金相砂纸等清理打磨干净， 保证无油迹和粉尘； c.在距离隔音罩轴封轴向 2030mm 处沿轴径圆周方 向涂抹一层环氧树脂胶，然后将环氧玻璃布带沿圆周 逆向于转轴旋转方向逐层缠绕于轴径上，每缠绕一层 涂一遍环氧树脂胶，缠绕过程中注意拉紧玻璃布带， 最好有 23 人共同操作； d.缠绕厚度达到高出轴径表 面 20mm 即可，然后对边缘进行整形、去毛边； e. 用 2 只碘钨灯分别布置于绑扎好的阻油环水平两侧进 行连续加热烘烤 48 小时，保证阻油环固化成坚硬的 一体后即完成了安装。 附图 2. 阻油环安装位置示意图 发 电 机 集电环隔音 发电机端盖 阻油环 接地刷 接地刷 采取此措施后，曾于 2002 年 7 月和 2004 年 3 月 先后两次成功阻隔了该厂 3 号发电机和 1 号发电机差 压阀失调而将带油的氢气喷入隔音罩内集电环上的 事件。当时，白色的带油氢气从六瓦轴封处喷出后， 在阻油环的阻隔作用下瞬间改变了喷射方向，沿垂直 轴径表面方向扩散开来，成功避免了两次发电机集电 环烧损事故。 （2）对于密封油系统的差压阀跟踪失调及轴封 渗漏油问题，由汽机专业进行了相应的处理，并对 每台发电机两端轴封挡油齿进行了彻底检查，更换 了 1 号机组密封瓦。先后将四台发电机密封瓦处梳 齿轴封更换为聚四氟乙烯梳齿轴封，使轴封间隙尽 可能小， 尽管如此四台发电机轴承均仍存在向机内渗 油现象。 （3）加强了密封油系统的运行与维护，运行人员 增加了发电机密封油系统空氢侧压力自动跟踪的 监测次数，稍有异常即刻转为手动调节，同时快速检 查并处理自动调节系统发生的问题。 3.2 选择一种电刷， 使其能够适应现有发电机的集电 环结构及运行工况。 经过该厂 2000 年和 2001 年几次机组大、小修及 停役临检，已将四台 300mw 氢冷汽轮发电机转子电 刷更换成摩根 ncc634 型进口电刷（ncc634 型电刷 与 d172 型电刷性能参数对比表见附表 1.） ， 运行情况良好，不但电流分布均匀，运行稳定， 而且大大减轻了电刷维护工作量。电刷改型更换前、 后的电流分布情况（抽样）见附表 2. 附表 2. 1 号发电机转子电刷改型前后电刷电流、 集电环表面温度测试对比表 2 发 电 319 附表 1 ncc634 电刷与 d172 电刷性能参数对比表 型号 性能 进口 ncc634 型 国产 d172 型 电阻(m) 17 818 体积密度(g/cm3) 1.261.28 1.441.76 弹性模量(kgf/mm2) 700 800 开口气孔率(%) 41 20 最高线速度(m/s) 80 70 电流分布(a) 40176(额定 155)刷辫未过热变色 0235(额定 155)刷辫过热变色 刷辫绝缘套 有 无 刷辫安装工艺 机械化填塞 人工填塞 绝缘垫安装型式 套穿刷辫 粘附 表 2.1 1 号发电机转子电刷改型前电刷电流、集电环表面温度测试表 正极集电环 负极集电环 刷握编号 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 a9 a10 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10 1 35 49 69 91 11 87 45 19 59 21 22 37 42 44 19 71 54 12 33 87 2 38 36 72 27 14 71 61 10 47 87 34 66 38 31 13 62 77 28 91 99 3 51 62 101 60 52 79 43 26 53 108 43 54 64 98 23 89 80 103 63 31 刷块电流 （a） 4 28 73 79 81 53 108 77 43 82 95 51 62 101 78 52 84 68 65 59 74 合计（a） 2298 （dcs 中发电机转子电流） 最高温度点 105 99 环境温度 2829 （入口风） 负荷（mw） 300 表 2.2 1 号发电机转子电刷改型后电刷电流、集电环表面温度测试表 正极集电环 负极集电环 刷握编号 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 a9 a10 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10 1 61 56 68 53 60 66 57 54 61 55 64 57 69 54 55 58 55 52 60 72 2 58 59 61 52 58 71 56 55 57 54 57 58 63 56 58 64 54 60 55 68 3 58 57 57 55 57 70 54 51 53 61 59 56 65 51 56 62 52 53 52 65 刷块电流 （a） 4 60 55 60 56 54 61 56 52 56 59 55 56 61 50 57 56 55 51 56 58 合计（a） 2306（dcs 中发电机转子电流） 最高温度点 75 72 环境温度 2930（入口风） 负荷（mw） 301 3.3 通过培训和多次现场实践， 提高了人员的电刷维 护技能和检修工艺质量，措施如下： （1）对专责人进行了检修工艺过程的培训，已基 本掌握了电刷的检修与维护要领，使其胜任电刷的检 修与维护。同时完善了电刷维护工艺程序和制度并严 格执行，在运行人员对发电机电刷进行常规红外线测 温及火花检查等项目维护的同时，检修人员每周至少 检查测试电刷电流分布及集电环温度两次，并做好监 测记录，在电刷电流分布较为均为的情况下尽量避免 提刷操作，保证了集电环及电刷运行的安全稳定。 （2）在对电刷的检修中严把质量关，保证电刷握 与集电环的间隙 35mm、电刷在刷握中的单边间隙 320 2006 中国电机工程学会年会论文集河南郑州 为 0.10.2mm，对电刷导电面进行精心研磨，保证与 集电环周向凸表面接触面达到 90%以上。 另外在 1、 2 号发电机检修中取消了刷握上的保持弹簧，以防止在 运行中固定螺丝的脱落。对老化的弹性较差的恒压弹 簧进行了更换。 3.4 针对该厂 3、4 号发电机投产后频繁出现电刷打 火花问题，判断为电刷恒压弹簧压力小所致后，在检 修中将刷握原设计、装配的 80 只恒压弹簧全部更换， 弹簧卷曲直径由