发电机是发电厂非常重要的主设备，它的运行可靠性直接影响电力系统的安全稳定运行及向用户安全经济供电。2013年以来，内蒙古的几个发电厂相继发生了发电机集电环、碳刷故障引发的机组非计划停运事故，其中，某发电厂的事故情况比较严重，不仅发电机集电环、碳刷烧损，而且还造成发电机大轴损伤。

1 事故的发生1.1 事故经过

2013-01-30T02：23，内蒙古某发电厂巡检人员发现发电机碳刷与集电环处有火花产生，02：40降负荷；02：55，巡检人员发现碳刷与集电环处火花增多；发电机无功摆动，继续降负荷，停E磨；03：06，发电机碳刷与集电环处冒火。向相关调度部门申请后打闸停机，运行人员切换6 kV厂用电由启动备用变压器供电，将6 kV工作Ⅰ、Ⅱ段快切装置出口关闭。投入发变组保护A、B柜“起停机保护”、“突加电压”、“1DL 断口闪络”、“2DL 断口闪络”保护压板。03：11，负荷为136 MW，2号瓦振动快速上升至180 μm且继续上升，高压缸后支持轴承金属温度快速上升至97 ℃，启动交流油泵，顶轴、盘车联动正常。开低压缸喷水阀，本体疏水阀，高、中压调门前后疏水阀，再热汽（冷、热段）疏水阀、抽汽电动门前后疏水阀。汽轮机手动打闸。

1.2 发电机参数

该发电厂的发电机为早期国产产品，型号为GFSN-330-2，容量330 MW，额定电压20 kV，额定电流11.2 kA，发电机的励磁形式为机端自并励，额定励磁电压420 V，额定励磁电流2376 A。

1.3 故障现象

（1） 在隔音罩边缘、顶部，集电环的风扇、基座周围发现有被甩出的玻璃丝布及玻璃丝布绒线，在风扇内也发现有玻璃丝布绒线，出风口的滤网被烧煳的绝缘物堵塞。

（2） 转子绕组负极的10组碳刷（包括刷握）及集电环均有不同程度的损坏，集电环冷却风扇的北侧挡风板下部烧损（见图1）。

图1(Figure 1)

图1 刷握与碳刷烧损情况

（3） 盘车时用摇表测量集电环与转子大轴的绝缘电阻值为0。

1.4 现场检查结果

盘车停运后检查发现：集电环与大轴间的绝缘套筒烧损（见图2）；集电环表面电灼伤（见图3）；靠风扇侧负极集电环与转子中间的绝缘套筒（约为轴径长度的1/4）损坏，同时向集电环内部延伸大约30mm全部碳化损坏，绝缘套筒其余外露部分（玻璃丝布脱落）厚度变薄。拧开集电环与转子绕组的连接螺栓，测量转子绕组绝缘电阻值正常，集电环与大轴绝缘电阻值为0，因此判断集电环接地。拆除集电环及绝缘套筒发现大轴被电弧严重灼伤（见图4）。汽侧接地碳刷、大轴有电蚀产生，部分大轴（约2/5圆周长度）有不同程度的灼伤（见图5）。汽轮机1号—5号轴瓦电蚀。

图2(Figure 2)

图2 集电环与大轴间的绝缘损坏部位

图3(Figure 3)

图3 电灼伤的集电环

图4(Figure 4)

图4 大轴电灼伤

图5(Figure 5)

