发电机集电环着火故障分析及防范措施.pdf

2 0 0 7年 2月 第 3 5卷 第 1期 总第 1 8 8期 Fe b． 20 0 7 Vo 1 ． 3 5 No．1 Se r ． NO．1 8 8 发电机集电环着火故障分析及防范措施 Ana l y s i s o f Li gh t i n g up o n Ge n e r a t o r Co l l e c t i ng r i ng a n d i t s Pr e v e n t i o n 徐景彪 ， 贾振华 ， 狄福仁。 1 ． 吉林 省 电力 有 限公 司 电力科 学研 究院 ， 吉林 长 春 1 3 0 0 2 1 ； 2 ． 大唐辽 源热 电有限 责任 公 司 ， 吉林辽 源 1 3 6 2 0 0 ； 3 ． 大唐 长 山热 电厂 ， 吉林松 原 1 3 1 1 0 9 摘 要 针对 发电机集 电环 着火这一严 重威胁机 组安全运 行 的多 发性 故障 ． 结合 实际案例 ， 分析 了该故障 的发生 、 发展过程机理 ， 从技术 上提 出 了防范措施 ， 即在机组 的 D C S中． 引入计算和逻辑 判断 ， 做一个针对集 电环环火 的告 警组态 ， 提前发现励磁碳刷环 火 ， 并及 时通 知运行人员 。通过现场应用 ． 效果 良好 。 关键词 集电环 ； 发电机 ； D C S ； 告警组态 中图分 类号 T M3 1 l 文献标识码 B 文章 编号 1 0 0 9 5 3 0 6 2 0 0 7 0 1 0 0 4 5 0 3 发 电机 集 电环装 置是 发 电机 本体 的薄 弱环 节之 一 ，它将静止励磁 电流提供给旋转 的发 电机转子绕 组励磁电流 ， 结构为 集电环转轴、 刷握和刷架、 集电 环风扇及通风系统 和电刷 。因集电环着火故障而引 起的机组非停事故在 国内曾发生多次， 吉林 省最 多 时 1年就发生了 3起 ， 而且事故后的恢复时间长 ， 财 产损失巨大 ， 因此对这类事故必须要严加防范。 1 事件经过 2 0 0 5年 4月 1 9日4时 1 8分． 某电厂运行 中的 2号 1 0 0 Mw 发电机， 因集电环严重 冒火 ， 致使铜质 碳刷架全都熔化， 被迫 由运行人员紧急打闸停机 ， 造 成非计划停运故障 。在停机后对集电环部分解体检 查发现 转子正集电环旁 的风扇下边沿 ， 靠近集电环 侧， 有大面积被电弧烧损 的痕迹 ； 测量转子线圈对发 电机大轴的绝缘 电阻为零； 在转子正极集电环下 ， 靠 近风扇座侧， 其绝缘垫的绝缘被烧坏 ， 在所对应 的发 电机转子 的大轴上 ， 被电弧烧蚀出一个轴 向长 宽 深 1 8 c m1 0 c m0 ． 8 c m 形状不规则的“ 坑” 。 1 ． 1 机组有关基本参数 发 电机转子线圈直流 电阻 0 ． 1 4 5 2 n 3 2 C ； 0 ． 1 7 1 0 n 7 0 C 。 2号 机组 故 障前 的 主要运 行 参 数 有 功 功率 8 O Mw ； 无功功率 5 MVa r ； 机端电压 1 0 ． 1 8 k V； 励 磁 电流 9 7 0 A； 励 磁 电压 1 6 0 V。 1 ． 2 机组 的励 磁 方式 自并励方式 ， 微机励磁 自动调节器 。 该系统具有 毫秒级的电压 、 电流响应速度。 2 故障原 因分析 该机组是俄罗斯产进 口机组， 其制造工艺粗糙。 自投运以来 ， 就存在励磁碳刷磨损量大的问题 ， 年磨 损量达 2 0 0多块 ， 而相同容量的机组 ， 正常磨损量应 不到 1 0 0块。此次事故就是 因为转子 的励磁碳刷运 行 中先产生环火， 由于发现和处理不及时 ， 最终转化 成了发电机励磁回路两点接地 ， 而被迫停机。 可以把 该故障按时间序列划分成 3个阶段来描述 。第 1阶 段 集电环环火形成的初始 阶段 ， 时间约为1 4 mi n ； 第 2阶段 集电环环火的发展 、 恶化 阶段 ． 时间约为 1 l rai n ； 第 3阶段 发生发电机励磁 回路两点接地至 打闸停机阶段 ， 时间约 7 2 S 。 图 1 是 D C S中记 录的故障发生 、 发展和结束过 程 中相关参数的波形 ， 图 2是故障位置及等效 电路 示 意 图。 