汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子典型故障機(jī)理分析及診斷方法

劉志巖

摘 要：目前電力工業(yè)生產(chǎn)中汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子故障成為影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要缺陷，一旦發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生故障，將直接影響機(jī)組安全運(yùn)行，甚至將導(dǎo)致機(jī)組非停。因此分析汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的典型故障，并提出診斷方法和解決方案成為電力生產(chǎn)中不得不面對的問題。

關(guān)鍵詞：偏心；不對稱；摩擦力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.047

0 引言

由汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子常見故障入手，分析了常見故障的機(jī)理成因，故障造成的危害，在此基礎(chǔ)上提出了偏心故障的診斷方法，不對稱冷卻的預(yù)防措施和不對稱摩擦的診斷方法，為發(fā)電子轉(zhuǎn)子日常維護(hù)提供了理論依據(jù)。

1 定轉(zhuǎn)子間氣隙偏心

1.1 偏心故障機(jī)理及其成因

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的三個中心包括定子中心、轉(zhuǎn)子中心、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心，這三個中心是發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子通過氣隙磁場耦合形成的。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時電磁力均勻?qū)ΨQ的分別在轉(zhuǎn)子上，發(fā)電機(jī)間氣隙分別均勻，三個中心重合。若由于某種原因造成氣隙偏心，即三個中心不重合時，將形成動態(tài)偏心和靜態(tài)偏心兩種氣隙偏心。

動態(tài)偏心是由于軸承磨損、轉(zhuǎn)軸彎曲撓度、安裝不規(guī)范等原因造成的轉(zhuǎn)子中心與旋轉(zhuǎn)中心不吻合。最小間隙是隨著空間和時間而變化，不在是靜止的。這樣由于靜止部件和主軸之間的摩擦產(chǎn)生的高熱，主軸就會因高熱而膨脹，造成主軸彎曲。靜態(tài)偏心是導(dǎo)軸承中心從定子中心向某個方向偏移，使得轉(zhuǎn)子氣隙變化，轉(zhuǎn)子相對于定子偏心。致使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中心與定子中心不吻合。靜態(tài)偏心一般不隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而改變，它會在某一固定位置，一般是由于裝配不合格或加工精度的原因造成的。

1.2 偏心故障的危害

一般動態(tài)偏心會造成磁通分布不對稱，轉(zhuǎn)子很可能會產(chǎn)生單極效應(yīng)，導(dǎo)致軸電壓的產(chǎn)生，甚至可能會導(dǎo)致軸承油膜擊穿，形成的軸電流燒損軸瓦。靜態(tài)偏差同樣會引起發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子振動，惡化軸承工作狀況，使線棒磨損嚴(yán)重，甚至危及到發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。可見不管是動態(tài)偏心還是靜態(tài)偏心都會加劇轉(zhuǎn)子彎曲，一旦轉(zhuǎn)子彎曲嚴(yán)重將會引起轉(zhuǎn)動部件和靜止部件的摩擦，甚至?xí)斐稍O(shè)備損壞，可見偏心對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言是衡量旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能的重要指標(biāo)。

1.3 偏心故障的診斷方法

現(xiàn)有的針對汽輪發(fā)電機(jī)偏心的診斷方法一般是根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的振動特征進(jìn)行判斷，但是在偏心的故障下會引起發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子同時振動。常規(guī)的診斷方法是根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的振動特征，但是造成轉(zhuǎn)子振動的原因有很多，諸如碰撞、摩擦、質(zhì)量不平衡等等。若同時結(jié)合發(fā)電機(jī)定子在故障態(tài)時的振動特征，可以更全面的了解發(fā)電機(jī)偏心的原因。結(jié)合工程實踐，不同的偏心故障以及正常運(yùn)行狀況下發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子的組合振動特征都是唯一的。

2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不對稱冷卻

2.1 轉(zhuǎn)子不對稱冷卻成因

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不對稱冷卻故障的原因一般是由于通風(fēng)道堵塞，導(dǎo)致繞組的冷卻程度存在偏差，使得轉(zhuǎn)子兩次存在溫差，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)子彎曲變形。筆者對汽輪發(fā)電機(jī)組多年的維護(hù)經(jīng)驗得知造成轉(zhuǎn)子不對稱冷卻的原因大多包括：槽底墊條錯位，壓制槽襯用的脫模薄膜堵塞了通風(fēng)道，楔下墊條錯位，楔下墊條未開孔，匝間絕緣未開孔、半開孔或錯位，雜物堵塞通風(fēng)道，導(dǎo)線側(cè)面銑槽的轉(zhuǎn)子通風(fēng)結(jié)構(gòu)存在設(shè)計問題，起動或停機(jī)時通風(fēng)道堵塞。

