汽輪發電機運行故障診斷與預防探討

閆玉龍

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 七臺 154100）

目前，我國仍以煤炭為主，裝機容量在8億千瓦左右。隨著大規模、高參數發電廠的持續運行，我國的火力發電達到了一個新的水平。汽輪發電機組是火力發電系統的核心，是保證其正常運行的重要設備。特別是大型汽輪發電機并網后，汽輪發電機的故障和運行事故一直是火力發電系統發展中的主要問題之一。在系統的運行安全和維護方面不斷發現新問題。運行監控等嚴重事故造成設備損壞和大規模停電，給經濟造成巨大的經濟損失，甚至嚴重危及電網的安全運行。鑒于此，一方面有必要引進和吸收國際先進技術，以不斷改進發電機的設計和生產技術。另一方面，認真總結經驗教訓，嚴格按照發電機的技術條件和要求進行日常運行和維護，確保發電系統安全可靠、經濟運行。

1 汽輪發電機故障診斷概述

隨著現代機械化科學技術的發展和進步，現代機械系統的結構正變得更快、更精確、自動化程度更高。作為現代連續生產過程的重要組成部分，發電機組在發生故障時將嚴重影響其機械效率。這將導致發電中斷，并將造成不良社會影響和經濟損失。由于許多不可避免的因素，設備經常出現不同的故障，導致其自身功能的喪失或減少，從而導致大面積停電。目前，國內外電廠經常發生事故，造成損失和嚴重的社會后果。即使發生輕微事故，也可能因生產過程中機械設備損壞或操作不及時、不正常而造成經濟損失。因此，為了保證發電裝置的安全可靠運行，及時排除發電機故障顯得尤為迫切。發電通常由發電廠轉換成不同的一次能源或其他能源。目前，世界上的大多數能源形式是地熱能、風能、光伏、水電和核能。核能和熱能是通過蒸汽渦輪發電機將機械能轉換成電能來使用的。

近年來，電力行業發展迅速，汽輪發電機裝機容量迅速增加，廠房結構日趨復雜。機組故障的可能因素也相應增加。在安全可靠運行中，發電機故障帶來的影響越來越大，因此應當越來越多地考慮設備故障對汽輪發電機的安全可靠運行帶來的影響。

2 汽輪發電機故障診斷的目的與意義

2．1 故障診斷的目的

故障診斷的目的是根據從設備監測中獲得的信息確定設備的狀況，以確保設備在給定的工作環境和時間內可靠高效地運行。在維護、減少和消除事故方面提供指導和協助。如果可以通過分析相應參數的波動狀況，可以避免許多事故。現代生產設備正在向大型、快速、連續和自動化生產方向發展，降低成本，提高生產效率，節約能源是企業發展非常重要的一個方面。另一方面，設備故障造成的經濟損失也大大增加了維護成本。創新高科技技術的使用對現代工廠的可靠性和安全性提出了越來越高的要求。為了加強對現有老化生產設施的安全監測和故障診斷，許多舊設備都在接近使用壽命的狀況下工作，并進入故障多發階段。如果有完整的故障監測系統，舊設備的使用壽命也可以得到相應的延長。

2．2 故障診斷的意義

故障診斷的任務是監測設備的運行狀態，包括結合歷史數據和診斷系統狀態的各種測量、分析和判別方法。包括考慮環境因素，以評估其是否處于正常狀態。及時記錄和顯示狀態和警報，為設備性能評估、故障分析、安全工作和有效使用提供基礎數據和信息。能正確及時地糾正和診斷各種故障或異常情況，及時預防或排除故障，準確觀察設備運行狀態，提高設備的可靠性和效率，以最大限度地減少故障損失。同時確保設備具有最大的運行能力，制定合理的維護制度，充分發揮設備的潛力，延長設備的使用壽命。近幾十年來，故障分析和診斷技術發展迅速。從傳統的手工故障診斷到智能故障診斷，智能故障診斷可以快速準確地找到故障的原因和位置，從而快速解決問題，減少故障，提高機組運行的經濟性和可靠性。

