程義巖
(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)
秦山一廠主發(fā)電機(jī)是一臺(tái)350 MW的靜態(tài)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組,勵(lì)磁電流由靜態(tài)勵(lì)磁柜發(fā)出經(jīng)由電纜、碳刷和集電環(huán)將勵(lì)磁電流輸送到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中。這其中電刷是靜態(tài)的,集電環(huán)是動(dòng)態(tài)的,電刷和集電環(huán)是一對(duì)動(dòng)、靜部件的結(jié)合體,也是整個(gè)勵(lì)磁回路中容易出現(xiàn)故障的薄弱環(huán)節(jié)。在汽輪發(fā)電機(jī)行過(guò)程中勵(lì)磁電流通過(guò)每極40個(gè)碳刷(正極40個(gè),負(fù)極40個(gè))與集電環(huán)共同承載著額定1 921 A的勵(lì)磁電流,當(dāng)集電環(huán)是以3 000 r/min高速旋轉(zhuǎn)時(shí),如果碳刷和集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)劣化可直接導(dǎo)致碳刷和集電環(huán)的燒毀,近年來(lái)其他電廠因碳刷和集電環(huán)運(yùn)行狀態(tài)不佳而導(dǎo)致集電環(huán)燒毀的事件已有發(fā)生。碳刷和集電環(huán)的燒毀只是結(jié)果,究其原因是有很多因素導(dǎo)致的,對(duì)此必須要找出其根本原因和促成要素,并加以改進(jìn)杜絕此類事故的再次發(fā)生,確保核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
2020年8月4日中午11時(shí)30分,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)出第一次一點(diǎn)接地報(bào)警,11時(shí)42分,集電環(huán)發(fā)生環(huán)火,發(fā)電機(jī)跳閘停運(yùn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)碳刷燒毀、刷架燒溶、風(fēng)扇負(fù)極側(cè)嚴(yán)重變形和正、負(fù)極集電環(huán)、燒毀嚴(yán)重,導(dǎo)風(fēng)罩已經(jīng)碳化分層;環(huán)氧玻璃布板散落,外罩有機(jī)玻璃窗燒容(見(jiàn)圖1)。
圖1 燒毀后的刷架、集電環(huán)及風(fēng)扇Fig.1 Burned brush holder, electric ring and fan
型號(hào):QFS-350-2
功率:350 MW
電壓:18 000 V
電流:12 474 A
接線方式:2YY
相數(shù):3
頻率:50 Hz
轉(zhuǎn)速:3 000 r/min
功率因數(shù):0.9
額定勵(lì)磁電壓:442 V
額定勵(lì)磁電流:1 921 A
絕緣等級(jí):F
1)發(fā)電機(jī)電功率:334 MW;勵(lì)磁電壓:350 V;
2)勵(lì)磁電流:1 560 A;
3)集電環(huán)接地短路時(shí)的峰值電流高達(dá):10 349 A。發(fā)電機(jī)碳刷、集電環(huán)燒毀。
1)集電環(huán)振動(dòng)導(dǎo)致碳刷打火。發(fā)電機(jī)跳機(jī)前24 h,8號(hào)瓦處發(fā)電機(jī)大軸振動(dòng)值(振幅):最大36 μm;機(jī)組大軸振動(dòng)報(bào)警值:125 μm;碳刷振動(dòng):最大2.1 mm/min,這說(shuō)明發(fā)電機(jī)大軸、集電環(huán)在運(yùn)行時(shí)是平穩(wěn)的,振動(dòng)幅值并無(wú)異常,因此因集電環(huán)振動(dòng)而導(dǎo)致碳刷打火的可能性較小。
