关于直流电机环火事故预防及处理

王海蛟

（国家能源准能设备维修中心，内蒙古 鄂尔多斯010300）

目前发电企业在发电运行的过程中，会使用较多的直流电动机驱动设备，其中发电机的励磁机便是一种应用较为广泛的直流发电机类型，通常情况下在运行过程中，容易受到一系列其他因素的影响，由于片间累积击穿，换向恶化问题严重，或者因为负载条件十分恶劣，导致正负极刷架之间的电弧不稳定，环绕换向器表层形成十分强烈的电弧，并且伴随弧光和巨大的响声，引发环火事故。环火事故后对设备电枢表面进行观察，发现表面已经烧黑，因为电枢绕组受到高温灼烧形成小孔装绝缘击穿，之后对电气设备进行全面检查，并详细分析其原因。

1 直流电机环火概述

直流电机在工作过程中，电枢绕组线圈首先会通过一条支路，再由电刷短路进入到其他一条支路中，该过程电流方向明显变化，即换向。如果换向存在问题将会在电刷下产生火花，如果火花超出相应的程度范围，则会形成环火事故[1]。火花形成的原因具有一定的复杂性，可能为电磁、机械或者化学等方面因素互相作用产生火花。电刷下火花具有危害性，难以避免，如果火花超出相应的范围，程度严重，则会将电刷和换向器烧毁，甚至可能将整个刷架烧毁，导致电机无法正常运行[2]。目前直流电机技术标准对火花进行合理的等级划分，并明确规定直流电机实际运行过程中不可超过11/2级[3]，其等级划分如表1所示。

表1 火花等级划分

2 出现环火事故的原因分析

2.1 片间击穿

如果直流电机换向器的片间电压处于较高的情况，在实际运行的过程中形成电压，因为片间累积击穿情况，进而引发环火。在多数情况下导致片间击穿的主要原因在于工作人员没有对换向器进行维护和保养，清扫工作不全面，换向器的云母沟中可能积累了诸多的碳粉、污渍以及铜粉等物质[4]。除此之外，也可能因为电刷挤铜，换向片铜毛刺延长，致使周围换向片间云母沟中导电桥，该导电桥通过电枢旋转进入到主机区的过程中，换向器表层电位梯度呈不断升高的趋势，进而导致电流明显增加。如果电流形成电动力大于保持粉末形成的导电桥则会引发严重错位情况，导电桥因为熔化灼热形成片间闪络[5]。如果导电桥断裂位置的实际电压大于电弧最低电压，则会产生电弧。如果断裂位置宽度提升至云母沟的实际宽度，保持电弧的电压也需要不断提升，反之可能会导致电弧熄灭。如果片间电压与起弧过程中的感应电压大于保持电弧电压的范围，电弧会呈燃烧状态。电流也会随着换向片的击穿而不断提升，磁场范围也会随之扩增，片间电弧换向器表面也会不断扩展[6]。

如果在电弧扩展的过程中，两个换向器片区域电位差能够保证片间电弧不被熄灭，电弧处于持续扩展的状态下。基于相应条件，片甲电弧能够扩展至正极、负极两个极性刷架间，进而引发环火事故[7]。

2.2 严重的电刷火花

导致直流电机发生环火事故的另一个主要因素便是电刷火花。如果直流电机处于十分恶劣的负荷运行条件下，换向器表层滑动接触受到严重的损坏，则会在电刷同换向器中间范围内形成相应的火花。如果换向器火花发展到一定的程度，火花能量将会导致电刷同换向片发生燃烧和汽化，并且在实际燃烧的范围内形成一个等离子区域，这一电弧因为受到旋转换向器沿电弧磨道运行的影响出现拉长情况[8]。

如果这一电弧被拉长到相应长度的某一换向片的过程中，电弧是否持续燃烧受到换向器表层点位分布曲线以及电弧特点的影响。如果换向片的某区域点位小于电弧维持电压Ug，则会导致电弧熄灭。如果超过电弧维持电压Ug，电弧则会处于持续燃烧的状态，并且还会继续发展。电刷磨道上空气的电离能够为电弧的延伸创造合理的环境及条件，如果换向火花能量较大，达到某一较大量级，电弧会延伸到异极性电刷中，进而产生环火事故[9]。