3 汽輪發電機運行過程中主要故障及相關診斷

3．1 定子繞組故障及診斷

汽輪發電機在我國應用的過程中，目前主要的冷卻方式是“空氣冷卻”。但是，這種設計方式經常出現過程質量管理問題，例如在檢查、維護及過程控制方面。如果發電機出現短路故障或者定子接地故障時，發電機將會出現過熱現象，尤其是熱應力或者機械應力。一旦出現上述情況將會對發電機的運行產生非常大的影響。通常情況下，繞組末端故障通常分為以下幾類：（1）冷卻回路在定子運轉過程中出現堵塞情況。（2）銅導線出現斷裂，通常發生在定子引線及線棒之間，影響正常運行。（3）接頭焊接質量不滿足要求，在短期運行過程中，經常會出現接頭損壞，對設備的正常運行產生影響。（4）緊固件在繞組運行中出現繞組端部磨損情況。

3．2 轉子繞組故障及診斷

轉子缺陷通常包括接地絕緣缺陷、短路缺陷、熱變形和集電環電刷燒損。此類轉子繞組故障和短路故障通常由以下原因引起：轉子過熱導致絕緣損壞；冷卻器泄漏、導電灰塵、異物和焊渣進入轉子；制造工藝和局部缺陷；熱應力和機械應力對絕緣造成的損壞；冷流道繞組被水堵塞，導致局部過熱和旋轉絕緣損壞。汽輪發電機繞組因熱膨脹和機械作用(即殘余變形或熱變形而產生塑性變形。殘余變形時，轉子繞組和最終絕緣損壞，進而導致短路或接地缺陷以及嚴重的繞組故障。對于汽輪發電機而言，集電環與電刷的可靠接觸是保證發電機正常運行的關鍵。如果電刷環燒損嚴重，電刷手柄和電刷架會燒損集電環的絕緣層，導致接地故障。

3．3 定子鐵芯故障及診斷

定子鐵芯故障的主要原因是生產和裝配問題。定子鐵芯絕緣層厚度和分離的生產偏差、鐵芯負載的冷熱壓力、定子鐵芯的修邊和鉆孔過程以及定子鐵芯的高度偏差。此外，在長期可變電磁力的作用下，定子發動機的鐵芯層往往會選擇局部或整體，鐵芯絕緣損壞，局部過熱和鐵芯間短路。在這種現象的影響下，發電機容易受到安全風險的影響。

3．4 負序電流繞損轉子故障及診斷

一般而言，汽輪發電機制造商在三相對稱負載條件下運行。但是，不同的電源或發電系統沒有短路電源。例如，單級接地、兩相短路、單重疊或控制閥不能同時中斷三相負載，以保證穩定運行和避免事故。如果生產設備失效，除定子繞組的負序電壓和零序電流電壓外。負序電流形成的反向磁場在阻尼、勵磁和轉子電路中形成雙頻電流，導致銅和鐵的消耗。這導致發電機設備運行緩慢，轉子溫度升高。轉子質量嚴重受損，負電荷電流會導致轉矩和定子振動。即使工作時間短，也可能導致轉子損壞和繼電器設備故障。

3．5 勵磁機的電壓電流跳動達不到額定值故障及診斷

當交流勵磁機的勵磁電流加載到額定勵磁電流時，而汽輪發電機轉子勵磁電流還遠達不到額定勵磁電流時或汽輪發電機定子電壓還遠達不到額定值，應首先檢查旋轉整流電路，也有可能是交流勵磁機出現故障。

3．6 勵磁機絕緣電阻不合格故障診斷及分析

對于勵磁機的穩定運行其絕緣的好壞起到至關重要的作用，通常在勵磁機運輸及存放過程中鐵芯和線圈都可能吸潮，所以啟機停機、檢修前后都要對勵磁機的絕緣電阻進行測量，以滿足標準后才能正常啟機運行。勵磁機不論是轉子定子或者二次回路都屬于低壓回路，使用的測量工具是500V的絕緣測試儀，測量其鐵芯、線圈及二次回路的絕緣合格，通常要大于1MΩ，對于絕緣電阻不合格的情況應及時處理切不可帶病開機運行。

4 汽輪發電機運行過程中主要故障的預防措施

對于汽輪發電機運行中的上述故障，需要進行精確的測試、生產和安裝，考慮相關技術要點并采取預防措施。為了確保汽輪機系統的正常運行和安全，尤其是運行了多年后的汽輪發電機應對其進行識別和評估，以確保其質量。提前采取預防措施，并盡快實施。這可以減少事故和損失。針對發電機裝置的故障，提出以下解決方案。