2)勵(lì)磁電流過(guò)大。根據(jù)故障錄波情況看,在機(jī)組跳閘前其電功率:334 MW,勵(lì)磁電壓:350 V,勵(lì)磁電流:1 560 A,均在發(fā)電機(jī)額定工作范圍內(nèi),機(jī)組運(yùn)行期間勵(lì)磁電流過(guò)大的可能性不存在。
3)現(xiàn)有碳刷因質(zhì)量問(wèn)題出現(xiàn)打火。每個(gè)碳刷的電流波動(dòng)在30~104 A范圍內(nèi)(技術(shù)規(guī)范書(shū)),自2017年開(kāi)始同時(shí)使用了兩個(gè)廠家生產(chǎn)的電刷,這兩種碳刷分別為:上海摩根NCC634 上海摩Y NCC634。在事件發(fā)生后,我們對(duì)使用的兩種碳刷進(jìn)行了技術(shù)檢測(cè)(國(guó)家電碳制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心)。
兩種電刷質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果如下:
1號(hào)樣品為:摩根NCC634;2號(hào)樣品為:摩Y NCC634。
根據(jù)檢測(cè)報(bào)告:
(1)肖氏硬度(標(biāo)準(zhǔn)肖氏硬度應(yīng)≥20)
1號(hào)樣品肖氏硬度是20,合格;2號(hào)樣品肖氏硬度是13.5,不合格。碳刷的硬度是碳刷主要的靜態(tài)性能之一。
(2)電阻率
1號(hào)樣品電阻值:24 μΩ·m;2號(hào)樣品平均電阻率:53.7 μΩ·m,這兩個(gè)產(chǎn)品差值較大。2號(hào)是1號(hào)的2.2倍。
(3)抗折強(qiáng)度
1號(hào)樣品:5.2 MPa;2號(hào)樣品:3.7 MPa。
(4)聯(lián)接電阻
1號(hào)樣品電阻:1.3 mΩ;2號(hào)樣品電阻:1.38 mΩ,兩個(gè)數(shù)值均合格。
(5)脫出拉力
1號(hào)樣品與2號(hào)樣品均≥137.6 N,合格。
(6)體積密度
1號(hào)樣品:1.3 g/cm2;2號(hào)樣品:1.25 g/cm2,兩個(gè)樣品基本相同。
從碳刷金相檢驗(yàn)報(bào)告得知2個(gè)樣本的基材都為石墨材料, 1號(hào)樣品中天然石墨含量較多,表面空隙較少,表面孔隙只占面積比約5%左右。2號(hào)樣品中天然石墨含量較少,含有一定量的電化石墨成分,表面空隙占面積比約13%左右,并含有較多數(shù)量的膠質(zhì)物質(zhì)(粘合劑)這也就能解釋了上面的檢測(cè)報(bào)告的結(jié)果,空隙較多導(dǎo)致碳刷的硬度下降,膠質(zhì)較多(導(dǎo)電性差),導(dǎo)致碳刷的電阻率上升,這和前面的檢測(cè)結(jié)果相吻合。說(shuō)明同型號(hào),同規(guī)格不同生產(chǎn)廠家其產(chǎn)品質(zhì)量差異是明顯的。
根據(jù)檢測(cè)報(bào)告和以往的運(yùn)行狀況可知,這兩個(gè)樣品雖然有一定的差別,但在少量使用的情況下不易暴露缺陷,所以摩 Y碳刷從2017年就開(kāi)始少量混用一直未出現(xiàn)異常,在機(jī)組運(yùn)行期間檢修人員每周一次周檢,運(yùn)行人員每班有一次巡檢(每日三次巡檢)過(guò)程中均未發(fā)現(xiàn)碳刷打火等異?,F(xiàn)象,只是2號(hào)樣品的磨損量要大于1號(hào)樣品。
所以在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)因碳刷打火而引起集電環(huán)環(huán)火的可能性較小。
導(dǎo)致碳刷、集電環(huán)溫度過(guò)高的原因有兩個(gè),一是碳刷超過(guò)額定載流量導(dǎo)致電阻熱;二是碳刷的摩擦產(chǎn)生的高溫。
1)運(yùn)行時(shí)碳刷的載流量;按運(yùn)行時(shí)每個(gè)碳刷的平均的載流量是,1 560/40=39 A,遠(yuǎn)小于碳刷的額定80 A的標(biāo)準(zhǔn)(技術(shù)規(guī)格書(shū))。
