300 MW发电机转子滑环烧损原因分析

陈立志，董伟，刘德辉

(华电哈尔滨热电有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

1 设备概况

哈尔滨热电有限责任公司#7，#8汽轮发电机由哈尔滨电机厂制造，型号为QFSN－300－2。发电机定子线圈水内冷，转子氢内冷，定子铁芯氢冷，采用自并励静止励磁系统。励磁系统由机端励磁变压器、可控硅整流装置、微机励磁调节器、灭磁和过电压保护装置、启励装置及必要的监测、保护、报警辅助装置等组成。发电机转子采用隐极式，发电机转子主要由转子铁芯、转子励磁绕组、护环、滑环、风扇等部件组成。转子滑环材料采用40Cr2MoV合金钢，滑环内径为316 mm，外径为415 mm。滑环和刷架上的电刷将外界通入的直流电引入转子励磁绕组，滑环配套用电刷刷架系阜新华东电力配件公司产品，型号为ZH62－596－4，采用适合高速汽轮发电机使用的电刷，压紧电刷的恒力弹簧压力为14.5 kN。

2 事故过程

2011－04－14 T 16:16，#8机组有功负荷为178 MW，无功负荷为85 MV·A，转子电压为195 V，励磁电流为2180 A，发电机出口电压为20 kV，机组主蒸汽流量为537 t/h。运行值班员交接班前，对#8发电机励磁电刷及滑环外观进行了检查，检查结果为运行正常。17:45，值班员在班中进行第1次巡检时，发现#8机组12.6 m平台冒烟，巡检到#8发电机转子励磁电刷处发现#8发电机励磁电刷冒烟，电刷严重环火并伴有白色弧光。值班人员立即减#8机组有功及无功负荷，将无功负荷由85 MV·A减至2MV·A。17:56:31，#8机组“转子1点接地”报警，值班员发现报警后准备投入#8机组转子2点接地保护硬压板，此时发现#8机组数字电液控制系统DEH(Digital Electric Hydraulic)画面机组支持轴承#6瓦y向轴振动值陡增至188 μm，17:56:54，#8机组跳闸，发动机温度开关ETS(Engine Temperature Switch)跳闸首出为“轴振动大”。

事故发生后，对发电机转子滑环解体进行了检查，发现发电机转子内侧滑环表面基本烧损，表面径向螺旋通风沟凸起部分光洁面全失。滑环内径边缘被电弧烧伤，内侧10组电刷握靠滑环侧有2组部分烧熔，铜质导电架灼烧，滑环与转子轴径之间的氧化绝缘套筒胶木板放电烧穿，多处炭化，丧失绝缘性能。滑环与转子轴结合的轴表面有明显的局部灼烧麻坑，测试发电机转子绕组绝缘为零。

3 原因分析

检修人员与哈尔滨电机厂技术人员联合检查分析，确定事故发生的原因主要有以下5个方面。

(1)由于#8发电机滑环表面不平整且有螺旋槽，当电刷与滑环接触且产生摩擦时有少量的电刷粉通过滑环风扇排出滑环，进入热风区空气中。

(2)由于滑环两侧轴密封风风源取自滑环热风区，致使微量碳粉经轴密封风风道进入滑环两侧而附着在滑环绝缘套筒上。

(3)由于滑环热风区出口设计、安装不合理，热风出口距转子励磁部位较近，再由于转子高速旋转，会有部分排出的碳粉被吸入。

(4)由于发电机运行维护不到位，积存的碳粉末及时清除，机组长时间运行聚集碳粉过多并进入滑环与转子间产生放电或是转子振动后电刷跳动，使电刷与滑环接触不良造成环火，环火最终演变成电弧。在电弧高温作用下，发电机转子引线与滑环绝缘急剧下降，在较短时间内造成发电机转子滑环烧损使转子绝缘套筒在高温下烧焦，绝缘下降后击穿，加剧滑环与转子表面放电，造成转子表面局部灼伤，同时造成电刷温度急剧升高，部分电刷导电铜辫烧熔。

(5)2011－04－14 T 17:56:31，#8机组转子1点接地报警，17:56:54，#8机组跳闸，#8机组转子2点接地保护硬压板未能及时投入。在这段时间内，发生转子2点接地后产生的故障电流对发电机转子表面、滑环、滑环绝缘套筒造成了严重损坏并引起机组剧烈振动。