2.2 轉(zhuǎn)子不對稱冷卻的危害

轉(zhuǎn)子不對稱冷卻將導(dǎo)致勵磁繞組局部溫度過高，使得勵磁繞組絕緣過早老化，降低勵磁繞組的使用壽命；轉(zhuǎn)子不對稱冷卻還使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生工頻振動，加劇勵磁繞組的磨損，嚴(yán)重時甚至?xí)龘p勵磁繞組。另外，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不對稱冷卻使轉(zhuǎn)子在單一方向受力，長時間單方向受力將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子永久性的彎曲變形。

2.3 轉(zhuǎn)子不對稱冷卻的預(yù)防

目前針對轉(zhuǎn)子不對稱的診斷方法大多是根據(jù)溫度傳感器結(jié)合進(jìn)出風(fēng)口兩側(cè)溫差來判斷，有些診斷方法還會結(jié)合轉(zhuǎn)子振動。為避免轉(zhuǎn)子不對稱冷卻，目前主要的采取以下預(yù)防措施：

1）在生產(chǎn)制造轉(zhuǎn)子繞組時，可要求生產(chǎn)廠家優(yōu)化端部的冷卻方式，將單路通風(fēng)改為雙路通風(fēng)。2）可將轉(zhuǎn)子的側(cè)面銑孔的冷卻方式優(yōu)化為中間銑孔的冷卻方式。3）有目的有計劃的進(jìn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升試驗，將溫升試驗作為定期工作，以此掌握發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的溫升變化。4）在發(fā)電機(jī)定子加裝熱風(fēng)區(qū)間、冷風(fēng)區(qū)間的氣隙隔板，以此降低轉(zhuǎn)子繞組溫度。加裝冷熱風(fēng)區(qū)間氣隙隔板可有效防止未經(jīng)冷卻的熱風(fēng)進(jìn)入定子出口，以此加強(qiáng)轉(zhuǎn)子繞組冷卻。

3 勵磁繞組與轉(zhuǎn)子本體及護(hù)環(huán)不對稱摩擦

（1）不對稱摩擦成因。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，因離心力產(chǎn)生的摩擦力，在繞組線匝上產(chǎn)生其沿軸向伸長的摩擦應(yīng)力，對于汽輪發(fā)電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 3000r/min 時，任一線匝的離心力 F 為，其中為線匝的旋轉(zhuǎn)半徑，為導(dǎo)體截面積，為導(dǎo)體長度。隨著勵磁電流的增大，線圈被不斷加熱，使線圈膨脹。由于中心環(huán)與勵磁繞組的間隙較小，使軸向膨脹受阻，這樣軸向不均勻的作用力使機(jī)組在高速旋轉(zhuǎn)下本體與護(hù)環(huán)聯(lián)接力降低，護(hù)環(huán)發(fā)生變形，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的不平衡振動。

（2）不對稱摩擦的危害。由于轉(zhuǎn)子本體與繞組及護(hù)環(huán)的不對稱摩擦力將導(dǎo)致繞組受不平衡的作用力向一邊拉扯，很可能使勵磁繞組絕緣磨損，從而發(fā)生接地或短路故障。由于不平衡摩擦力的存在，勵磁的繞組線棒將產(chǎn)生變形，變形線匝在失掉墊塊的狀態(tài)下由離心力作用將產(chǎn)生位移。另外，繞組在長期不對稱摩擦力下很可能使線棒達(dá)到材料疲憊極限，給設(shè)備造成不可挽回的損失。

（3）不對稱摩擦的診斷。將勵磁電流增大，若基頻振動隨著勵磁電流的增大而增大，則說明系統(tǒng)存在不對稱摩擦；查看發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動的頻譜圖，若存在不對稱摩擦則頻譜圖中的基頻振動較正常情況下會明顯增大；降低勵磁電流，若存在不對稱的摩擦力，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子基頻不會明顯地隨著勵磁電流的減小而減小。

4 結(jié)論

本文分析了汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程幾種常見的故障，包括定轉(zhuǎn)子間氣隙偏心，轉(zhuǎn)子不對稱冷卻，繞組與轉(zhuǎn)子本體及護(hù)環(huán)不對稱摩擦；并在此基礎(chǔ)上提出了這幾種故障產(chǎn)生的原因和危害，提出故障的診斷方法，為相似的工程提供了借鑒。

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