4．1 定子繞組故障預防措施

改進定子繞組的橡膠纏繞工藝，加強端部開口線的切向和徑向固定；螺紋和塑料加工，確保連接平穩過渡；檢查定子是否被堵塞。在定期維護的情況下，檢查定子端部線圈和連接元件的連接和磨損情況，絕緣是否松動和磨損，以便采取有針對性的連接措施或更換零件；改進接頭結構，保證焊接質量，保證定子線圈的穩定性和強度，加強銅空心管的質量檢測，改進定子隔離輸送管的布置；嚴格檢查定子端部繞組與上下梯度桿之間的間隙是否正確，防止安裝和維護時將鋸、螺釘、螺母等金屬體留在定子內；通過測量局部放電監測和診斷定子繞組的絕緣性能。

4．2 轉子繞組故障預防措施

轉子繞組發生故障時，應當對其整體運行狀況進行仔細觀察。重點關注其通風結構，通過設計轉子及重新改進的方式進行改善。對通風孔堵塞和移位進行重點關注，有效解決類似問題。對轉子繞組上的銅線進行重新纏繞，并且定期清洗雜物，及時檢查繞組老化的情況。定期清潔轉子環周圍的碳粉，及時更換滑動電機的正負極性。并聯運行時，在電刷和集電環之間滑動時，必須及時處理氣墊，以確保電刷電流的均勻分布。轉子繞組需要利用差動控制線圈進行在線監測，對短路報警應當做到及時顯示。

4．3 定子鐵芯故障預防措施

嚴格監控生產、檢修回轉過程。小心地移除沖壓硅鋼片邊緣的毛刺。為了避免疊放過程中絕緣損壞，必須嚴格控制壓緊電阻，以確保定子鐵芯的壓緊質量。在維護期間，檢查螺母和螺釘，以確保定子鐵芯拔出。通過鐵芯損耗和加熱試驗驗證鐵心的失效，并用紅外熱像儀測量定子鐵芯的表面溫度分布。

4．4 負序電流繞損轉子故障預防措施

采取負序保護裝置對穩態負序電流進行實時監測。配備報警設備，同時還要檢測斷路器在運行過程中的三相狀態，采取相應的保護措施。當斷路器出現三相異常情況時，能夠針對問題做到及時處理。通常可以采用降低負序電流的辦法，降低發電機勵磁電流，減小汽輪機輸出功率。

4．5 勵磁機電流電壓跳動達不到額定值預防措施

通常情況如發現勵磁機內有積灰油泥等應清理吹凈；檢查部件有無不正常現象，緊固件有無松動；接線有無變形和斷裂絕緣是否損壞和斷開現象；旋轉二極管是否損壞且旋轉整流盤每個整流元件的正反向電阻是否正常。一般情況是整流盤出現問題，需要檢查旋轉整流是否存在故障。首先將交流勵磁機轉子電樞繞組的三個出U、V、W從整流盤上拆卸掉，再將旋轉整流器的輸出端與同步發電機轉子繞組的連線拆開。此時用萬用表電阻檔測量電機勵磁繞組直流電阻值，若與計算值一致，則說明發電機勵磁繞組完好。

4．6 勵磁機絕緣電阻不合格故障預防措施

對于勵磁機絕緣不合格通常采用外部加熱干燥和短路電流干燥的方法。外部加熱干燥法是采用電爐和蒸汽管作熱源，使用鼓風機吹風，但是熱空氣溫度不能超過90℃，為了使電機干燥均勻和防止久熱變形，應不斷轉動轉子。

短路電流法相對復雜，是將整流環的整流元件正負極短路，小心地在勵磁機回路中加入勵磁電流不大于額定短路勵磁電流的40%，運行3～4h后再升高勵磁電流至55%額定短路勵磁電流。干燥的注意事項有過分潮濕的不宜采用線圈通電加熱法；加熱過程應防止局部過熱現象；絕緣電阻在干燥過程中，應每隔半小時測量一次，當其值穩定3h后可判斷為干燥完成。

5 結語

火力發電廠汽輪發電機設備的正確使用和維護非常重要，如果維護不當將會嚴重影響火電廠的正常運行。認真記錄維修過程，積累維修經驗，使故障及時得到解決。保障電力企業穩步發展，保障企業供電用電，促進經濟快速發展。