4 暴露的问题及应对措施

4.1 发电机转子1点接地报警后，发电机转子2点接地保护硬压板未能及时投入

根据电气继电保护规程规定，转子1点接地保护作用于信号报警，转子2点接地保护作用于发电机跳闸。在发电机发生转子1点接地后，应投入转子2点接地保护。在这次事故中，#8机组转子1点接地报警后，由于运行人员需要到发电机保护配电盘处手动投入转子2点接地保护硬压板，这个过程需要一定的时间，在机组因轴振动大跳闸时，转子2点接地保护尚未投入。经过对发电机转子滑环及滑环绝缘护套的解体检查，可以看出转子回路出现了多点接地情况，而转子2点接地故障的危害是非常大的，其主要表现在:

(1)故障点流过相当大的短路电流，电流会烧伤转子;

(2)部分绕组被短接，励磁绕组电流增加，转子可能因过热而损伤;

(3)部分绕组被短接，气隙磁通失去平衡，会引起机组剧烈振动，可能会造成灾难性破坏;

(4)汽轮发电机转子绕组2点接地故障，还可能使轴系和汽轮机磁化。因此，转子2点接地故障的后果非常严重。

为减轻发生转子2点接地故障时故障电流对机组的危害，对转子2点接地保护的投入方法进行了改进。

#7，#8发电机组的继电保护采用南瑞继保电气公司设计生产的RCS－985A发变组微机保护装置，其主要保护配置如下:发电机差动保护、发电机失磁保护、发电机逆功率保护、发电机程跳逆功率保护、发电机定子100%接地保护、发电机对称过负荷保护、发电机不对称过负荷保护、发电机失步保护、发电机过激磁保护、发电机定子过电压保护、发电机转子一点接地保护、发电机转子二点接地保护、发电机匝间保护、发电机电压回路断线保护、CT断线闭锁保护、发变组差动保护和发电机励磁回路过负荷保护等。在机组运行时，上述保护软压板均投入运行，转子2点接地保护硬压板不投入。

发电机转子2点接地保护逻辑如图1所示。

图1 发电机转子2点接地保护逻辑图

在图1中，t1是在发生转子1点接地故障后，经延时将转子2点接地保护自动投入;t2是在设置延时(通常为0.5～1.0 s)躲过较大的初始暂态二次谐波过电压后，保护再动作，去跳闸发电机。

改进方法为:在机组启动前，将发电机转子2点接地保护硬压板投入，在发生发电机转子1点接地故障后，转子2点接地保护自动投入，在转子2点接地判据满足时，保护动作去跳闸发电机。这样，在发电机发生转子1点接地后，减少了人工操作过程，缩短了转子2点接地保护投入时间，可有效防止转子2点接地故障发生后故障电流对发电机造成的损坏。

4.2 发电机励磁风道设计不合理

发电机励磁风道设计不合理，热风风道较短，热风出口距离转子较近，排出的碳粉极易被高速旋转的转子吸回，如图2所示。

图2 原励磁热风风道

对#7，#8发电机转子励磁风道进行了优化整改。将原热风风道延长了5 m，在热风出口侧加装了引风机，以防止排出的碳粉被高速旋转的转子吸回，如图3所示。

4.3 加强发电机转子励磁设备检查维护工作

对于发电机转子滑环烧损事故来说，应在制度管理和技术监督方面采取更加严格的防范措施。对励磁设备检查维护，应制订详细管理制度，以避免类似事故的再次发生。

图3 改造后励磁热风风道

(1)相关专责人员在日常巡视时，对发电机转子励磁冷却通风系统专业知识掌握的不够全面，对于转子表面碳粉堆积危害认识不够，没有及时发现励磁碳刷周围及转子与绝缘套筒间碳粉堆积的隐患，致使事故逐渐形成。今后要加强运行值班员电气专业知识培训，加强电气检修员工技术培训，提高员工业务水平。

(2)电气分场应对本部门的设备管理进行自查，对每台发电机滑环、刷架要进行全面检查，重点检查刷架内刷窝及其余紧固件的联接情况，及时消除存在缺陷。

(3)加大电气所属设备定期检查的力度，完善定期检查内容，扩大定期检查范围，缩短定期检查周期。

(4)修订电气设备定期检查管理办法，加大对设备定期检查的督察、分析和考核力度。

(5)将红外热成像监测定为发电机转子励磁部分检查的必备测试手段，增强设备状况分析的全面性、时效性和科学性。

5 结束语

在对事故发生的原因分析并采取了必要的应对措施后，对#8发电机转子表面缺损部分进行了填平抛光处理，安装新滑环绝缘套筒，更换了转子滑环刷架、滑环和新电刷。测定后，发电机转子绕组绝缘良好，#8机组重新投入了运行。

［1］涂光瑜.汽轮发电机及电气设备［M］.北京:中国电力出版社，1998.