(1.發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心， 黑龍江哈爾濱 150040；2.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱 150040)

大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子燒損原因分析

彭凌云

(1.發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心， 黑龍江哈爾濱 150040；2.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱 150040)

根據(jù)某350MW汽輪發(fā)電機(jī)停機(jī)檢修時發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子表面多處燒損的情況，經(jīng)檢查運(yùn)行記錄和安全保護(hù)裝置，發(fā)現(xiàn)是由于電網(wǎng)出現(xiàn)三相負(fù)載不平衡狀態(tài)下定子繞組內(nèi)就會產(chǎn)生負(fù)序電流并在轉(zhuǎn)子表面造成燒損。為了預(yù)防這類情況的發(fā)生，提出了應(yīng)當(dāng)采用負(fù)序電流安全保護(hù)裝置，并優(yōu)選其整定值以后的運(yùn)行實(shí)踐證明，預(yù)防方法行之有效。

大型汽輪發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子燒損；原因分析

0 引言

曾經(jīng)對某發(fā)電廠的350MW汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行停機(jī)檢修。在拆卸汽輪發(fā)電機(jī)并抽出轉(zhuǎn)子后進(jìn)行檢驗時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子表面有多處燒損情況。檢查結(jié)果表明，它們主要發(fā)生在轉(zhuǎn)子槽楔相互之間的結(jié)合面處、槽楔與轉(zhuǎn)子本體的結(jié)合面處、轉(zhuǎn)子表面與槽楔，實(shí)施洋沖鎖緊的槽楔與槽楔連接處，這些燒損部位共有38 處之多。根據(jù)經(jīng)驗判斷，這是一種典型常見的負(fù)序電流燒損案例。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路或負(fù)荷三相不對稱時，所產(chǎn)生的負(fù)序電流會使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子嚴(yán)重受損，甚至導(dǎo)致轉(zhuǎn)子報廢[1]。本文詳細(xì)介紹了引起這種損傷的原因、負(fù)序電流的危害、負(fù)序電流的限值、損傷的修復(fù)方法以及應(yīng)當(dāng)吸取的經(jīng)驗教訓(xùn)。

1 轉(zhuǎn)子燒損的原因

1.1 負(fù)序電流的危害

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度與三相正序?qū)ΨQ電流所形成的正向旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速一致時，即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動與正序旋轉(zhuǎn)磁場之間沒有無相對運(yùn)動，便處于同步狀態(tài)。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路或三相負(fù)荷不對稱(例如接有電力機(jī)車、電弧爐等單相負(fù)荷)時，便在發(fā)電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生負(fù)序電流。該負(fù)序電流在發(fā)電機(jī)氣隙中產(chǎn)生反向(與正序電流產(chǎn)生的正向旋轉(zhuǎn)磁場相反)旋轉(zhuǎn)磁場，它相對于轉(zhuǎn)子來說具有2倍的同步轉(zhuǎn)速，因此在轉(zhuǎn)子中就會感應(yīng)出頻率為100Hz的電流。該倍頻電流主要流經(jīng)轉(zhuǎn)子本體、槽楔和阻尼條，而在轉(zhuǎn)子端部附近沿周向形成閉合回路，這就使轉(zhuǎn)子端部、護(hù)環(huán)內(nèi)表面、槽楔和小齒等接觸面部位出現(xiàn)像電焊施工那樣的局部燒熔，嚴(yán)重時會使轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)受熱膨脹、甚至松脫，這將導(dǎo)致災(zāi)難性后果[2]。在負(fù)序(反向)氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子電流之間，正序(正向)氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與定子負(fù)序電流之間所產(chǎn)生的頻率100Hz交變電磁力矩，將同時作用于轉(zhuǎn)子大軸和定子機(jī)座上，引起頻率為100Hz的倍頻振動。

