大型汽輪發電機線棒磨損原因分析與預防

沈德華

(華電內蒙古能源有限公司包頭發電分公司，內蒙古包頭 014013)

0 引言

某發電廠#1發電機額定容量為600 MW，2007年2月投入正式運行，型號為QFSN-600-2YH。發電機的基本參數如下。

發電機型號：QFSN-600-2YH

額定容量SN：667 MVA

額定功率PN：600 MW

最大連續輸出功率GMCR：654或與汽機匹配

額定功率因數cosφN：0.9(滯后)

定子額定電壓UN：20 kV

定子額定電流IN：19 245 A

額定頻率fN：50 Hz

額定轉速nN：3 000 r/min

勵磁繞組時間常數Tdo：8.724 s

出品日期：2006年6月

冷卻方式：水、氫、氫

定子線棒數量：上層42根，下層42根

勵磁方式：靜止勵磁

定子繞組絕緣等級：F級

1 問題描述

2020年6月30日，#1發電機大修抽轉子后，在定子膛內發現，發電機勵側拉緊楔(12點位置)脫落，相鄰左側拉緊楔松動，絕緣螺桿甩到勵側端部3點半漸開線位置(徑向支撐環內側41與42槽上層線棒之間，造成42槽線棒有1個寬約14 mm深7 mm的三角口)；發現33號槽上層線圈表面有磨損現象(3 mm 深)。

檢查汽、勵兩端端部絕緣緊固件，可調環把合氣隙隔板與絕緣螺桿，發現勵端三根、汽端四根絕緣螺桿斷裂。氣隙隔板一塊脫層，兩個絕緣螺釘脫落。檢查汽、勵兩端端部，勵、汽端槽口塊與線棒接觸面發現黑色油泥，勵端最里道綁環與線棒、適型材料處存在黑色油泥，汽、勵兩端下層線棒與適型材料處存在黑色油泥。發現A相引線夾板絕緣螺桿松動，第二根螺桿與手包絕緣接觸磨損，第三根絕緣螺桿松動，勵端C相手包絕緣下夾板螺絲松動。檢查汽、勵端端部拉緊楔，發現汽、勵端全部拉緊楔墊圈間隙超差(用0.10 mm的塞尺檢查，允許插入寬度不超過拉緊楔寬度的1/3范圍)，勵端12點鐘方向拉緊楔脫落，9點鐘方向拉緊楔存在大量黃色油泥。檢查發電機定子膛內鐵心松緊度，汽端項號片松動。

圖1 絕緣螺桿位置

圖2 深度7 mm的三角口

圖3 脫落緊楔位置

2 原因分析

大型汽輪發電機在機組運行時，定子端部會受到熱膨脹載荷、機械載荷和電磁載荷的綜合作用，使端部線棒處于復雜的振動環境中。線棒每匝線圈的端部都向鐵心的外圓側傾斜，按漸開線形式展開處于懸空狀態，其結構類似懸臂梁，端部線棒相比槽內線棒更加難以固定，而且端部線棒層與層之間，線棒與緊固件之間常常發生相對運動導致絕緣被破壞，為此發電機定子端部的振動是導致線圈絕緣磨損、繞組疲勞斷裂、結構件脫落、定子槽楔松動，進而引發事故的主要因素。此類事故具有突發性，難以預測，難以簡單修復等特點，且事故發生所造成的危害和損失都較為嚴重，所以近年來定子端部松動的問題受到廣泛關注。

2.1 現場異常分析

(1) 由于發電機高負荷運行時端部振動較大，造成勵側端部內側可調綁環上部拉緊楔的螺孔螺紋損傷、螺孔端部磨成喇叭口，導致螺桿與螺孔不能充分接觸，定子端部處于懸垂狀態，螺桿逐漸松動，造成螺桿磨損脫落后拉緊楔子在長期振動下也脫落并掉入出線罩中，絕緣螺桿被甩到勵側端部3點半漸開線位置(徑向支撐環內側41與42槽上層線棒之間)由于轉子的摩擦造成42槽線棒有1個寬約14 mm深7 mm的三角口。

(2) 緊固件振動引起線棒絕緣和綁扎繩、絕緣塊相互微動摩擦，產生黑泥和黃粉。

(3) 發電機定子端部在運行過程中長期受到來源于轉子不平衡力作用的頻振動和電磁載荷作用產生的倍頻振動，導致A、C相引線夾板絕緣螺桿松動，引線夾板螺栓、拉緊楔絕緣螺栓松動。