图5 汽侧接地碳刷、大轴电灼伤

2 事故原因分析

经分析，本次事故原因是由于发电机集电环与转子间的绝缘套筒存在质量缺陷（玻璃丝布加环氧树脂一层一层叠成，局部存在缺陷或收尾的接头固定不牢）或生产工艺问题（在安装时绝缘套筒的绕制方向与转子的旋转方向相反，当发电机高速运转时，接头脱开、玻璃丝布甩落），在发电机运行过程中突然脱开的玻璃丝布被高速转动的转子风扇打碎后一部分进入风道，另一部分被带入集电环与碳刷间，导致部分碳刷与集电环接触不好，产生火花；而其余的碳刷电流增大，部分碳刷与刷辫的连接处熔断，最终导致集电环温度升高、绝缘物着火。同时，在集电环与转子间绝缘套筒外露部分的玻璃丝脱落情况严重的部位绝缘能力降低，造成集电环与大轴间放电拉弧，绝缘筒和集电环烧损并灼伤大轴。

3 解决措施3.1 现场处理措施

针对本次事故，进行了现场处理，修复了发电机大轴、集电环、碳刷，具体措施如下。

（1） 拆除刷架、集电环、风扇、挡风板、绝缘套筒，用丙酮等有机溶剂清洗转轴及转子轴损伤处，保留损伤处的粗糙面（不得打磨光滑），以便用胶修补；对转子轴损伤处进行着色检查（整圆周），检查是否有裂纹等缺陷；对转子轴损伤凹陷处进行处理，首先将环氧腻子和玻璃丝混匀（或用环氧胶），然后将轴缺陷处抹平并略高于轴表面，固化后用砂纸打磨平整、光滑，用专用工具校正修理处的平整程度。

（2） 配加工绝缘套筒：配制绝缘套筒上的导电螺栓孔（d=90 mm）；测量大轴和绝缘套筒的配合尺寸，根据0~0.06 mm过盈量配车绝缘套筒。

（3） 安装里侧绝缘套筒：用烘箱加热里侧绝缘套筒，温度130~135 ℃，要求升温速度小于15 ℃/h，保温2 h；热套绝缘套筒，应参照导电螺栓的位置调整轴向和圆周位置，套筒自然冷却至室温，不可吹凉。

（4） 测量绝缘套筒和集电环的配合尺寸，过盈量为0.55~0.65 mm，根据实际情况配车里侧集电环内圆，内圆边需倒角；将集电环加热至250 ℃左右进行套装，加热时不得损伤镀银面；套装集电环后冷却至室温。用2500 V摇表测量集电环的绝缘电阻做交流耐压试验：电压7300 V，持续1 min^{[ 1 ]}。

（5） 安装导电螺栓，更换密封圈和锁紧垫片，安装分流环，导电螺栓上铜螺母的拧紧力矩为160N/m。

（6） 热套风扇环：加热风扇环至250 ℃左右，热套风扇环并冷却至室温，注意风扇环的方向不得装错。

（7） 按上述方法安装绝缘套筒并回装外侧集电环，进行电气试验检查；装导电螺栓，更换密封圈；装集电环处的分流环，导电螺栓上铜螺母的拧紧力矩为160 N/m；

（8） 做转子气密试验，要求气压0.4 MPa，持续6 h，压降不大于0.04 MPa，现场气密试验结果合格^{[ 1 ]}。

（9） 装就地车床，车、磨里侧集电环，外圆加工参数为直径d=410 mm，粗糙度Ra=0.8，圆周跳动小于0.05 mm^{[ 1 ]}。

（10） 绝缘套筒包涤纶绳：用丙酮或无水酒精将绝缘套筒露出集电环处（共4处）表面清理干净，并吹干；用直径3 mm玻璃丝绳密实绑扎2层，玻璃丝绳缠绕方向逆向转子旋转方向；在玻璃丝绳上刷53841YQ环氧无溶剂胶（要将玻璃丝绳浸透）；将玻璃丝绳绑扎端头系紧，打牢接头；玻璃丝绳环氧胶固化18~24 h^{[ 1 ]}。

（11） 做转子绕组电气试验：用1000 V摇表测量对地绝缘电阻，电阻值应不小于0.5 MΩ^{[ 2 ]}；测转子绕组交流阻抗、直流电阻并记录。

（12） 装底架、碳刷架；做刷架电气试验：用1000 V兆欧表测量整体对地绝缘电阻，要求测量值不小于1 MΩ；做整体对地交流耐压试验：电压8000V，持续1 min^{[ 1 ]}。