在歷次的運(yùn)行檢查中未發(fā)現(xiàn)碳刷與集電環(huán)的接觸面低于75%的現(xiàn)象(技術(shù)規(guī)格書(shū)),以及碳刷未出現(xiàn)破損的現(xiàn)象。因此碳刷因過(guò)流產(chǎn)生大量電阻熱導(dǎo)致高溫的可能性很小。
2)壓簧差異導(dǎo)致機(jī)械摩擦產(chǎn)生的高溫
根據(jù):Q=μN(yùn)S可知,N是恒壓簧的壓力,在1.2~1.45 kg,兩種碳刷的摩擦系數(shù)都是μ=1.8,S值相等。之前檢測(cè)恒壓彈簧的拉力都是在合格范圍內(nèi),即1.2~1.45 kg。
Q1/Q2=1.45μS/1.2μS=1.2,由此可知因恒壓彈簧壓力差別而導(dǎo)致的機(jī)械摩擦產(chǎn)生的熱量不足以使碳刷溫度有較大的變化,因此在正常運(yùn)行時(shí)因機(jī)械摩擦而導(dǎo)致的高溫的可能性很小。
每個(gè)集電環(huán)與發(fā)電機(jī)大軸之間都有一個(gè)厚度為8 mm的絕緣套筒(2019年更換的新的絕緣套筒)發(fā)電機(jī)運(yùn)行前絕緣測(cè)試是合格的,在發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間442 V的勵(lì)磁電壓不會(huì)對(duì)絕緣套筒的絕緣構(gòu)造成實(shí)質(zhì)性的損壞,絕緣套筒是由環(huán)氧玻璃布板疊壓制成,這種絕緣材料不僅具有較高的機(jī)械強(qiáng)度同時(shí)具有良好的韌性,絕緣套筒在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生斷裂、破損的可能性很小,所以因運(yùn)行振動(dòng)、磨損而導(dǎo)致兩個(gè)絕緣套筒同時(shí)失效而發(fā)生短路的可能性很小。
在跳機(jī)前曾出現(xiàn)了3次發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警信號(hào),隨后發(fā)生轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地短路,導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘(7 300 A)。這說(shuō)明故障首先出現(xiàn)在勵(lì)磁系統(tǒng)的一點(diǎn)接地故障上。從發(fā)電機(jī)發(fā)生的集電環(huán)燒毀的現(xiàn)場(chǎng)情況看,在負(fù)極集電環(huán)下面絕緣套筒被燒出一個(gè)100 mm×200 mm的缺口并在此處呈現(xiàn)多個(gè)3 mm左右的凹坑,此處為大電流放電所致如圖2所示。正極集電環(huán)絕緣套筒絕緣完好,無(wú)放電痕跡。
圖2 負(fù)極集電環(huán)下絕緣套及鋼套燒毀情況Fig.2 Burning of insulating sleeve and steel sleeve under negative electric ring
負(fù)極集電環(huán)所對(duì)應(yīng)的邊緣處也被燒出一個(gè)100 mm的缺口,如圖3所示。說(shuō)明此處是集電環(huán)與電機(jī)集電環(huán)鋼套筒(發(fā)電機(jī)大軸)電弧放電之處。
圖3 負(fù)極集電環(huán)內(nèi)側(cè)與鋼套電弧放電處Fig.3 Discharge point at the arc between the inner side of the negative electric ring and steel sleeve
根據(jù)集電環(huán)解體后發(fā)現(xiàn)集電環(huán)絕緣套筒內(nèi)側(cè)除缺口部分外,其他部位沒(méi)有發(fā)現(xiàn)絕緣層被電擊穿及絕緣套筒過(guò)熱的跡象,如圖4所示。因此可以說(shuō)明因集電環(huán)過(guò)熱而導(dǎo)致絕緣套筒絕緣失效的可能性很小。
