大型汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子燒損的經(jīng)驗教訓(xùn)

于旭東

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

某發(fā)電廠350 MW汽輪發(fā)電機組停機檢修，拆卸汽輪發(fā)電機并抽出轉(zhuǎn)子以后進行檢驗時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子表面有多處燒損情況。檢查結(jié)果表明，它們主要發(fā)生在轉(zhuǎn)子槽楔相互之間的結(jié)合面處、槽楔與轉(zhuǎn)子本體的結(jié)合面處、轉(zhuǎn)子表面與槽楔實施洋沖鎖緊的槽楔與槽楔連接處，這些燒損部位共有38處之多。根據(jù)經(jīng)驗判斷，這是一種典型的、也是一種長見的負序電流燒損案例。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路或負荷三相不對稱時，所產(chǎn)生的負序電流可能使發(fā)電機轉(zhuǎn)子嚴重受損，甚至導(dǎo)致轉(zhuǎn)子報廢[1]。本文介紹引起這種損傷的原因、負序電流的危害、負序電流的限值、損傷的修復(fù)方法以及應(yīng)當(dāng)吸取的經(jīng)驗教訓(xùn)。

1 負序電流的危害

當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度與三相正序?qū)ΨQ電流所形成的正向旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速一致時，即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動與正序旋轉(zhuǎn)磁場之間沒有無相對運動，便處于同步狀態(tài)。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路或三相負荷不對稱(比如接有電力機車、電弧爐等單相負荷)時，便在發(fā)電機定子繞組中產(chǎn)生負序電流。該負序電流在發(fā)電機氣隙中產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)磁場(與正序電流產(chǎn)生的正向旋轉(zhuǎn)磁場相反)，它相對于轉(zhuǎn)子來說具有2倍的同步轉(zhuǎn)速，因此在轉(zhuǎn)子中就會感應(yīng)出頻率為100 Hz的電流。該倍頻電流主要流經(jīng)轉(zhuǎn)子本體、槽楔和阻尼條，而在轉(zhuǎn)子端部附近沿周向形成閉合回路，這就使得轉(zhuǎn)子端部、護環(huán)內(nèi)表面、槽楔和小齒等的接觸面部位，就會出現(xiàn)就像電焊施工那樣的局部燒熔，嚴重時會使轉(zhuǎn)子護環(huán)受熱膨脹、甚至松脫，導(dǎo)致災(zāi)難性后果[2]。在負序(反向)氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子電流之間，正序(正向)氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與定子負序電流之間所產(chǎn)生的頻率100 Hz交變電磁力矩將同時作用于轉(zhuǎn)子大軸和定子機座上，引起頻率為100 Hz的倍頻振動。

2 負序電流的限值

為了預(yù)防這類事故的發(fā)生，發(fā)電機都具有一定的負序電流的承受能力，這主要取決于轉(zhuǎn)子的負序電流發(fā)熱條件(即負序電流的平方與其持續(xù)時間的乘積)，而不是發(fā)生的振動。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，發(fā)電機應(yīng)能承受一定數(shù)量的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)負序電流。當(dāng)三相負載不對稱時，每相電流均不得超過額定定子電流(IN)，而且其負序電流分量(I2)與額定定子電流(IN)之比I2/IN值必須符合GB/T 7064—2008的規(guī)定才能連續(xù)運行。當(dāng)發(fā)生三相負載不對稱的故障運行時，其負序電流分量(I2)與額定定子電流(IN)之比的平方(I2/IN)2與持續(xù)運行時間t的乘積(I2/IN)2t，也應(yīng)符合該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定(見表1)。

3 負序電流的安全保護

從現(xiàn)場的保護設(shè)備記錄數(shù)據(jù)查詢結(jié)果表明，發(fā)電設(shè)備長期運行中發(fā)出保護報警信號時的負序電流保護整定值設(shè)定為960 A。然而，在機組兩年多的運行期間里，并沒有出現(xiàn)過負序電流過大的報警信號，也沒有查詢到其它報警信號。至于機組運行數(shù)據(jù)的查詢，由于故障錄波器沒有記錄下發(fā)生故障時的相關(guān)數(shù)據(jù)，只能通過查閱大量的現(xiàn)場機組運行數(shù)據(jù)來查找負序電流的大小。

表1 電網(wǎng)負荷不平衡時汽輪發(fā)電機的負序電流承受能力(限值)