（13） 发电机转子汽端接地电刷应可靠接地，以防止转子轴电流通过发电机7瓦、汽轮机6瓦造成烧瓦事故，运行时要求碳刷与转子本体可靠接触（汽侧接地碳刷处大轴灼伤问题待大修时处理）。为保证接地碳刷接触良好，更换了接地碳刷的安装位置。

（14） 更换了发电机正、负极转子集电环绝缘套筒，负极集电环，集电环冷却风扇的北侧挡风板及绝缘垫块，刷握及碳刷。

3.2 管理措施及建议

（1） 运行和检修部门应配备钳形电流表和手持式温度测量仪，工作人员在巡视时测量每个碳刷的电流及温度，及时解决碳刷碳块产生氧化膜、碳刷卡涩等问题。每个碳刷的电流值控制在基本平衡状态下，温度不高于80 ℃，以保证碳刷在电流平衡状态下工作。当由于碳刷卡涩造成集电环接触面冒火时，应先检查碳刷的电流和温度是否正常，然后取下卡涩的碳刷进行轻度打磨，直至在刷握内能够活动自如，但不要令碳刷在刷握中晃动过大，碳刷若是正方形，也可换方向放入刷握内，这样冒火情况基本能够消除；由于碳刷电流过大引起冒火时，应及时更换温度低、不冒火、不卡涩的碳刷。

（2） 检修部门最好指派专人负责碳刷的维护、更换工作，变被动管理形式为主动管理形式。

（3） 当发电机碳刷温度高时，通常的原因及处理措施为：吸风口或风道堵塞，应尽快疏通风道；碳刷与集电环接触面过小，先将碳刷仔细调整及打磨，使接触面增大；集电环风孔堵塞，先用压缩空气吹扫或用外部其他冷却方式进行降温，待停机后再疏通，或采用四氯化碳清洗集电环；若因碳刷质量原因引起，应尽快更换碳刷，并严把产品质量关；励磁系统过负荷时应立即联系运行人员及时调整励磁系统电流；因机组振动大，碳刷卡涩或破损，应尽快重新打磨和调整碳刷，使碳刷在刷握内能够活动自如。

（4） 在刷握两侧面涂适量导电脂，消除紧力不足引起的导电不良现象。当老式螺旋直压刷握碳刷磨损1/3及新式发电机分体刷握碳刷磨损2/3时必须进行更换，以消除碳刷太短、弹簧压力不足、电阻值变大、卡涩等现象^{[ 3 ]}。

（5） 日常维护非常重要，同1台发电机的碳刷型号应相同，应更换、调整的一定要及时更换、调整。利用钳形电流表测量碳刷的电流分布情况，通过打磨或者调整压簧的压力使碳刷的电流分布趋于平衡。集电环表面积灰太多也不利于运行，应定期清灰。

（6） 更换和调整发电机碳刷时应注意：穿绝缘鞋；工作时必须将衣服和袖口扣好，以免被转动的设备绞伤；禁止两手同时触摸两极或一极对地；严禁两人同时进行碳刷更换工作^{[ 3 ]}。

（7） 经常核查发电机转子接地保护定值，在停机时，若时间允许，做传动发电机转子接地保护试验。

4 结束语

内蒙古某发电厂发电机经现场修复后运行至今，状况良好。虽然本次事故原因为发电机绝缘套筒在设计和生产工艺方面存在问题，但是由于其他原因导致碳刷与集电环接触不良，产生火花直至产生环火，造成碳刷刷辫相继发红烧断，继而引发机组非计划停运的事故也有发生。因此，有必要引起足够的重视，不断从运行实践中总结经验，从发电机的运行、维护、试验、管理等各个环节把好关，避免造成机组非计划停运，确保电力系统安全、稳定、经济运行。