張學(xué)霖

(惠州深能源豐達電力有限公司， 廣東惠州 516001)

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9E燃氣輪機發(fā)電機轉(zhuǎn)子故障分析及處理

張學(xué)霖

(惠州深能源豐達電力有限公司， 廣東惠州 516001)

針對9E燃氣輪機發(fā)電機組在啟動不到1 000次的情況下出現(xiàn)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子故障，分析其形成原因及共性問題，介紹發(fā)電機轉(zhuǎn)子故障處理方法和工藝材料要求，為具有同類型發(fā)電機的電廠提供參考。

燃氣輪機； 發(fā)電機轉(zhuǎn)子； 故障； 處理措施

PG9171E燃氣輪機發(fā)電機組部分采用奧地利ELIN發(fā)電機公司生產(chǎn)的9A5型發(fā)電機，汽輪機發(fā)電機采用WX18Z-054LLT型。為滿足地區(qū)電網(wǎng)的實際需求，9E機組通常作為調(diào)峰機組使用，每日兩班制運行，形成常態(tài)化。

近年來9E燃氣輪機部分機組在運行10 000～15 000 h、啟動次數(shù)不足1 000次就出現(xiàn)一些偶發(fā)性或共性的缺陷，筆者將對這些發(fā)電機轉(zhuǎn)子缺陷的故障現(xiàn)象進行分析，提出一些處理方法。

1　燃氣輪機發(fā)電機轉(zhuǎn)子

1.1 故障現(xiàn)象

ELIN發(fā)電機公司生產(chǎn)的9A5型發(fā)電機為隱極式，容量為136 MW，每個大齒(極)有一繞組，2極(1對極)發(fā)電機轉(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，某臺燃氣輪機發(fā)電機轉(zhuǎn)子在例行檢查時發(fā)現(xiàn)勵磁機側(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)電機轉(zhuǎn)子大軸，見圖1。

圖1　燃氣輪機發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣塊松脫

現(xiàn)場拔護環(huán)檢查，轉(zhuǎn)子勵磁機側(cè)端部內(nèi)槽繞組與外槽繞組通過絕緣塊進行絕緣和固定，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，見圖2。

圖2　燃氣輪機發(fā)電機轉(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，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，熱套護環(huán)，起到固定轉(zhuǎn)子端部各組件的作用，見圖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，第三對槽繞組與第四對槽繞組左側(cè)第一個絕緣塊松脫，絕緣塊固定點在第三對槽繞組上；第五對槽繞組與第六對槽繞組左側(cè)第一個絕緣塊松脫，固定點在第五對槽繞組上。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。由于絕緣塊沒有固定支點，在運行過程中逐步松脫。

1.2 故障原因

故障原因有:

(1) 轉(zhuǎn)子在運行時高速旋轉(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)速下運行時，絕緣塊所受到的離心力最大。由于9E機組的調(diào)峰特性，機組每日啟停，造成燃氣輪機發(fā)電機轉(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程，最終斷裂，見圖4。

圖4　聚酰胺紙應(yīng)力集中區(qū)

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

(3) 聚酰胺紙強度不足，不能完全承受機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

燃氣輪機發(fā)電機轉(zhuǎn)子現(xiàn)場處理要求較嚴(yán)格，需在現(xiàn)場裝設(shè)防雨棚及相應(yīng)的隔離措施，供發(fā)電機轉(zhuǎn)子抽出后放置。轉(zhuǎn)子處理步驟：

(1) 處理前電氣試驗，進行發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣、交流阻抗、直流耐壓及直流電阻測試。

(2) 發(fā)電機轉(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)加熱器加熱護環(huán)，拔出護環(huán)，拆除護環(huán)絕緣。

(4) 護環(huán)清理檢查及端部繞組絕緣塊清理。

(5) 對絕緣塊重新安裝，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其牢固度。

(6) 裝護環(huán)絕緣，安裝環(huán)氧玻璃布板時，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，發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣合格。

(8) 熱套護環(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，發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣、交流阻抗及直流耐壓測試合格。

(10) 清理護環(huán)并檢查無異常。

(11) 發(fā)電機轉(zhuǎn)子順利回裝，完好。

2　汽輪機發(fā)電機轉(zhuǎn)子處理

2.1 故障現(xiàn)象

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

圖5　汽輪機發(fā)電機端部絕緣塊結(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)松動移位，導(dǎo)致固定塊和切向楔均發(fā)生移位，見圖6。