查詢結(jié)果表明，在該機組兩年的所有運行數(shù)據(jù)中，查到的最大負序電流為304.69 A(相當(dāng)于2.56%的IN)。雖然在這段期間曾經(jīng)發(fā)生過幾次事故，如電網(wǎng)事故、變電站變壓器事故、勵磁設(shè)備事故(甚至引起轉(zhuǎn)子接地報警)等，但是其負序電流都遠未超過保護整定值960 A。

4 轉(zhuǎn)子燒損的原因

查詢結(jié)果表明，在機組運行過程中，電網(wǎng)曾出現(xiàn)過負荷不平衡的情況，尤其是單相負荷的投入或切除時，會使得負序電流迅速陡變。負序電流曾經(jīng)在短時間內(nèi)(1～2 s內(nèi))從140 A左右突然升到276.45 A。這種引起負序電流迅速加倍增大的結(jié)果會引起穩(wěn)態(tài)負序電流過大或者暫態(tài)負序電流(I2/IN)2t超限，在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出2倍工頻(100 Hz)交變電流[3]。由于集膚效應(yīng)的作用，倍頻交變電流主要在轉(zhuǎn)子表層流通，經(jīng)轉(zhuǎn)子本體、槽楔和阻尼條，使得轉(zhuǎn)軸表層和轉(zhuǎn)子槽楔等零部件的接觸面處發(fā)生焦耳效應(yīng)、引起火花放電而燒損。這是本機故障的主要原因。

5 轉(zhuǎn)子燒損的修復(fù)方法

(1) 拔下轉(zhuǎn)子兩端護環(huán)，拆除全部轉(zhuǎn)子繞組以后，對護環(huán)、轉(zhuǎn)子線圈、轉(zhuǎn)子下線槽以及轉(zhuǎn)子槽楔等進行徹底清理(必要時對其進行探傷檢驗)，全部清理干凈以后重新裝配，恢復(fù)原狀。

(2) 所有槽楔灼傷處全部打磨修理并清理干凈后回用，復(fù)測相鄰槽楔對接處的高差；更換所有導(dǎo)電連接塊，調(diào)整其配合尺寸，增大其接觸壓力，保證其在運行中的可靠接觸，最后將回裝后的轉(zhuǎn)子進出風(fēng)槽楔調(diào)整到正常位置，用洋沖重新鎖住槽楔，以保證轉(zhuǎn)子通風(fēng)風(fēng)路暢通不被槽楔擋住。

回裝完畢后按標(biāo)準(zhǔn)要求進行對該轉(zhuǎn)子直流電阻、絕緣電阻、交流阻抗、耐壓試驗[4]。

6 經(jīng)驗教訓(xùn)

由于負載的復(fù)雜多變，包括電網(wǎng)在內(nèi)的任何電力系統(tǒng)，盡管都普遍裝設(shè)了電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置(PPS)，但還是很難完全避免出現(xiàn)三相負載不平衡狀態(tài)下的運行工況。所以，發(fā)電廠應(yīng)當(dāng)采取自我保護措施，裝設(shè)負序電流安全保護裝置。但是其整定值不應(yīng)當(dāng)設(shè)定太高，以免即使轉(zhuǎn)子燒毀了而保護裝置卻沒有動作，未能發(fā)揮安全保護作用；同時也不能設(shè)定太低，轉(zhuǎn)子沒有損傷而保護裝置動作，斷電跳閘，使發(fā)電廠蒙受經(jīng)濟損失，同時又使電網(wǎng)承受負載不平衡的第二次沖擊。所以，負序電流安全保護裝置限值的設(shè)定，必須結(jié)合實際情況進行優(yōu)選，而且要滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。這就是經(jīng)歷這次損傷事件應(yīng)當(dāng)吸取的經(jīng)驗教訓(xùn)。

7 結(jié)論

(1) 由于電力系統(tǒng)負載的復(fù)雜多變，很難完全避免出現(xiàn)不平衡的運行工況，要求發(fā)電機必須具備符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的負序電流承受能力。

(2) 作為電力系統(tǒng)的電網(wǎng)部門在裝設(shè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置的同時，仍然要采取更多的有效措施來防止負載的不平衡和動蕩。

(3) 發(fā)電廠的負序電流安全保護裝置的動作限值，應(yīng)當(dāng)聯(lián)系實際情況經(jīng)過優(yōu)選來設(shè)定，杜絕那種已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)子燒損而保護裝置因設(shè)定偏高而不作為的現(xiàn)象。

[1] 汪耕.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.

[2] 張學(xué)延.汽輪發(fā)電機組振動診斷[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3] 張征平.大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子故障分析與診斷[M].北京：中國電力出版社，2011.

[4] 李永剛.發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障特性分析與識別[M].北京：中國電力出版社，2009.