圖4 負(fù)極集電環(huán)絕緣套筒內(nèi)側(cè)Fig.4 Inside of the insulating sleeve of the negative electric ring
(1)碳刷室的冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)對(duì)絕緣的影響
發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)碳刷室需要通風(fēng)冷卻,在正、負(fù)集電環(huán)中間配有一個(gè)高效的離心風(fēng)扇,能提供足夠的冷卻風(fēng)量,帶走碳刷磨損下來(lái)的碳粉顆粒和集電環(huán)及碳刷等產(chǎn)生熱量,使它不超過(guò)額定工況下的溫度限值。而冷卻的進(jìn)、出風(fēng)管道在集電環(huán)下側(cè),采用下進(jìn)下出的通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu),冷卻風(fēng)的流向模型如圖5所示。由于進(jìn)風(fēng)口在正極集電環(huán)和碳刷的下方,進(jìn)風(fēng)直接吹向正極集電環(huán)且進(jìn)風(fēng)量充足,風(fēng)路很通暢及時(shí)帶走正極室的熱量和碳粉顆粒。而負(fù)極室的進(jìn)風(fēng)口主要是由底部的兩個(gè)φ100 mm的管道輸送,但由于每根進(jìn)風(fēng)管又穿了3根φ30 mm的勵(lì)磁電纜這就導(dǎo)致每根進(jìn)風(fēng)管的截面積減少了27%,直接影響了到負(fù)極室的進(jìn)風(fēng)量,由于負(fù)極室的進(jìn)風(fēng)量減少導(dǎo)致負(fù)極室的溫度在正常情況下比正極室的溫度高出5 ℃左右。
圖5 碳刷室冷卻風(fēng)的流向模型Fig.5 The flow direction model of the cooling air in brush chamber
(2)冷卻風(fēng)油污對(duì)絕緣的影響
碳刷室的冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng),它與外界是相通的,它的空氣進(jìn)氣口在汽輪機(jī)輔機(jī)廠房層,在這個(gè)廠房里存在有油氣、潮氣和灰塵等混合氣體,這些物質(zhì)形成的氣溶膠,彌漫在空中,當(dāng)這些氣溶膠被吸入到進(jìn)氣口時(shí),在進(jìn)口濾網(wǎng)上滯留了比較嚴(yán)重的黑色的油質(zhì)污漬。但是還有相當(dāng)部分的油性污染物被吸入到發(fā)電機(jī)的碳刷室內(nèi)。當(dāng)油氣通過(guò)進(jìn)風(fēng)管道被送進(jìn)碳刷室后,大部分被離心風(fēng)扇抽走排到出口排除,另有一部分隨氣流在室內(nèi)循環(huán),在負(fù)極室引進(jìn)氣量不足而導(dǎo)致負(fù)壓現(xiàn)象,會(huì)有一部分氣流向下流動(dòng)形成回旋氣流,其中一部分回旋氣流被集電環(huán)底部的進(jìn)風(fēng)孔抽回到集電環(huán)中間出口區(qū)域,隨后又被流動(dòng)的氣體重新帶到離心風(fēng)扇入口附近而形成一路循環(huán)氣流。而在集電環(huán)底部絕緣套的外沿區(qū)域存在著軸向渦旋氣流,而這些氣流流速度相對(duì)較低,油氣分子容易被粘附在風(fēng)扇內(nèi)側(cè)、集電環(huán)絕緣套外沿處和底部進(jìn)風(fēng)口這個(gè)區(qū)域內(nèi)使得絕緣下降。如圖6所示。
圖6 負(fù)極室內(nèi)空氣流動(dòng)方向Fig.6 The air flow direction in the negative electrode room1—負(fù)極室氣封;2—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸;3—風(fēng)扇鋼套筒;4—集電環(huán)鋼套筒;5—離心風(fēng)扇罩;6—負(fù)極室進(jìn)風(fēng)管;7—集電環(huán)絕緣套;8—同軸離心風(fēng)扇