2.2 端部固有頻率和振型分析

大型汽輪發電機在穩態運行時，定子端部繞組的振動主要由兩部分組成。最主要的是有載電流繞組在端部磁場中受到電磁力的作用，從而激發兩倍系統頻率(100 Hz)的振動。另外，還有繞組隨定子鐵心承受轉子磁拉力而引起的振動，該振動的頻率仍以兩倍系統頻率為主?？梢?，若定子繞組端部的固有頻率接近于100 Hz將會在運行中產生共振現象或比較大的振動。調取定子端部出廠試驗結果和大修時現場試驗結果，報告中端部固有頻率和振型試驗數據如表2所示。

表2 出廠和大修固有頻率和振型試驗數據統計表

依據GB/T 20140—2016《隱極同步發電機定子繞組端部動態特性和振動測量方法及評定》，規定整體橢圓振型固有頻率避開范圍為≤95 Hz，≥110 Hz。以上檢測數據均符合規程要求，未落入易產生電磁振動的橢圓振型范圍。排除電磁力共振產生線棒磨損，但是與出廠模態分析試驗報告的固有頻率比較，橢圓頻率均有所降低，表明端部整體剛度有所下降，可能是由于端部的支撐緊固件或綁扎結構已經存在松動或位移等現象。

3 現場問題的處理方法

3.1 針對磨損的線棒采取的處理方案：更換#33槽、#42槽上層線圈，部分絕緣引水管的銅夾子，部分硅橡膠套和其它絕緣材料，部分上下層線圈連接股線及固定股線的L型塊用鎖片和螺栓，部分槽內側面半導體墊條，部分槽口塊，部分徑向通道預留帶及其安裝用的綁帶。

3.2 針對絕緣螺桿斷裂，氣隙隔板一塊脫層，兩個絕緣螺釘脫落采取處理方案：更換損壞的氣隙隔板把合螺桿及配套的螺母、墊片，灌膠固化。

3.3 針對兩端端部，勵端、汽端槽口塊與線棒接觸面發現黑色油泥采取的處理方案：徹底清理端部線棒，并更換污染和有磨損的緊固件。

3.4 針對A相引線夾板絕緣螺桿松動，第二根螺桿與手包絕緣接觸磨損，第三根絕緣螺桿松動，勵端C相手包絕緣下夾板螺絲松動采取的處理方案：更換新的絕緣螺桿回裝并把緊，修復磨損的手包絕緣。

3.5 針對汽端勵端全部拉緊楔墊圈間隙超差采取的處理方案：汽、勵兩側全臺拉緊楔更換，配拉緊楔塊和裝拉緊楔塊時，要檢查接觸面間隙，用0.10 mm的塞尺檢查，允許插入寬度不超過拉緊楔寬度的1/3范圍，并且間隙不能在一側。如果間隙超差，可以擴大寬度方向倒角處理。如果間隙在一側，重新配拉緊楔。

4 預防措施

4.1 在#1發電機端部加裝在線測振裝置，全面監測發電機端部的整體振動情況，并重點關注勵端曾產生故障的維修點，實時監測發電機端部的通頻和倍頻位移峰峰值[4]。依據GB/T 20140—2016《隱極同步發電機定子繞組端部動態特性和振動測量方法及評定》判斷其振動狀況，通過裝置實時采集的數據利用振動軟件分析端部振動主要原因，同時還要監測不同負荷情況下軸系振動情況是否在合格范圍內。

4.2 每次停機時打開發電機氫冷器的人孔鉆入發電機汽、勵兩端進行端部檢查，檢查端部拉緊楔、絕緣螺桿及引線夾板絕緣螺桿有無松動，對發現的黃泥、黑泥或粉末要進行分析研究，必要時聯系廠家處理。

4.3 利用大、小修機會，聯系哈爾濱電機廠的技術人員檢查發電機定子鐵心的緊量，緊量不合格時要對定子鐵心的穿心螺栓和定位螺栓進行拉伸緊固處理。

4.4 發電機停運后和起動前按照試驗標準進行電氣預防性試驗。

4.5 大修時通過端部振型模態試驗認真評估發電機端部振動特性(固有頻率、振型、阻尼)，避開端部整體模態頻率在95 Hz～112 Hz范圍之內，且振型不為橢圓。

4.6 嚴格檢查定子繞組端部線圈夾縫、上下層漸開線線棒間隙等部位，防止安裝和檢修時在定子內部遺留鋸條、螺釘、螺母等金屬異物。

5 結論

本文對出現的問題進行分析研究，并找到了有效的解決方法，采取有針對性的預防措施并在定子端部加裝在線監測裝置。利用端部振動在線診斷系統對發電機定子繞組端部振動狀態進行實時監測，從振動變化趨勢上識別某些潛在或者發展中的故障及時發現隱患。若運行時端部振動突然發生異常情況，運行人員即可根據振動情況及時調整發電機運行狀態，并及時采取有效解決措施，保證發電機長期可靠安全運行。