机组正常运行时 ， 碳刷与集电环之间的接触 电 阻 R。 很小 ， 可以忽略不计 。故障前 3 0 rai n ， 发电机 转子回路总电阻是 0 ． 1 6 5 Q， 等值 电路 中的 R 一0 ； R， R C X D 。 收稿 日期 2 0 0 6 1 2 1 4 作者简介 徐景彪 1 9 5 8 一 ， 男， 高级工程师 ， 现从 事励磁 及保护工作 。 45 维普资讯 维普资讯 2 0 0 7年 2月 第 3 5卷 第 1 期 总第 1 8 8期 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r Fe b．2 0 07 Vo 1 ． 3 5 No ． 1 S e r ． No ． 1 8 8 图 2故 障 位 置 及 涉 及 范 围等 效 电 路 ,--I 意 图 尺 。 尺。 的电阻是 0 ． 2 6 6 n， 而弧光电阻 尺。 要远小 由于碳刷环火变大 ， 使得励磁 回路的总电阻增大， 励 于 尺。 ， 二者至少要差一个数量级 ， 因此可以推断 尺。 磁 电压会上升 ， 所对应的励磁 回路总电阻电阻曲线 的电阻约为 0 ． 2 3 0 n， R 。 的电阻是 0 ． 0 3 6 Q。 此时流 就与励磁电压曲线的形状几乎完全相同。 过 B点的电流约为 4 1 6 A， 这种状态持续 了4 3 s 。 最 转子电压与转子电流的 比值 ， 机组在负载情况 后短路点 B在短路电流的作用下 ， 烧蚀 的面积进一 下运行时， 由于电枢反应电势的去磁作用 ， 和转子线 步加大 、 加深 ， 最终转化成 了近似于金属性接地 ， 尺。 圈温度等因素 ， 使得励磁 电压与励磁 电流的关系是 的电阻已趋近于零 ， 这时励磁电压就又下降了一个 非线性的， 而且发 电机 的负荷越大 ， 则 越大 ， 偏差 台阶， 降到了 2 1 0 V。经推算 ， 此时的电阻 R。 R 。 △U也就越大。 也就是说 ， 励磁 回路中的电阻不能用 是 0 ． 0 9 3 n， R。 的约为 0 ． 0 7 0 n， 这时流过 B点的电 一个常数来代替。 经统计大量机组数据 ， 可以提出一 流约为 6 6 5 A， 即 9 2 0 A 的励磁电流 7 2 ． 3 是通过 个计算转子回路电阻 尺 的经验公式 短 路 点 B 流 入 转 子 线 圈 注 在 机 组 解 列 的 前 5 mi n， 运行人员进行 了减有功功率操作 ， 使励磁电 压 、 电流比故障前有所减少 。1 5 s后机组与系统解 列， 发 电机空载运行。又经过了 1 3 s ， 发电机灭磁开 关动作灭磁 ， 至此故障结束 。 3 技术 防范措施 在机组 的 DC S中， 可 以引入计算 和逻辑判断 ， 做一个针对集 电环环火的告警组态 ， 以提前发现励 磁 碳 刷环 火 ， 并 及 时 通 知运 行 人 员 ， 如 果 处理 得 当 ， 就不会造成打闸停机 的严重后果 。 3 ． 1 经 验公 式 通过图 2可 以看 出， 在故障的初始阶段 ， 转子电 压发生了 1 0余次波动， 励 磁电流没有变 ， 而励磁 电 压发生波动， 是励磁碳刷与集 电环之 间的接触 电阻 尺 f ， Q 1 方式 为励磁 电流， Q为无功功率 。 3 ． 2 逻辑组 态 利用该经验公式 ， 可 以计算 出机组正常运行时 各种工况下的转子 回路 电阻 R ， 再用这个 电阻与转 子 回路的测量电阻 尺 进行 比较 ， 若 R ／ 尺 5 ， 则 说明转子 回路出现 了异常， 即励磁碳刷出现环火使 碳刷与集电环之 间的接触 电阻增大， 这时应立即告 警。以 4月 1 9日的故障为例 ， 可提前 3 0 mi n发现励 磁碳 刷 环火 。 目前 ， 分散式控制系统 D C S 已广泛地应用 于 运行机组 中， 而且具有在线组态和在线修改的功能 ， 一 般模拟的量采样速率是 2 5 0 ms 。可以利用这些条 件在 DC S系统 中做一个告警组态 ， 具体逻辑如图 3 所示 ， P 为机组实际负荷的标 幺值。 在 DC S中实现这个组态是很容易的， 关键在于 5 0 c ／ l i f 算 R ， l ， Q 一 R ,／ R, 1．