3 直流电机环火事故造成的危害

通常情况下，直流电机环火事故程度主要包括以下几类情况，本文对此进行一一分析。首先，危害程度轻的事故。多数情况下这类环火事故下直流电机的容量较小，其转速较低，出现环火的过程中快速开关或者自动开关很快发生动作，将主回路及励磁回路及时切断，电弧及时被短路电流磁吹作用熄灭[10]。这一类环火通常只会将换向器表层烧焦，或者将一些刷辫烧焦，不会对整体设备造成较为严重的影响。其次，较为严重的环火事故。通常情况下这类事故中的直流电机容量较多并且转速较快，环火过程中即使快速开关或者自动开关动作，但是短路的过程中电弧存在较大能量，因此会引发严重的损坏，程度严重。该类环火会在换向器表面产生深浅程度不一的灼烧点，换向器外端位置也会存在明显的烧灼，局部刷握被烧毁或者烧熔，同时直流电机的刷架、导电环等装置也存在局部受损的情况，熔化铜喷溅、气化的铜和碳结晶微粒附着在绝缘表层，通常情况下导致表面泄漏电流的持续提升，绝缘电阻大幅下降，最后归零。

对企业工作人员来说，需要采取以下相关方法对直流电机的受损位置以及受损程度进行全面检查。第一，工作人员需要对绝缘电阻进行检查。如果直流电机发生环火事故，首先需要对烧焦、烧黑的换向器进行打磨处理，对绕组进行吹风清理，之后通过兆欧表对各个绕组的绝缘电阻进行全面检查，明确其是否符合相关规定，进而明确是否需要对绝缘进行有效处理。第二，工作人员还需要对片间电阻进行合理测量，查看升高片同电枢并头套是否已经存在开焊及短路情况，检查电阻值不平衡情况。第三，工作人员需要对换向器的表面进行全面检查，查看其氧化剂积碳呈黑色位置，同时因为电弧烧灼产生的点状凹陷或者端部局部烧损情况等均需要进行全面检查[11]。第四，通过检查发现电刷烧损4只，并且有11只电刷存在程度不一的材质受损，因此需要对上述电刷进行全面更换。第五，工作人员需要对刷架和导电环进行全面检查，如果存在缺损问题需要及时解决，对其进行修理和更换，保证检查的全面性。

4 直流电机环火事故的预防和处理措施

4.1 直流电机环火事故处理措施分析

如果直流电机发生环火事故对其进行及时有效的处理十分重要，下面本文对直流电机环火事故的处理措施进行一一分析。第一，工作人员需要对换向器进行处理。因为受到环火事故的影响，换向器发生严重烧灼，因此需要重新车削外圆，并且在对换向器进行打磨和车削后，对其倒棱和下刻重新实施。经过处理后对一次片间电阻进行检查，确保其满足相关要求。第二，工作人员需要对原来相同型号的电刷进行全面更换，同时需要对电刷的压力进行合理调整，保证其处于均匀的状态。第三，及时更换受损绕组以及其他构件，同时对于受损不严重的构件进行焊补。第四，如果绕组和导电部件表层绝缘仅仅受到蒸熏的影响导致绝缘电阻处于下降的状态，工作人员需要将棉纱上蘸取少量汽油、酒精以及四氯化碳等溶剂，将这部分部件表面聚集的碳及铜微粒清除，之后对绝缘电阻进行全面测量。

4.2 直流电机预防环火的主要措施分析

因为直流电机环火的发生时间并不是很长，并且发生在电机内部，因此通过继电保护、空气开关以及快速开关进行保护存在一定的难度。因此，采取有效的维护措施至关重要。对发电企业来说，预防直流电机发生环火事故的主要措施包括以下几点：第一，工作人员需要合理使用补偿绕组，设置补偿绕组后，首先能够解决换向极饱和相关问题，有助于实现对电流换向的改善。并且因为补偿绕组能够抵消横轴电枢反应，进而解决主磁场畸变，导致换向器点位分布曲线处于平滑的状态。并且因为换向器表面点位分布曲线主要为气隙合成磁场的空间分布曲线积分。通过对补偿绕组的使用能够有效抑制电刷火花和片间电弧的延伸。如果直流电机不能够使用补偿绕组，可以使用不同心气隙，也可以有效减少气隙磁场发生畸变。第二，需要对换向器表面进行合理处理，重视换向片的倒角和片云母的下刻质量，同时将换向片上的端部尖棱及尖角清除。第三，设计人员在对新选购的直流电动机设计过程中，需要适当减少片间电压。对大型直流电机来说，其片间电压需要小于16V；对小型设备来说，不能超过18V。如果片间电压处于较高的状态，对于经常出现环火问题的设备，需要将其电压保护值有效降低。第四，需要设置隔弧板。将其设置于刷架间的空间，使用耐弧材料制作隔板达到挡隔的作用，能减小环火对设备造成的损害。

5 结束语

综上所述，环火事故属于十分危险的恶性事故，其发生短时间内产生巨大的能量和高温，不但会对电刷和换向器造成严重损害，同时还会导致其他绕组受损严重。并且还可能会对操作人员的人身安全造成严重威胁。所以需要加强对直流电机的维护，采取有效的措施消除环火事故，工作人员需要重视事故问题，确保电刷和换向器始终处于安全稳定的运行状态，及时发现问题予以解决。