張學(xué)霖

(惠州深能源豐達(dá)電力有限公司， 廣東惠州 516001)

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9E燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障分析及處理

張學(xué)霖

(惠州深能源豐達(dá)電力有限公司， 廣東惠州 516001)

針對(duì)9E燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在啟動(dòng)不到1 000次的情況下出現(xiàn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障，分析其形成原因及共性問(wèn)題，介紹發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障處理方法和工藝材料要求，為具有同類型發(fā)電機(jī)的電廠提供參考。

燃?xì)廨啓C(jī)； 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子； 故障； 處理措施

PG9171E燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組部分采用奧地利ELIN發(fā)電機(jī)公司生產(chǎn)的9A5型發(fā)電機(jī)，汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)采用WX18Z-054LLT型。為滿足地區(qū)電網(wǎng)的實(shí)際需求，9E機(jī)組通常作為調(diào)峰機(jī)組使用，每日兩班制運(yùn)行，形成常態(tài)化。

近年來(lái)9E燃?xì)廨啓C(jī)部分機(jī)組在運(yùn)行10 000～15 000 h、啟動(dòng)次數(shù)不足1 000次就出現(xiàn)一些偶發(fā)性或共性的缺陷，筆者將對(duì)這些發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子缺陷的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出一些處理方法。

1　燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子

1.1 故障現(xiàn)象

ELIN發(fā)電機(jī)公司生產(chǎn)的9A5型發(fā)電機(jī)為隱極式，容量為136 MW，每個(gè)大齒(極)有一繞組，2極(1對(duì)極)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組有2組，每組繞組由若干套同心式繞組組成。每槽的轉(zhuǎn)子繞組有數(shù)匝組成，匝間由匝間絕緣板絕緣。發(fā)電機(jī)為水空冷結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子為空內(nèi)冷結(jié)構(gòu)。

2012年1月，某臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在例行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁機(jī)側(cè)端部繞組絕緣塊有松脫現(xiàn)象，絕緣塊可伸出接觸到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子大軸，見(jiàn)圖1。

圖1　燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣塊松脫

現(xiàn)場(chǎng)拔護(hù)環(huán)檢查，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁機(jī)側(cè)端部?jī)?nèi)槽繞組與外槽繞組通過(guò)絕緣塊進(jìn)行絕緣和固定，隨著槽數(shù)的增加，內(nèi)槽繞組與外槽繞組間安裝的絕緣塊數(shù)量增加，間距增大，見(jiàn)圖2。

圖2　燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子端部繞組結(jié)構(gòu)

絕緣塊為環(huán)氧層壓玻璃布板材質(zhì)，其上表面安裝一塊聚酰胺紙，大小剛好覆蓋絕緣塊表面及一側(cè)繞組表面，兩顆鉚釘將聚酰胺紙鉚固在絕緣塊上。轉(zhuǎn)子裝配時(shí)，將絕緣塊固定在轉(zhuǎn)子端部槽繞組間，起到端部繞組間絕緣及定位作用，絕緣塊上的聚酰胺紙緊貼住一側(cè)繞組表面，安裝完畢后用環(huán)氧玻璃布板將端部繞組覆蓋，綁扎條將環(huán)氧玻璃布板綁扎和固定，熱套護(hù)環(huán)，起到固定轉(zhuǎn)子端部各組件的作用，見(jiàn)圖3。

圖3　綁扎帶綁扎環(huán)氧玻璃布板

檢查發(fā)現(xiàn)，由內(nèi)往外，第三對(duì)槽繞組與第四對(duì)槽繞組左側(cè)第一個(gè)絕緣塊松脫，絕緣塊固定點(diǎn)在第三對(duì)槽繞組上；第五對(duì)槽繞組與第六對(duì)槽繞組左側(cè)第一個(gè)絕緣塊松脫，固定點(diǎn)在第五對(duì)槽繞組上。絕緣塊脫落原因均是用于固定絕緣塊的聚酰胺紙斷裂，斷裂面與絕緣塊和繞組的接觸面平齊。由于絕緣塊沒(méi)有固定支點(diǎn)，在運(yùn)行過(guò)程中逐步松脫。

1.2 故障原因

故障原因有:

(1) 轉(zhuǎn)子在運(yùn)行時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子上裝配的各種附件由于離心力而受到很大的機(jī)械應(yīng)力。在不同的轉(zhuǎn)速下，絕緣塊受到的離心力與轉(zhuǎn)速平方成正比，與半徑成反比，在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，絕緣塊所受到的離心力最大。由于9E機(jī)組的調(diào)峰特性，機(jī)組每日啟停，造成燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣塊上部的聚酰胺紙應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力不斷發(fā)生變化，加速了聚酰胺紙的老化進(jìn)程，最終斷裂，見(jiàn)圖4。

圖4　聚酰胺紙應(yīng)力集中區(qū)

(2) 由于緊固環(huán)氧樹(shù)脂板上的綁扎力不足，聚酰胺紙不能完全與表面的環(huán)氧樹(shù)脂板牢固結(jié)合，造成轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)聚酰胺紙受力不均勻。

(3) 聚酰胺紙強(qiáng)度不足，不能完全承受機(jī)組每日啟停造成的應(yīng)力變化。

基于上述三條原因，致使轉(zhuǎn)子端部繞組絕緣塊出現(xiàn)松脫等故障現(xiàn)象。

1.3 故障處理

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)處理要求較嚴(yán)格，需在現(xiàn)場(chǎng)裝設(shè)防雨棚及相應(yīng)的隔離措施，供發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子抽出后放置。轉(zhuǎn)子處理步驟：

(1) 處理前電氣試驗(yàn)，進(jìn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣、交流阻抗、直流耐壓及直流電阻測(cè)試。

(2) 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子抽出；拆下兩端風(fēng)扇葉片，拆下轉(zhuǎn)子兩端風(fēng)扇環(huán)。

(3) 工頻感應(yīng)加熱器加熱護(hù)環(huán)，拔出護(hù)環(huán)，拆除護(hù)環(huán)絕緣。

(4) 護(hù)環(huán)清理檢查及端部繞組絕緣塊清理。

(5) 對(duì)絕緣塊重新安裝，處理脫落的絕緣塊，更新已斷裂的聚酰胺紙，采用同一材質(zhì)且厚度略有增加的聚酰胺紙以增強(qiáng)其牢固度。

(6) 裝護(hù)環(huán)絕緣，安裝環(huán)氧玻璃布板時(shí)，注意綁扎均勻，使固定絕緣塊的聚酰胺紙與繞組、環(huán)氧玻璃布板牢固接觸。

(7) 電氣試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣合格。

(8) 熱套護(hù)環(huán)、安裝風(fēng)扇環(huán)，安裝風(fēng)扇葉片等均按照規(guī)范要求裝復(fù)緊固。

(9) 電氣試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣、交流阻抗及直流耐壓測(cè)試合格。

(10) 清理護(hù)環(huán)并檢查無(wú)異常。

(11) 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子順利回裝，完好。

2　汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處理

2.1 故障現(xiàn)象

某廠3號(hào)機(jī)組和4號(hào)機(jī)組為WX18Z-054LLT空冷型發(fā)電機(jī)，容量為63 MW。2013年11月，專業(yè)技術(shù)人員對(duì)3號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子端部進(jìn)行孔探檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子端部繞組絕緣塊有部分位移現(xiàn)象，其中勵(lì)磁機(jī)端有10個(gè)絕緣塊移位(共16個(gè))，汽輪機(jī)端有6個(gè)絕緣塊移位(共16個(gè))。繞組端部絕緣塊由兩部分組成，安裝在最下部固定塊通過(guò)滌玻繩綁定在最下部的4個(gè)匝條(下層繞組)上，上部的切向楔開(kāi)口卡在固定塊上，通過(guò)固定塊固定，見(jiàn)圖5。

圖5　汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)端部絕緣塊結(jié)構(gòu)

切向楔起著固定兩側(cè)繞組的作用，保證繞組間相互不竄位。在孔探照片中可以看出，用于緊固固定塊的滌玻繩出現(xiàn)松動(dòng)移位，導(dǎo)致固定塊和切向楔均發(fā)生移位，見(jiàn)圖6。

圖6　端部固定塊移位

由于4號(hào)發(fā)電機(jī)與3號(hào)發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式、運(yùn)行時(shí)間及生產(chǎn)日期等較為一致，屬于同批次產(chǎn)品。2014年1月專業(yè)人員對(duì)4號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子端部繞組進(jìn)行檢查，在對(duì)勵(lì)磁機(jī)側(cè)孔探檢查過(guò)程中，除了發(fā)現(xiàn)8個(gè)絕緣塊存在移位現(xiàn)象外，還發(fā)現(xiàn)兩處存在滌玻繩斷裂導(dǎo)致固定塊脫落的現(xiàn)象。經(jīng)檢查，所有的絕緣塊均向轉(zhuǎn)子中心側(cè)位移。