0 6 H连 。 卜 机 组 并 l叫 r- RI 1／11 I 图 3 D O S告警 组态 具体 逻辑示意 图 下转 第 4 9页 47 维普资讯 2 0 0 7年 2月 第 3 5卷 第 1期 总 第 1 8 8期 Feb． 2 0 07 V0 1 ．3 5 No．1 Se r ． No． 1 8 8 油位设计规定与镜板上平面和紊油板平齐。 目前没 有规 程规定推 力油位 的具体 高度 ． 有 的浸至 镜板 2 ／ 3处 ， 有的则浸至镜板 1 ／ 2处 。 从小山电站 2 号机 组运行时推力瓦温来看 ， 在各种工况下推力瓦温均 能稳 定 在 3 5 C以 内， 而推 力 瓦温 的 报警 温 度 为 6 O C， 温度上升空间较大， 因此经过认真分析 ， 决定 将推力油位降低至镜板的 1 ／ 2处 见图 1 。 镜 图 1轴 承 密 封 结 构 图 油位降低后 ， 进行为期 1个月的监视 ， 从而了解 瓦温及漏油量的变化 。 从运行记 录看， 推力瓦温没有 发生改变 ， 而碳刷打火次数明显减少， 说 明推力漏油 量有所减小 ， 但仍存在一定的漏油现象 ， 这就需要从 其他途径进行处理 。 2 ． 2 改变密封结构 2 0 0 5年 2号机组 B级检修期 间， 对推力油槽底部漏 油 问题 进行 了针对性 的处理 。共 提 出如下 3个处 理 方 案 一 是 在螺 纹 内添加 密封 胶 ， 对 螺 纹 密封 ； 二 是 对 油槽 漏 油 点 C 焊 接 ； 三是 在螺 栓 后 侧 重新 加工 密 封 槽密 封 。 第 1种处理方法 由于密封点较多， 无法保证所 有密封的严密性 。 此外 ， 挡油管焊接后不利于机组检 修 ， 同时避免不了焊接过程中产生夹渣及焊接变形． 因此采 用重 新加 工密 封槽 的方 法 。 密封槽位置的选择 如在推力油槽底部加工密 封槽， 检修现场不具备车削条件， 同时由于油槽底与 上机架为一个整体， 无法将上机架运至加工厂处理 。 经过仔细研究并结合现场实际情况， 将 密封槽开在 挡 油 圈 上 ， 通 过 计 算 在 挡 油 圈 内侧 加 工 了 1道 1 0 mm6 mm 的密封槽 ， 考虑到密封胶圈 1 O 9 ／ 6 ～ 1 5 ％的压缩量 ， 选用 8 ． 5 mm 的密 封条进行 密封 密封槽位置如图 1所示 。由于原密封槽与新加工 的密封槽尺寸不一致 ， 取消了原密封 ， 仅利用新的密 封槽密封 。 为验证新安装密封的严密封性 ， 在设备 回 装前对油槽进行 了煤油渗漏试验， 未发现有渗漏现 象 。 检修结束后 ， 将推力油位注到镜板的 1 ／ 2处， 机 组投入运行 ， 经过一阶段运行观察 ， 推力轴承各部瓦 温稳定 ， 推力漏油现象消除。 3 结语 通 过 以上 2个 方 面 的处 理 ， 小 山 电 站 2号 机 组 推力轴承漏油 问题得 到了根本的解决 ， 机组检修后 运行至今止 ， 2号机上机架处没有发现油污痕迹， 滑 环没有再发生打火现象 。 针对 2 号机 组 推力 油 槽 密封 结 构 缺 陷 ， 利用 编辑郝竹筠 帚 庐 _量辟 ， 癌 喜 矿 上接 第 4 7页 经验公式 的获取。严格地说 ， 计算电阻 R 与很多复 杂的因素有关 ， 如机组 的运行工况、 机组 的励磁回路 结构及调节器性能等， 所以它 只能用经验公式来计 算。为检验这 个经验 公式 的正确 性， 可 以把 K R ／ 尺 作 为一 个 临时变 量 ， 放在 D C S中显示 并存 贮 ， 要求机组在不 同工况运行下 ， 值 的变化范 围 在1 ． 0 2 ～0 ． 9 8 之间。 为了使这个经验公式更精确 ， 还 需要用大量的机组历史运行参数的数据来验证 。 此次故障是由于励磁碳刷磨损严重 ， 运行 中造 成集电环环火 ， 由于发现不及时， 对事故的处理方法 不当， 使故障扩大并最终转化为发电机转子两点接 地， 造成机组被迫停机。 在 DC S中增加一个转子回路异常告警组态， 可 以在集电环环火 的初期， 发出告警信号 。若处理及 时， 则可避免因此而引起 的停机事故的发生。 编辑李健平 49 维普资讯