390H發(fā)電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)電螺釘故障分析

顧青，俞華峰

（江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213011）

390H發(fā)電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)電螺釘故障分析

顧青，俞華峰

（江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213011）

390H發(fā)電機在國內(nèi)投入運行后，轉(zhuǎn)子導(dǎo)電螺釘出現(xiàn)故障的幾率較高。結(jié)合現(xiàn)場鑒定、檢修等工作，介紹了390H發(fā)電機集電環(huán)導(dǎo)電螺釘、主引線導(dǎo)電螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)特征，分析了故障原因，提出了具體的檢修維護建議。

390H發(fā)電機；轉(zhuǎn)子導(dǎo)電螺釘；故障分析

0 引言

江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司（以下簡稱戚墅堰發(fā)電公司）＃1和＃2機組為390MW S109FA型單軸燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)（GTCC）機組，配套GE公司390H型發(fā)電機，分別于2005年11月、12月投入商業(yè)運行。投入運行后，轉(zhuǎn)子導(dǎo)電螺釘出現(xiàn)故障的幾率較高，本文針對該問題進行分析。

1 390H發(fā)電機概述

390H型發(fā)電機主要參數(shù)：冷卻方式，轉(zhuǎn)子直接氫冷，定子氫外冷；外形結(jié)構(gòu)，單端驅(qū)動，端蓋軸承；額定轉(zhuǎn)速，3 000 r／min；輸出功率，398 MW；功率因數(shù)，0.85；額定容量，468MV·A；額定電壓，19 kV；額定頻率，50Hz；氫壓，413.8 kPa；效率，99.02%；絕緣等級，轉(zhuǎn)子F級，定子F級以上；溫升，B級標準；勵磁系統(tǒng)，母線供電靜止勵磁；冷卻方式，全氫冷；定子質(zhì)量，267.0 t；轉(zhuǎn)子質(zhì)量，64.4 t；機組總質(zhì)量，

367.0 t。

390H型發(fā)電機采用隱極式轉(zhuǎn)子，由整段高強度、高導(dǎo)磁性合金鋼鍛制加工而成，全長約12 m。轉(zhuǎn)子護環(huán)由非磁性高機械性能合金鋼鍛制而成，熱套于轉(zhuǎn)子本體及中心環(huán)上，與轉(zhuǎn)子本體和中心環(huán)之間均有環(huán)鍵固定。中心環(huán)是從轉(zhuǎn)軸鍛件上加工下來的，為懸掛式結(jié)構(gòu)，對護環(huán)起著固定、支撐和使其保持與轉(zhuǎn)軸同心的作用，同時防止轉(zhuǎn)子端部繞組軸向位移。

390H發(fā)電機轉(zhuǎn)子額定勵磁電流2 019 A，額定勵磁電壓750V，勵磁繞組額定最高溫度120℃。線圈采用輔槽通風冷卻，與常見的氣隙取氣斜流通風方式不同，轉(zhuǎn)子端部線圈處銑通風溝，進風沿線圈至徑向通風孔排出。

轉(zhuǎn)子每極有9組線圈，每圈12匝，線圈由含銀銅線冷拉并彎制成的C型線棒焊接而成，通過中頻焊焊接形成1匝。接頭焊接形式為直面對接，與常見的燕尾式接頭或Ω接頭有所不同，對焊接合縫面的間隙要求較高，熔合面積必須大于75%。轉(zhuǎn)子整體采用全阻尼結(jié)構(gòu)，槽楔下的阻尼條與轉(zhuǎn)子兩端的阻尼瓦連為整體阻尼籠，提高正常運行及機組啟動時發(fā)電機作電動機運行時由靜態(tài)啟動裝置（LCI）變頻驅(qū)動的抗負序電流能力。

390H發(fā)電機集電環(huán)用耐磨鍛鋼制成，直徑400 mm，環(huán)寬170 mm，有表面螺紋斜槽（每極9槽螺紋），與絕緣筒共同熱套在轉(zhuǎn)子勵端。集電環(huán)電刷每極7組，每組4個，型號為228C7434P01。