圖6　端部固定塊移位

由于4號發(fā)電機與3號發(fā)電機運行方式、運行時間及生產(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4號發(fā)電機轉(zhuǎn)子端部繞組進行檢查，在對勵磁機側(cè)孔探檢查過程中，除了發(fā)現(xiàn)8個絕緣塊存在移位現(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) 與燃氣輪機發(fā)電機運行工況相似，聯(lián)合循環(huán)汽輪機發(fā)電機啟停頻繁，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，長期運行后導(dǎo)致滌玻繩松動，最終斷裂。而固定塊由于缺少了滌玻繩的固定而出現(xiàn)松動脫落，無法對切向楔進行定位，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，原因是發(fā)電機風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)時外端是負壓，向內(nèi)抽風(fēng)，經(jīng)過長時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)電機轉(zhuǎn)子對環(huán)境清潔度要求較高，轉(zhuǎn)子處理過程改動較大，修復(fù)后需高速動平衡測試，電廠不具備高速動平衡測試平臺，發(fā)電機轉(zhuǎn)子需抽出返廠維修。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子返廠維修實施過程：

(1) 拆開整流盤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。

(3) 拆下兩端風(fēng)扇葉片，扒下轉(zhuǎn)子兩端風(fēng)扇環(huán)及護環(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) 對切向楔進行開槽強化固定，設(shè)計制作端部絕緣擋塊支撐架。

按照圖7在切向楔上部開貫穿型槽，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。在支撐板上開槽，深度15 mm，寬度與切向楔相匹配。支撐板兩側(cè)開通風(fēng)孔，見圖8。

圖8　支撐板與切向楔安裝

(7) 安裝支撐板，固定絕緣塊，做緊密度等測試。

(8) 熱套護環(huán)及風(fēng)扇環(huán)，裝風(fēng)扇葉片，熱套勵磁機轉(zhuǎn)子。

(9) 清理勵磁機電樞繞組間的灰塵及油污后重新浸漆、烘干。

(10) 整流盤組件檢查及組裝。

(11) 整流盤整體加熱后套裝至電樞上并連接引線及螺栓。

(12) 發(fā)電機轉(zhuǎn)子整體外涂DK222樹脂絕緣漆。

(13) 試驗：①轉(zhuǎn)子整體做動平衡試驗及超速試驗(3 360 r/min)；②動態(tài)交流阻抗試驗合格(0～3 000 r/min)；③測量勵磁機轉(zhuǎn)子繞組及整個勵磁回路所連接的設(shè)備絕緣電阻；④測量轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻；⑤轉(zhuǎn)子繞組交流耐壓試驗或標(biāo)準(zhǔn)允許的同類型試驗；⑥測量轉(zhuǎn)子繞組和勵磁機轉(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)格實施，其中的試驗也全部合格。

3　故障的危害及措施

3.1 故障的危害

上述提及的燃氣輪機發(fā)電機及汽輪機發(fā)電機，均屬于水空冷型發(fā)電機，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，又沒有鐵芯和槽楔的固定，而只是依靠絕緣塊進行固定，而且端部繞組均有圓弧部分，強度比直線部分有所減弱。當(dāng)絕緣塊脫落或移位時，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，就會發(fā)生繞組匝間短路，由此可能導(dǎo)致勵磁電流激增，嚴(yán)重時燒壞繞組。繞組變形也可能會引起轉(zhuǎn)子中心的偏移，而出現(xiàn)振動異常等故障現(xiàn)象。

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

圖9　汽輪機發(fā)電機轉(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)電機制造廠未充分考慮到9E燃氣輪機組的調(diào)峰特性，GB/T 7064—2008 《隱形同步發(fā)電機技術(shù)要求》 中提及在轉(zhuǎn)子的壽命期限中，應(yīng)能承受啟動次數(shù)不少于3 000次，對兩班制調(diào)峰運行的電機，轉(zhuǎn)子在使用壽命期限內(nèi)，應(yīng)能承受不少于10 000次的啟動次數(shù)。出現(xiàn)問題的發(fā)電機遠未達到這些限制的啟動次數(shù)。用戶應(yīng)在合同中強調(diào)發(fā)電機的制造工藝應(yīng)滿足調(diào)峰的需求。

(2) 加強孔探檢查，充分利用機組大小修的檢修時機對轉(zhuǎn)子端部繞組結(jié)構(gòu)進行檢查，發(fā)現(xiàn)絕緣固定塊異?；蚶@組變形等情況及時處理。

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

4　結(jié)語

通過對9E燃氣輪機9A5及WX18Z-054LLT型發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的介紹和對出現(xiàn)故障的分析，結(jié)果表明：由于9E機組的調(diào)峰特性，需要機組頻繁啟動，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組端部的絕緣和固定是一個薄弱環(huán)節(jié)，均需要對上述兩種型號的發(fā)電機在結(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)電機頻繁啟動的要求。

[1] 汪耕, 李希明. 大型汽輪發(fā)電機設(shè)計、制造與運行[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