某燃气机组发电机集电环烧损事故分析

崔 鹏,陈 帅

(1.华能河南中原燃气发电有限公司，河南 驻马店 463000;2.池州学院，安徽 池州 247100)

在发电厂中，发电机集电环是励磁电流汇聚的关键设备，和燃煤机组不同的是，燃气机组出于结构设计和用地的限制，机组布置以单轴布置居多，其集电环处于发电机和汽轮机之间，是机组大轴系的中心，因此其受轴系的影响也较大[1]。本文介绍了某燃机电厂一起发电机集电环烧损事故，详细阐述了检查过程和分析思路，重点分析了轴系振动对集电环的影响，并提出了改进措施。

1 设备概况

某燃机电厂采用西门子V94.3A型燃气轮机，发电机型号THDF 108/53，汽轮机型号TCF-1，出口电压21 kV，额定功率390 MW，主接线采用扩大型单元接线。机组采用燃机-发电机-汽轮机单轴布置，轴系由燃气轮机转子、发电机转子、汽轮机高压转子、中低压转子以及8个支持轴承组成，燃气轮机和发电机采用双支撑结构，汽轮机采用三支撑结构，汽轮机和发电机转子之间采用SSS离合器连接。机组轴系如图1所示。

机组自西向东布置依次为汽轮机中低压缸、高压缸、SSS离合器、集电环、发电机、中间轴、燃气轮机，轴承排列为L8、L7、L6、L5、L4、L3、L2、L1，转子排列为汽轮机中低压转子、高压转子、集电环短轴、发电机转子、燃机和发电机中间轴、燃气轮机转子，SSS离合器两侧轴承为L6、L5，将整个轴系分为2段，集电环处于轴承L5、L4之间。

励磁系统采用他励可控硅微机静态励磁，满载励磁电压388 V，满载励磁电流3422 A，励磁集电环正负极各配置摩根NCC634型碳刷36支。

2 事故经过

某日，2号机组调峰运行中，共发电机有功功率380 MW，无功功率50 Mvar，发电机氢压0.49 MPa，机组AGC控制方式，励磁系统自动调节模式，励磁电流1644 A ，励磁电压236 V。机组运行工况稳定，无重大操作。13：25左右，巡检人员发现2号发电机集电环小室下方有火星，随即报告运行值长，运行值长通知检修人员进行就地检查，检查中发电机集电环出现环火，检修人员遂通知运行人员降低机组负荷，在机组紧急降负荷过程中，集电环小室刷架(材质为绝缘板)过热冒出黑烟，同时环火造成进线电缆绝缘层老化，造成转子回路一点接地，13：32，2号发电机转子接地保护动作，机组停机。

机组停机后，检修人员迅速打开励磁滑环小室，使用灭火器对励磁刷架进行灭火，同时降低发电机氢压。灭火后，对发电机励磁刷架、碳刷及滑环短轴进行检查，发现集电环正极侧的刷架烧损，其中靠近发电机侧，编号为2、3的2组碳刷受损最为严重(见图2)，2-4、2-5、3-4、3-5等4支碳刷刷架熔损，刷握掉落至地面，同时集电环正极表面被熔化的碳粉、刷架覆盖成黑色。集电环负极除刷握颜色变深外无其他受损现象。

从现场检查中可以确认刷架正极已经损坏，集电环正极表面附着有熔化的碳粉，很难清除，且对应编号为2、3的2组碳刷位置的集电环表面有明显凹痕，集电环轴无明显损害迹象。经电厂综合评估，决定更换刷架和正极集电环，由于集电环生产周期较长，后紧急从同类型电厂借到1根集电环短轴和刷架，更换完成后，机组于6日后恢复备用。

3 原因分析

发电机集电环主要包括励磁刷架、碳刷及滑环短轴等几部分，碳刷与集电环接触电阻大、集电环通风不良、轴系振动大、设计和制造缺陷都可能引起碳刷打火[2]。事故发生后，电厂对当时使用的摩根NCC634型碳刷、刷握、集电环滤网进行了检查，基本可以排除碳刷质量不良、刷握压紧弹簧弹力不足、通风滤网堵塞、通风不畅等原因。由于电厂集电环处于机组轴系的中心，受轴系两侧影响，考虑到当时2号发电机的轴振值一直保持在100 μm左右，超过了83 μm的报警值，因此考虑轴系振动对集电环的影响。

一方面滑环固定在发电机转子轴上，碳刷安装在刷架上，碳刷靠压紧弹簧的压力贴在滑环上，轴系振动大可以造成碳刷压紧弹簧压力降低；另一方面，发电机3000 r/min同步转速时，其运行时的振动频率即使是半倍频，碳刷在刷握中的跳动频率也是无法跟踪上的，所以轴系振动大时，碳刷就像浮在滑环表面，造成二者接触不良，振动越大，对接触电阻的影响越大。机组运行时轴系振动情况如图3所示。