EX2100靜態(tài)勵磁裝置提供的勵磁電流通過碳刷實現(xiàn)轉(zhuǎn)子動靜部分的能量輸入，勵磁電流通過集電環(huán)導(dǎo)入。集電環(huán)與轉(zhuǎn)子繞組通過裝配在轉(zhuǎn)子鍛件中心孔內(nèi)的半圓形正、負極導(dǎo)電桿進行電連接。每根導(dǎo)電桿兩側(cè)通過主引線導(dǎo)電螺釘、集電環(huán)導(dǎo)電螺釘分別與轉(zhuǎn)子繞組和集電環(huán)相連。導(dǎo)電螺釘在空間上互呈180°對稱裝配在轉(zhuǎn)軸徑向孔中。

2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子集電環(huán)導(dǎo)電螺釘故障分析

由于燃氣輪機機組主要以調(diào)峰方式運行，發(fā)電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)電螺釘不僅在頻繁的機組啟、停中受到徑向剪切力的影響，還受到轉(zhuǎn)軸中心孔導(dǎo)電桿軸向熱脹冷縮的作用。截至2012年年初，全球59臺由GE公司制造的390H型發(fā)電機中，主引線導(dǎo)電螺釘松脫造成轉(zhuǎn)子接地的案例有4起，其中3起在中國，分別發(fā)生在望亭電廠、珠江電廠和半山電廠。

2.1 集電環(huán)導(dǎo)電螺釘與導(dǎo)電桿螺紋連接處閃絡(luò)

390H型發(fā)電機采用雙密封結(jié)構(gòu)集電環(huán)導(dǎo)電螺釘，除負責輸送集電環(huán)與中心孔導(dǎo)電桿之間的勵磁電流外，還擔負著運行中發(fā)電機轉(zhuǎn)子對外的氫氣密封（另有一處中心孔堵板），其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集電環(huán)導(dǎo)電螺釘?shù)钠拭娼Y(jié)構(gòu)

2007-04-13 T 11：58，半山電廠＃1燃氣輪機離線水洗作業(yè)進入第10次漂洗時，控制系統(tǒng)發(fā)出“轉(zhuǎn)子接地”報警，燃氣輪機水洗程序中斷。故障發(fā)生后，GE公司派專家現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生在負極集電環(huán)導(dǎo)電螺釘與導(dǎo)電桿的接觸面上，由于電弧引起集電環(huán)與轉(zhuǎn)子繞組之間的導(dǎo)電連接處損壞，造成轉(zhuǎn)子一點接地。

2007年4月27日，發(fā)電機轉(zhuǎn)子抽出并送維修工廠維修。9月20日，返回半山電廠現(xiàn)場回裝。整個檢修工作于9月30日結(jié)束，機組啟動并網(wǎng)發(fā)電，并網(wǎng)后運行正常。

2007年11月16日，GE公司通報＃1發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障分析結(jié)果，認為該發(fā)電機轉(zhuǎn)子在制造過程中存在質(zhì)量問題而導(dǎo)致故障，可能原因如下：導(dǎo)電螺紋表面質(zhì)量不佳；安裝時力矩不正確，造成導(dǎo)電螺絲松動；導(dǎo)電螺絲在安裝時未擰到位；以上問題是明顯的裝配不當造成的。

由于GE公司認為此類故障在同類燃氣輪機中發(fā)生的概率小于0.1%，所以不建議對其他機組進行同類檢查。

作者認為：由于集電環(huán)導(dǎo)電螺桿與導(dǎo)電桿通過螺紋連接，同時需兼顧氫氣密封，安裝時精度要求較高（扭矩87.9～108.2N·m），故在懷疑集電環(huán)導(dǎo)電螺釘接觸不良時，用木錘或膠錘輕擊導(dǎo)電螺釘看直流電阻有無變化（注意：敲擊時切勿擊打?qū)щ娐葆旐敳繗饷茉囼炗贸令^螺絲）。

2.2 集電環(huán)導(dǎo)電螺釘漏氫

2010年5月4日中班，戚墅堰發(fā)電公司運行人員在＃2發(fā)電機啟動前的巡檢中，偶然發(fā)現(xiàn)手持式檢漏儀檢測集電環(huán)罩殼內(nèi)部時有報警，后多次在機組啟動及帶負荷狀態(tài)下檢查，檢漏儀均未報警。經(jīng)檢修人員仔細查找，確認氫氣出自內(nèi)環(huán)極集電環(huán)導(dǎo)電螺釘，但發(fā)電機膛內(nèi)氫壓無下跌且3個集電環(huán)罩殼危險氣體探頭無報警。