1.2 負(fù)序電流的限值

為了預(yù)防此類事故的發(fā)生，發(fā)電機(jī)都具有一定的負(fù)序電流的承受能力，這主要取決于轉(zhuǎn)子的負(fù)序電流發(fā)熱條件(即負(fù)序電流的平方與其持續(xù)時間的乘積)，而不是發(fā)生的振動。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，發(fā)電機(jī)應(yīng)能承受一定數(shù)量的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)負(fù)序電流。當(dāng)三相負(fù)載不對稱時，每相電流均不得超過額定定子電流(IN)，而且其負(fù)序電流分量(I2)與額定定子電流(IN)之比I2/IN值必須符合GB/T 7064—2008的規(guī)定才能連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生三相負(fù)載不對稱的故障運(yùn)行時，其負(fù)序電流分量(I2)與額定定子電流(IN)之比的平方(I2/IN)2與持續(xù)運(yùn)行時間t的乘積(I2/IN)2t，也應(yīng)符合該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定見表1。

表1 電網(wǎng)負(fù)荷不平衡時汽輪發(fā)電機(jī)的負(fù)序電流承受能力(限值)

1.3 負(fù)序電流的安全保護(hù)

從現(xiàn)場的保護(hù)設(shè)備記錄數(shù)據(jù)查詢結(jié)果表明，發(fā)電設(shè)備長期運(yùn)行中發(fā)出保護(hù)報警信號時的負(fù)序電流保護(hù)整定值設(shè)定為960A。然而，在機(jī)組兩年多的運(yùn)行期間里，并沒有出現(xiàn)過負(fù)序電流過大的報警信號，也沒有查詢到其它報警信號。至于機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的查詢，由于故障錄波器沒有記錄發(fā)生故障時的相關(guān)數(shù)據(jù)，只能通過查閱大量的現(xiàn)場機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)來查找負(fù)序電流的大小。

通過發(fā)電機(jī)運(yùn)行記錄查詢到的數(shù)據(jù)表明，最大負(fù)序電流曾經(jīng)達(dá)到304.69A，但是它也遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到和超過設(shè)定的負(fù)序電流保護(hù)整定值960A。

查詢結(jié)果表明，在該機(jī)組兩年的所有運(yùn)行數(shù)據(jù)中，查到的最大負(fù)序電流為304.69A(相當(dāng)于2.56% 的IN)。雖然在這段期間曾經(jīng)發(fā)生過幾次事故：如電網(wǎng)事故，變電站變壓器事故，勵磁設(shè)備事故(甚至引起轉(zhuǎn)子接地報警)等，但是其負(fù)序電流都遠(yuǎn)未超過保護(hù)整定值960A。

1.4 轉(zhuǎn)子燒損的原因

機(jī)組在運(yùn)行過程中，電網(wǎng)曾出現(xiàn)過負(fù)荷不平衡的情況，尤其是單相負(fù)荷的投入或切除時，會使得負(fù)序電流迅速陡變。負(fù)序電流曾經(jīng)在短時間內(nèi)(1～2s內(nèi))從140A左右突然升到276.45A。這種引起負(fù)序電流迅速加倍增大的結(jié)果，會引起穩(wěn)態(tài)負(fù)序電流過大或者暫態(tài)負(fù)序電流(I2/IN)2t的超限，在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出2倍工頻(100Hz)交變電流[3]。由于集膚效應(yīng)的作用，倍頻電流主要在轉(zhuǎn)子表層流通，經(jīng)轉(zhuǎn)子本體、槽楔和阻尼條，使轉(zhuǎn)軸表層和轉(zhuǎn)子槽楔等零部件的接觸面處發(fā)生焦耳效應(yīng)、引起火花放電而燒損。

2 轉(zhuǎn)子燒損的修復(fù)方法及經(jīng)驗

2.1 轉(zhuǎn)子燒損的修復(fù)方法

2.1.1 拔下轉(zhuǎn)子兩端護(hù)環(huán)，拆除全部轉(zhuǎn)子繞組后，對護(hù)環(huán)、轉(zhuǎn)子線圈、轉(zhuǎn)子下線槽以及轉(zhuǎn)子槽楔等進(jìn)行徹底清理(必要時對其進(jìn)行探傷檢驗)，全部清理干凈后重新裝配，恢復(fù)原狀。