2.2 故障原因

故障原因有：

(1) 與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況相似，聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)啟停頻繁，繞組由于熱脹冷縮的原因，使絕緣塊整體受力產(chǎn)生位移，固定塊的滌玻繩造成反復(fù)扯拉導(dǎo)致磨損，長(zhǎng)期運(yùn)行后導(dǎo)致滌玻繩松動(dòng)，最終斷裂。而固定塊由于缺少了滌玻繩的固定而出現(xiàn)松動(dòng)脫落，無(wú)法對(duì)切向楔進(jìn)行定位，造成切向楔移位。

(2) 滌玻繩耐磨性不足，不能耐受發(fā)電機(jī)頻繁啟停而導(dǎo)致繞組熱脹冷縮產(chǎn)生的磨損。

(3) 所有的絕緣塊都是向內(nèi)側(cè)(轉(zhuǎn)子中心側(cè))移動(dòng)，原因是發(fā)電機(jī)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)時(shí)外端是負(fù)壓，向內(nèi)抽風(fēng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間積累逐步形成絕緣塊向轉(zhuǎn)子中心內(nèi)移。

2.3 故障處理

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)環(huán)境清潔度要求較高，轉(zhuǎn)子處理過(guò)程改動(dòng)較大，修復(fù)后需高速動(dòng)平衡測(cè)試，電廠不具備高速動(dòng)平衡測(cè)試平臺(tái)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子需抽出返廠維修。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子返廠維修實(shí)施過(guò)程：

(1) 拆開(kāi)整流盤(pán)與電樞間的連接螺栓及三相連接引線。

(2) 中頻加熱扒下整流盤(pán)。

(3) 拆下兩端風(fēng)扇葉片，扒下轉(zhuǎn)子兩端風(fēng)扇環(huán)及護(hù)環(huán)。

(4) 清潔轉(zhuǎn)子端部繞組。

(5) 局部清洗轉(zhuǎn)子本體后按制造標(biāo)準(zhǔn)涂漆。

(6) 對(duì)切向楔進(jìn)行開(kāi)槽強(qiáng)化固定，設(shè)計(jì)制作端部絕緣擋塊支撐架。

按照?qǐng)D7在切向楔上部開(kāi)貫穿型槽，尺寸為8 mm×15 mm。

圖7　切向楔加工

支撐板與切向楔采用同一種材料(EPGC3，環(huán)氧層壓玻璃布板)，長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)子本體及另一側(cè)轉(zhuǎn)子繞組距離向匹配。在支撐板上開(kāi)槽，深度15 mm，寬度與切向楔相匹配。支撐板兩側(cè)開(kāi)通風(fēng)孔，見(jiàn)圖8。

圖8　支撐板與切向楔安裝

(7) 安裝支撐板，固定絕緣塊，做緊密度等測(cè)試。

(8) 熱套護(hù)環(huán)及風(fēng)扇環(huán)，裝風(fēng)扇葉片，熱套勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子。

(9) 清理勵(lì)磁機(jī)電樞繞組間的灰塵及油污后重新浸漆、烘干。

(10) 整流盤(pán)組件檢查及組裝。

(11) 整流盤(pán)整體加熱后套裝至電樞上并連接引線及螺栓。

(12) 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子整體外涂DK222樹(shù)脂絕緣漆。

(13) 試驗(yàn)：①轉(zhuǎn)子整體做動(dòng)平衡試驗(yàn)及超速試驗(yàn)(3 360 r/min)；②動(dòng)態(tài)交流阻抗試驗(yàn)合格(0～3 000 r/min)；③測(cè)量勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組及整個(gè)勵(lì)磁回路所連接的設(shè)備絕緣電阻；④測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻；⑤轉(zhuǎn)子繞組交流耐壓試驗(yàn)或標(biāo)準(zhǔn)允許的同類型試驗(yàn)；⑥測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻。