鑒于發(fā)電機氫壓無下跌趨勢，機組直至當年9月25日才進行消缺。9月25日10：00，將退出盤車并完成氫置換的＃2發(fā)電機膛內(nèi)充儀用壓縮氣體升至0.4MPa，在滲氫缺陷部位拆掉分流環(huán)及內(nèi)、外銅螺母、鋼螺母后進行氣密檢漏。灌入無水乙醇，發(fā)現(xiàn)氣體從導(dǎo)電螺釘?shù)谋倔w部位逸出，證明導(dǎo)電螺釘本體或密封件確有滲氫現(xiàn)象。

剔除導(dǎo)電螺釘四周白色硅橡膠，灌入無水乙醇僅淹沒到密封圈上部，未發(fā)現(xiàn)氣泡，證明密封件沒有滲氫現(xiàn)象。再次灌入無水乙醇淹沒到導(dǎo)電螺釘本體絕緣上部，發(fā)現(xiàn)氣泡，判斷導(dǎo)電螺釘本體導(dǎo)電部分與絕緣套脫殼。

更換導(dǎo)電螺釘及其密封件后，立即進行了導(dǎo)電螺釘?shù)臍饷茉囼?。拆開導(dǎo)電螺釘頂部的氣密試驗用沉頭螺釘，充壓0.55MPa，保持45min未見變化，即試驗合格。經(jīng)過消缺后，＃2發(fā)電機至今運行良好。

3 發(fā)電機轉(zhuǎn)子主引線導(dǎo)電螺釘故障分析

3.1 主引線導(dǎo)電螺釘松動故障

繼國內(nèi)3家109FA燃氣輪機電廠發(fā)生轉(zhuǎn)子主引線導(dǎo)電螺釘松動問題之后，2012年12月華興電廠＃2發(fā)電機、2013年1月戚墅堰發(fā)電公司＃1發(fā)電機相繼在檢修中發(fā)現(xiàn)相同問題。390H發(fā)電機護環(huán)下主引線導(dǎo)電螺釘?shù)钠拭娼Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主引線導(dǎo)電螺釘?shù)钠拭娼Y(jié)構(gòu)

2011年9月10日，珠江天然氣發(fā)電廠＃2發(fā)電機在盤車狀態(tài)下出現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障。拔出勵端護環(huán)后發(fā)現(xiàn)內(nèi)環(huán)極主引線導(dǎo)電螺釘能略微晃動，焊開其與＃1線圈底匝的連接后，晃動幅度明顯增大，螺釘?shù)逆i緊螺母能旋轉(zhuǎn)2／3圈，徑向可向下移動一兩毫米。拆下的主引線導(dǎo)電螺釘及導(dǎo)電桿連接處有明顯的磨損痕跡，導(dǎo)電螺釘外側(cè)覆蓋有鐵質(zhì)黑粉。

由于內(nèi)環(huán)極主引線導(dǎo)電螺釘?shù)逆i緊螺母沒有擰緊，在發(fā)電機啟停中導(dǎo)電螺釘左右晃動，長時間的盤車使導(dǎo)電螺釘與導(dǎo)電桿、鎖緊螺母間摩擦產(chǎn)生金屬粉末，彌漫并覆蓋在主引線導(dǎo)電螺釘?shù)慕^緣層上，使導(dǎo)電螺釘與轉(zhuǎn)軸短接，造成接地故障。

由于主引線導(dǎo)電螺釘?shù)能涍B接（鵝脖）與轉(zhuǎn)子＃1線圈焊接固定，長時間的螺釘擺動造成軟連接與螺釘本體銜接的根部發(fā)生疲勞斷裂。

由于390H型發(fā)電機中主引線導(dǎo)電螺釘松脫造成轉(zhuǎn)子接地的案例在國內(nèi)發(fā)生4起，GE公司緊急出臺了TIL1836《Generator Field Main Terminal Inspection》。技術(shù)通報中要求在390H發(fā)電機定期大修或小修期間執(zhí)行下列電氣試驗：轉(zhuǎn)子繞組直流電阻測量；轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣電阻的測試；當試驗數(shù)據(jù)異?；螂S轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而發(fā)生偏差時，應(yīng)進行導(dǎo)電螺釘?shù)耐庥^檢查，包括護環(huán)底部、轉(zhuǎn)子中心孔區(qū)域的內(nèi)窺鏡檢查。同時，要求將詳細的檢驗報告（包括照片和測試結(jié)果）提交到GE公司。