(3)集電環(huán)絕緣套筒對(duì)地短路原因分析
由上述碳刷的檢測(cè)報(bào)告可知,2號(hào)樣品的硬度偏小,內(nèi)部孔隙較大,耐磨性相對(duì)較差,整體性能較低,更容易磨損而產(chǎn)生出較多的碳粉顆粒。這些被磨損下來(lái)的碳粉顆粒順著集電環(huán)的的導(dǎo)風(fēng)槽被流動(dòng)的氣流帶到風(fēng)扇側(cè),這些顆粒大部分被氣流帶出碳刷室,但有一部分被下旋氣流帶到集電環(huán)底部區(qū)域,此時(shí)的風(fēng)速相對(duì)較低,碳粉顆粒所具備的動(dòng)能減少,由于這個(gè)區(qū)域有被油污污染,所以碳粉顆粒更容易在此處被吸附。當(dāng)油污和碳粉顆粒積累到一定程度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致集電環(huán)絕緣電阻下降,當(dāng)集電環(huán)絕緣套筒外沿的絕緣電阻下降到一定程度時(shí),就會(huì)發(fā)生爬電現(xiàn)象,爬電發(fā)展到一定程度就會(huì)發(fā)生閃絡(luò)(間接電弧短路),即:繼電保護(hù)發(fā)出接地報(bào)警信號(hào),電弧閃絡(luò)會(huì)產(chǎn)生煙塵,電弧閃絡(luò)同時(shí)會(huì)使絕緣套表面出現(xiàn)碳化現(xiàn)象,碳作為導(dǎo)體會(huì)使得絕緣電阻進(jìn)一步降低,最終發(fā)生電弧接地短路現(xiàn)象,短路電弧造成發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路對(duì)地短路,此時(shí)的短路電流的峰值高達(dá)到10 349 A,勵(lì)磁過(guò)流保護(hù)動(dòng)作,勵(lì)磁接地短路跳閘電流為7 300 A。電弧短路會(huì)產(chǎn)生的上千度高溫將絕緣套筒爬電處瞬時(shí)燒穿,同時(shí)電弧高溫將碳刷室內(nèi)的絕緣板和隔板引燃并產(chǎn)生大量的煙塵,在碳刷室這個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境里,這些煙塵會(huì)嵌入集電環(huán)與碳刷之間造成接觸不良,進(jìn)而造成碳刷打火而形成集電環(huán)環(huán)火現(xiàn)象,過(guò)大的短路電流也是造成集電環(huán)環(huán)火的原因。而在勵(lì)磁回路發(fā)生接地短路時(shí)短路電流高達(dá)7 300 A,短路電流使得每個(gè)碳刷要承受高達(dá)182.5 A電流,根據(jù)Q=I2RT可知,設(shè)跳機(jī)前每個(gè)碳刷的電阻熱量Q1勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生接地短路時(shí)每個(gè)碳刷的電阻熱量Q2;又因?yàn)镽2=2.2R1,所以Q2/Q1=182.52R2T/392R1T=48,這就說(shuō)明碳刷在短路時(shí)2號(hào)樣本所產(chǎn)生的熱量是1號(hào)樣本正常運(yùn)行時(shí)的48倍以上,這一系列因素足以造成集電環(huán)環(huán)火,碳刷燃燒和銅刷架的燒溶(銅的熔點(diǎn)1 083 ℃,碳刷的燃點(diǎn)1 000 ℃)。機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)碳刷的工作溫度一般在50~90 ℃,就以碳刷50 ℃為例,碳刷溫度超過(guò)48倍是2 400 ℃完全超過(guò)碳刷的燃點(diǎn),2號(hào)樣本碳刷是最先燃燒起來(lái)而導(dǎo)致碳刷到了無(wú)法辨認(rèn)的程度。綜上所述可以初步判,集電環(huán)絕緣套筒因爬電而導(dǎo)致電弧接地短路,短路電流引起集電環(huán)環(huán)火、碳刷燃燒和刷架的燒溶,電弧高溫造成離心風(fēng)扇負(fù)極側(cè)嚴(yán)重變形。因短路點(diǎn)發(fā)生在負(fù)極側(cè),所以負(fù)極室燒損更為嚴(yán)重。