由图3可以看出，事故发生前72 h，机组运行时，机组轴振一直在100 μm左右，L4轴瓦瓦振达到了200 μm左右，已显著超过了正常运行范围。从运行曲线中，有理由判断长期的机组轴振超标导致L4轴瓦瓦振严重超标，加之SSS离合器的频繁动作，最终导致应力传至集电环正负极，造成正极部分碳刷和滑环接触不良，另一部分碳刷承担的电流变大，造成局部过热，最终造成环火。

从全国同类型机组看，郑州燃机、厦门燃机和萧山燃机都曾发生过集电环烧损情况，烧损部位都是集电环正极，并且靠近发电机侧的部位，可见该型集电环可能在设计和制造上就存在缺陷[3]，具体体现在以下方面。

a.刷架布局设计和安装方式不合理。由于汽轮机、发电机、燃机同轴布置，滑环轴内需要穿过汽机联轴器，滑环直径不得不加大，常规火电厂滑环轴直径一般为350 mm，单轴燃机为500 mm，这就导致滑环线速度变高，更容易使碳刷发热打火。同时这种刷架设计，碳刷被绝缘板封闭在刷架内，观察不到碳刷和滑环结合面的情况，无法发现早期碳刷的打火，只有等范围扩大时才能发现。

b.碳刷电流密度过大。该电厂发电机额定励磁电流3422 A，平均每只碳刷分摊电流95.1 A，NCC634型碳刷通过电流一般不要超过100 A，加上碳刷负温度系数导电特效影响，导致机组高负荷时，碳刷分担电流大，当部分碳刷接触不良时，其他碳刷有可能因为过流导致超温。

c.刷握压簧设计不合理。刷握压簧采用非恒压弹簧，在碳刷磨短过程中碳刷压力变化较小，造成电刷与滑环接触不稳定，接触压降增大，碳刷过热，同时由于碳刷批次不同，造成刷握压簧压力不均匀，致使各电刷电流分布不均。

d.刷架和刷握制造工艺粗糙。刷握和刷架上的刷盒采用卡式固定，二者之间无紧固装置，仅靠接触导电，所以对其接触面的加工工艺要求很高，目前国内生产的刷握和刷架的加工工艺较差，运行中存在碳刷卡涩可能，加剧了电刷电流的不均匀及电刷发热。

4 暴露问题及改进措施

a.设计和制造存在缺陷，主要体现在刷架和刷握结构设计不合理，制造工艺粗糙，运行中存在卡涩可能；刷握压簧采用非恒压弹簧，碳刷设计电流密度偏大；刷架安装和固定方式不合理等方面。后期一方面与厂家商讨刷架、刷握改进方案，从根本上消除隐患，防止类似事件的再次发生，另一方面增加在线监测措施，在集电环罩壳内和进出风道处安装温度测点，送至DCS进行温度监视，增加发电机滑环温度高报警信号(转子温度大于90 ℃)，保证运行人员能在第一时间发现故障信号，并采取处理措施，防止事故扩大。

b.机组轴系振动超标，该电厂2号机组轴系振动超标问题已存在多时，主要由高压缸引起，在轴系振动超标未得到彻底解决前，需要强化风险管控措施，当振动有持续增大趋势时，及时调整顶轴油压将振动控制在正常范围内，同时建立轴系振动、发电机L4、L5轴承振动、滑环温度的复合评估体系[4]，当三者都超过一定值时，应果断降低机组负荷。

c.设备维护巡查不到位，电厂人员日常维护质量不高、巡检频次不够，未能有效监测集电环表面及刷握的温度变化情况，导致设备异常未能及时发现、处理。应加强对电刷及滑环的日常维护巡查，每班次对电刷及滑环进行检查，用红外热成像仪监测碳刷(刷握)、刷辫及滑环的表面温度，测量碳刷长度，并作好分析记录；每周对电刷接触、磨损、弹簧压力及电刷的卡阻情况进行检查调整，当电刷磨损至小于1/2时及时更换[5]；每半月定期清理滑环罩壳风道滤网、滑环、刷架及刷握内的碳粉和灰尘等，保持滑环系统清洁，通风良好。

5 结语

本文对某燃机电厂一起发电机集电环烧损事故分析进行了分析，详细阐述了检查过程和分析思路，并根据暴露出的问题，提出了改进措施，对采用相同形式集电环的燃气机组具有借鉴意义。