作者認為：在實際檢修中，轉(zhuǎn)子中心孔區(qū)域的內(nèi)窺鏡檢查不適用于390H型發(fā)電機。

3.2 主引線導(dǎo)電螺釘導(dǎo)電接觸面的對比和結(jié)構(gòu)改進

2012年 2月及 5月，戚墅堰發(fā)電公司根據(jù)TIL1836技術(shù)通報，在＃1和＃2機組檢修中對2臺390H發(fā)電機的主引線導(dǎo)電螺釘進行了重點檢查，包括內(nèi)窺鏡檢查主引線螺釘鵝脖是否有疲勞性裂紋，盤車后主引線導(dǎo)電螺釘鎖緊螺母處是否存在金屬粉末，檢測轉(zhuǎn)子繞組在每盤動轉(zhuǎn)子30°（后GE公司推薦為每隔45°）下直流電阻、絕緣電阻的變化，均正常。

2013年1月21日，發(fā)現(xiàn)＃1發(fā)電機修前試驗數(shù)據(jù)不合格，主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子繞組直流電阻值異常。盤動轉(zhuǎn)子各角度下，每次測試直流電阻發(fā)現(xiàn)有超過2%的變化，其相互間最大差值達4.72%，并在同一位置前后兩次測得的直流電阻值不一致，總體直流電阻在269.1～281.8mΩ之間，而絕緣電阻則在合格范圍內(nèi)。

2013年1月24日，發(fā)電機轉(zhuǎn)子抽出，在兩個主引線導(dǎo)電螺釘處目視檢查均無金屬粉末痕跡。為了進一步判斷故障點，在轉(zhuǎn)子繞組直阻測試中輕擊內(nèi)、外環(huán)極主引線導(dǎo)電螺釘，在內(nèi)環(huán)極導(dǎo)電螺釘觸碰時直流電阻有明顯變化，確定該主引線導(dǎo)電螺釘松動。

2013年1月28日，各項準備工作處置妥當后拉轉(zhuǎn)子勵側(cè)護環(huán)，經(jīng)過2天搶修將兩個主引線導(dǎo)電螺釘更換完畢。1月31日電氣試驗合格，同日完成了發(fā)電機穿轉(zhuǎn)子工作。

在本次檢修中，戚墅堰發(fā)電公司更換了GE公司2012年下半年推出的帶防松結(jié)構(gòu)的改進版主引線導(dǎo)電螺釘，主要體現(xiàn)在鎖緊螺母的螺紋處增加了徑向開槽，并增加了2個螺紋鎖緊釘，通過減少鎖緊螺母的牙距達到增強主引線導(dǎo)電螺釘鎖緊程度的目的，防止發(fā)電機在調(diào)峰運行方式下頻繁啟停導(dǎo)致主引線螺釘松動。

4 結(jié)論

根據(jù)GE公司TIL1836發(fā)電機轉(zhuǎn)子主引線導(dǎo)電螺釘檢查的技術(shù)通報：1臺機組已經(jīng)累計盤車超過1000 h或啟動800次（先到者為準），如果檢查沒問題，機組可重新恢復(fù)到機組操作維護手冊上的常規(guī)停機檢查范圍和進度表。

戚墅堰發(fā)電公司＃1發(fā)電機在2012年2月檢修時累計盤車時間已超過1 000 h，轉(zhuǎn)子不同角度的直阻測試沒有發(fā)現(xiàn)問題。2013年1月9日，檢修中發(fā)現(xiàn)主引線導(dǎo)電螺釘松動的華興電廠＃2發(fā)電機，在2011年11月底的直流電阻測試中也檢查良好。2臺發(fā)電機暴露的問題證明，TIL1836的部分通報內(nèi)容已不適用于現(xiàn)場實際。珠江天然氣發(fā)電廠檢修中發(fā)現(xiàn)的接地故障，早期未必能在內(nèi)窺鏡檢測中發(fā)現(xiàn)。因此，建議有390H型發(fā)電機的電廠仍要定期進行發(fā)電機轉(zhuǎn)子不同角度下直流電阻的測量，并做好相關(guān)備品、備件的采購和更換準備工作。

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（本文責編：白銀雷）

TM 307

：B

：1674-1951（2015）04-0055-03

顧青（1979—），男，江蘇無錫人，助理工程師，從事燃機電廠電氣設(shè)備的檢修、技改及管理工作（E-mail：gqie＠163. com）。

2014-07-10；

2015-03-20