于旭東

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

某發(fā)電廠350 MW汽輪發(fā)電機組停機檢修，拆卸汽輪發(fā)電機并抽出轉子以后進行檢驗時，發(fā)現(xiàn)轉子表面有多處燒損情況。檢查結果表明，它們主要發(fā)生在轉子槽楔相互之間的結合面處、槽楔與轉子本體的結合面處、轉子表面與槽楔實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，這是一種典型的、也是一種長見的負序電流燒損案例。當電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路或負荷三相不對稱時，所產(chǎn)生的負序電流可能使發(fā)電機轉子嚴重受損，甚至導致轉子報廢[1]。本文介紹引起這種損傷的原因、負序電流的危害、負序電流的限值、損傷的修復方法以及應當吸取的經(jīng)驗教訓。

1 負序電流的危害

當發(fā)電機轉子的旋轉方向和旋轉速度與三相正序對稱電流所形成的正向旋轉磁場的轉向和轉速一致時，即轉子的轉動與正序旋轉磁場之間沒有無相對運動，便處于同步狀態(tài)。當電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路或三相負荷不對稱(比如接有電力機車、電弧爐等單相負荷)時，便在發(fā)電機定子繞組中產(chǎn)生負序電流。該負序電流在發(fā)電機氣隙中產(chǎn)生反向旋轉磁場(與正序電流產(chǎn)生的正向旋轉磁場相反)，它相對于轉子來說具有2倍的同步轉速，因此在轉子中就會感應出頻率為100 Hz的電流。該倍頻電流主要流經(jīng)轉子本體、槽楔和阻尼條，而在轉子端部附近沿周向形成閉合回路，這就使得轉子端部、護環(huán)內(nèi)表面、槽楔和小齒等的接觸面部位，就會出現(xiàn)就像電焊施工那樣的局部燒熔，嚴重時會使轉子護環(huán)受熱膨脹、甚至松脫，導致災難性后果[2]。在負序(反向)氣隙旋轉磁場與轉子電流之間，正序(正向)氣隙旋轉磁場與定子負序電流之間所產(chǎn)生的頻率100 Hz交變電磁力矩將同時作用于轉子大軸和定子機座上，引起頻率為100 Hz的倍頻振動。

2 負序電流的限值

為了預防這類事故的發(fā)生，發(fā)電機都具有一定的負序電流的承受能力，這主要取決于轉子的負序電流發(fā)熱條件(即負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。

按照國家標準規(guī)定，發(fā)電機應能承受一定數(shù)量的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)負序電流。當三相負載不對稱時，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)運行。當發(fā)生三相負載不對稱的故障運行時，其負序電流分量(I2)與額定定子電流(IN)之比的平方(I2/IN)2與持續(xù)運行時間t的乘積(I2/IN)2t，也應符合該標準的規(guī)定(見表1)。

3 負序電流的安全保護

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

表1 電網(wǎng)負荷不平衡時汽輪發(fā)電機的負序電流承受能力(限值)

查詢結果表明，在該機組兩年的所有運行數(shù)據(jù)中，查到的最大負序電流為304.69 A(相當于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、勵磁設備事故(甚至引起轉子接地報警)等，但是其負序電流都遠未超過保護整定值960 A。

4 轉子燒損的原因

查詢結果表明，在機組運行過程中，電網(wǎng)曾出現(xiàn)過負荷不平衡的情況，尤其是單相負荷的投入或切除時，會使得負序電流迅速陡變。負序電流曾經(jīng)在短時間內(nèi)(1～2 s內(nèi))從140 A左右突然升到276.45 A。這種引起負序電流迅速加倍增大的結果會引起穩(wěn)態(tài)負序電流過大或者暫態(tài)負序電流(I2/IN)2t超限，在轉子上感應出2倍工頻(100 Hz)交變電流[3]。由于集膚效應的作用，倍頻交變電流主要在轉子表層流通，經(jīng)轉子本體、槽楔和阻尼條，使得轉軸表層和轉子槽楔等零部件的接觸面處發(fā)生焦耳效應、引起火花放電而燒損。這是本機故障的主要原因。

5 轉子燒損的修復方法

(1) 拔下轉子兩端護環(huán)，拆除全部轉子繞組以后，對護環(huán)、轉子線圈、轉子下線槽以及轉子槽楔等進行徹底清理(必要時對其進行探傷檢驗)，全部清理干凈以后重新裝配，恢復原狀。

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

回裝完畢后按標準要求進行對該轉子直流電阻、絕緣電阻、交流阻抗、耐壓試驗[4]。

6 經(jīng)驗教訓

由于負載的復雜多變，包括電網(wǎng)在內(nèi)的任何電力系統(tǒng)，盡管都普遍裝設了電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置(PPS)，但還是很難完全避免出現(xiàn)三相負載不平衡狀態(tài)下的運行工況。所以，發(fā)電廠應當采取自我保護措施，裝設負序電流安全保護裝置。但是其整定值不應當設定太高，以免即使轉子燒毀了而保護裝置卻沒有動作，未能發(fā)揮安全保護作用；同時也不能設定太低，轉子沒有損傷而保護裝置動作，斷電跳閘，使發(fā)電廠蒙受經(jīng)濟損失，同時又使電網(wǎng)承受負載不平衡的第二次沖擊。所以，負序電流安全保護裝置限值的設定，必須結合實際情況進行優(yōu)選，而且要滿足國家標準的要求。這就是經(jīng)歷這次損傷事件應當吸取的經(jīng)驗教訓。

7 結論

(1) 由于電力系統(tǒng)負載的復雜多變，很難完全避免出現(xiàn)不平衡的運行工況，要求發(fā)電機必須具備符合國家標準規(guī)定的負序電流承受能力。

(2) 作為電力系統(tǒng)的電網(wǎng)部門在裝設電力系統(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載的不平衡和動蕩。

(3) 發(fā)電廠的負序電流安全保護裝置的動作限值，應當聯(lián)系實際情況經(jīng)過優(yōu)選來設定，杜絕那種已經(jīng)發(fā)生轉子燒損而保護裝置因設定偏高而不作為的現(xiàn)象。

[1] 汪耕.大型汽輪發(fā)電機設計、制造與運行[M].上海：上海科學技術出版社，2012.

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

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

[4] 李永剛.發(fā)電機轉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.