2.1.2 所有槽楔灼傷處全部打磨修理并清理干凈后回用，復(fù)測相鄰槽楔對接處的高差；更換所有導(dǎo)電連接塊，調(diào)整其配合尺寸，增大其接觸壓力，保證其在運(yùn)行中的可靠接觸，最后將回裝后的轉(zhuǎn)子進(jìn)出風(fēng)槽楔調(diào)整到正常位置，用洋沖重新鎖住槽楔，以保證轉(zhuǎn)子通風(fēng)風(fēng)路暢通不被槽楔擋住。

修復(fù)完成以后，按照標(biāo)準(zhǔn)要求對該轉(zhuǎn)子進(jìn)行直流電阻、絕緣電阻、交流阻抗、耐壓試驗[4]。

2.2 經(jīng)驗

由于負(fù)載的復(fù)雜多變，包括電網(wǎng)在內(nèi)的任何電力系統(tǒng)，盡管都普遍裝設(shè)了電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置(PPS)，但是很難完全避免出現(xiàn)三相負(fù)載不平衡狀態(tài)下的運(yùn)行工況。所以，發(fā)電廠應(yīng)當(dāng)采取自我保護(hù)措施，裝設(shè)負(fù)序電流安全保護(hù)裝置，但是整定值不應(yīng)當(dāng)設(shè)定太高，以免即使轉(zhuǎn)子燒毀了而保護(hù)裝置卻沒有動作，未能發(fā)揮安全保護(hù)作用；也不能太低，轉(zhuǎn)子沒有損傷，而保護(hù)裝置動作，斷電跳閘，使發(fā)電廠蒙受經(jīng)濟(jì)損失，同時又使電網(wǎng)承受負(fù)載不平衡的第二次沖擊。所以，負(fù)序電流安全保護(hù)裝置限值的設(shè)定，必須結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)選，而且要滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。這就是經(jīng)歷這次損傷事件應(yīng)當(dāng)吸取的經(jīng)驗教訓(xùn)。不能容忍轉(zhuǎn)子已經(jīng)燒損而保護(hù)裝置卻沒有動作的情況發(fā)生。

3 結(jié)語

(1)由于電力系統(tǒng)負(fù)載的復(fù)雜多變，很難完全避免出現(xiàn)不平衡的運(yùn)行工況，要求發(fā)電機(jī)必須具備符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的負(fù)序電流承受能力。

(2)作為電力系統(tǒng)的電網(wǎng)部門在裝設(shè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置的同時 ，仍然要采取更多的有效措施來防止負(fù)載的不平衡和動蕩。

(3)發(fā)電廠的負(fù)序電流安全保護(hù)裝置的動作限值，應(yīng)當(dāng)聯(lián)系實(shí)際情況經(jīng)過優(yōu)選來設(shè)定，杜絕已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)子燒損而保護(hù)裝置卻不作為的現(xiàn)象。

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

[2] 張學(xué)延. 汽輪發(fā)電機(jī)組振動診斷[M]. 北京：中國電力出版社，2008.

[3] 張征平. 大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障分析與診斷[M].北京：中國電力出版社，2011.

[4] 李永剛. 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障特性分析與識別[M].北京：中國電力出版社，2009.

AnalysisonOverburningReasonofLargeTurbineGeneratorRotor

PengLingyun

(1.National Engineering Research Center of Power Generating Equipment, Harbin 150040, China；2.Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Several overburnings appears on the surface of a 350MW turbine generator rotor during shutdown and overhaul. After searching operation records and safety protection device, it is found out that negative sequence current can be produced in stator windings because of unbalanced three-phase load in power network and rotor surface can be overburned. In order to prevent the happening of this kind of situation, the safety protection device with negative sequence current should be adopted, and its setting value should be optimally select. The later operation practice has proved that this prevention method is effective.

Large turbine generator；rotor overburning；reason analysis

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.11

TM306

B

1008-7281(2017)06-0038-003

彭凌云男1988年生；畢業(yè)于華中科技大學(xué)水電工程專業(yè)，現(xiàn)從事大型發(fā)電設(shè)備開發(fā)應(yīng)用研究工作.

2017-05-28