(4)質(zhì)量不穩(wěn)定碳刷對(duì)集電環(huán)絕緣套筒的影響
在負(fù)極集電環(huán)側(cè)使用2號(hào)碳刷數(shù)量比正極側(cè)多,由于2號(hào)碳刷自身品質(zhì)的原因其耐磨性較差,更容易磨損(會(huì)產(chǎn)生較多的碳粉顆粒),2號(hào)碳刷的電阻率是1號(hào)的2.2倍,當(dāng)電流增加時(shí)就更容易發(fā)熱,抗折強(qiáng)度2號(hào)低于1號(hào),極端情況下更容易破損。
集電環(huán)的絕緣套筒是隔絕集電環(huán)與發(fā)電機(jī)大軸的絕緣部件,其外沿部位就是防止爬電而設(shè)計(jì)的,但當(dāng)油污和碳粉積累到一定程度會(huì)導(dǎo)致其絕緣失效,造成發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路接地事故。
(5)上海某廠的碳刷2017年開(kāi)始使用,為什么到現(xiàn)在才暴露出問(wèn)題
我們根據(jù)對(duì)該廠的碳刷檢測(cè)報(bào)告得知,該廠的碳刷質(zhì)量是不穩(wěn)定的,如果是少量的混用就不容易暴露缺陷,這次正極使用某廠碳刷較少(7.5%)而負(fù)極使用了某廠的碳刷較多(25%),碳粉顆粒的累計(jì)也有一個(gè)時(shí)間過(guò)程。正是這些諸多因素導(dǎo)致了這起事故的發(fā)生。
1)使用質(zhì)量更加穩(wěn)定的碳刷,減少碳粉顆粒的產(chǎn)生。
2)在不改變絕緣套筒外沿長(zhǎng)度的情況下,在外沿部位增設(shè)防爬電溝槽以增加其爬電距離,風(fēng)扇側(cè)爬電距離由28 mm增加到40 mm,增加了43%,汽側(cè)端的爬電距離由31 mm增加到37 mm,增加了19%。如圖7所示。
圖7 改進(jìn)后集電環(huán)絕緣套外沿的結(jié)構(gòu)Fig.7 The structure of the improved outer edge of the collector ring insulating sleeve
由于發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí),集電環(huán)絕緣套筒得外沿部位存在著兩個(gè)軸向氣流和一個(gè)縱向氣流,這3種氣流在槽凸和槽底會(huì)形成壓差擾動(dòng),就使得碳粉顆粒很難在曹凸處滯留,確保絕緣的有效性。
3)在集電環(huán)絕緣套筒安裝好后,在其外沿部分涂刷絕緣漆并進(jìn)行拋光處理以減少絕緣套外沿的表面粗糙度,減少油污和碳粉附著的可能性。
4)增加負(fù)極碳刷室底部進(jìn)風(fēng)通道,增加通風(fēng)量,使通風(fēng)速度和流量增加,帶走更多的碳粉顆粒。
5)安裝更有效的進(jìn)氣濾網(wǎng),增加清洗濾網(wǎng)的頻度,已達(dá)到減少油氣進(jìn)入碳刷室的機(jī)率。
通過(guò)以上措施能有效的避免集電環(huán)絕緣套筒絕緣失效的可能性。
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地短路事故對(duì)電廠來(lái)說(shuō)是非常嚴(yán)重的事故,不僅給發(fā)電機(jī)造成嚴(yán)重的損壞,也給電廠造成很嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,通過(guò)對(duì)這起事故現(xiàn)象的深入分析,找出事故的根本原因和促成因素,針對(duì)這些問(wèn)題,采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施。避免以后類似的事故的再次發(fā)生,確保核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)也給類似機(jī)組的其他電廠和發(fā)電機(jī)設(shè)備制造廠提供一些可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。