上述維修方案在廠家得到了如同出產(chǎn)新品一樣的嚴(yán)格實(shí)施，其中的試驗(yàn)也全部合格。

3　故障的危害及措施

3.1 故障的危害

上述提及的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)及汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)，均屬于水空冷型發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子繞組材料均采用含低銀合金的冷拉銅線，雖然含銀銅導(dǎo)線比一般的紫銅線的疲勞極限高[1]，但由于轉(zhuǎn)子端部繞組并未鑲嵌入轉(zhuǎn)子鐵芯齒中，又沒(méi)有鐵芯和槽楔的固定，而只是依靠絕緣塊進(jìn)行固定，而且端部繞組均有圓弧部分，強(qiáng)度比直線部分有所減弱。當(dāng)絕緣塊脫落或移位時(shí)，很有可能導(dǎo)致繞組間支撐力不足，引發(fā)繞組變形。當(dāng)變形情況惡化，繞組間間隙小于繞組間電壓擊穿間隙時(shí)，就會(huì)發(fā)生繞組匝間短路，由此可能導(dǎo)致勵(lì)磁電流激增，嚴(yán)重時(shí)燒壞繞組。繞組變形也可能會(huì)引起轉(zhuǎn)子中心的偏移，而出現(xiàn)振動(dòng)異常等故障現(xiàn)象。

WX18Z-054LLT型發(fā)電機(jī)繞組為槽內(nèi)通風(fēng)冷卻，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子繞組每匝的通風(fēng)口靠近轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸端部，見(jiàn)圖9，當(dāng)固定塊滌玻繩松脫后，導(dǎo)致切向楔存在移動(dòng)的可能，在運(yùn)行時(shí)由于高速旋轉(zhuǎn)及風(fēng)葉導(dǎo)流的作用，往轉(zhuǎn)子中心側(cè)移動(dòng)。當(dāng)切向楔移動(dòng)受導(dǎo)流作用移動(dòng)至轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸端部時(shí)，會(huì)堵住繞組通風(fēng)口，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)子繞組的冷卻，會(huì)導(dǎo)致繞組過(guò)熱，加劇繞組的熱蠕變和轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣的老化。

圖9　汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組通風(fēng)口

3.2 故障的預(yù)防措施

預(yù)防措施有：

(1) 發(fā)電機(jī)制造廠未充分考慮到9E燃?xì)廨啓C(jī)組的調(diào)峰特性，GB/T 7064—2008 《隱形同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求》 中提及在轉(zhuǎn)子的壽命期限中，應(yīng)能承受啟動(dòng)次數(shù)不少于3 000次，對(duì)兩班制調(diào)峰運(yùn)行的電機(jī)，轉(zhuǎn)子在使用壽命期限內(nèi)，應(yīng)能承受不少于10 000次的啟動(dòng)次數(shù)。出現(xiàn)問(wèn)題的發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)未達(dá)到這些限制的啟動(dòng)次數(shù)。用戶應(yīng)在合同中強(qiáng)調(diào)發(fā)電機(jī)的制造工藝應(yīng)滿足調(diào)峰的需求。

(2) 加強(qiáng)孔探檢查，充分利用機(jī)組大小修的檢修時(shí)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子端部繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)絕緣固定塊異?；蚶@組變形等情況及時(shí)處理。

(3) 在條件允許的情況下，可定期進(jìn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路測(cè)試、直流電阻、絕緣電阻、交流阻抗測(cè)試及極間電壓測(cè)試等，均合格后方可運(yùn)行。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)9E燃?xì)廨啓C(jī)9A5及WX18Z-054LLT型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的介紹和對(duì)出現(xiàn)故障的分析，結(jié)果表明：由于9E機(jī)組的調(diào)峰特性，需要機(jī)組頻繁啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組端部的絕緣和固定是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，均需要對(duì)上述兩種型號(hào)的發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)和材料上優(yōu)化才能減少和消除類似故障，滿足發(fā)電機(jī)頻繁啟動(dòng)的要求。

[1] 汪耕, 李希明. 大型汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2012.

Fault Analysis and Troubleshooting of the Rotor in a 9E Gas Turbine Generator

Zhang Xuelin

(Huizhou SEC Fengda Electric Power Co., Ltd., Huizhou 516025, Guangdong Province, China)

To clear the faults occurring within 1 000 times of starts in the generator rotor of a 9E gas turbine generator set, the formation causes and common problems are analyzed, and subsequently corresponding countermeasures as well as technological and material requirements are proposed for troubleshooting of the generator rotor, which may serve as a reference for troubleshooting of similar problems.

gas turbine; generator rotor; fault; troubleshooting measures

2015-12-04

張學(xué)霖(1983—)，男，工程師，主要從事電廠電氣技術(shù)和管理工作。

E-mail: 13719649599@163.com

TM314.3

A

1671-086X(2016)04-0285-04