350 MW汽輪發(fā)電機(jī)定子故障分析及改進(jìn)對(duì)策

沈 杰

（寶山鋼鐵股份有限公司電廠，上海 200941）

前言

寶鋼電廠3#汽輪發(fā)電機(jī)額定容量為350 MW，發(fā)電機(jī)冷卻方式為全氫內(nèi)冷，由日本三菱電機(jī)公司制造，隨新建機(jī)組項(xiàng)目于1999年投入運(yùn)行。自2009年4月首次發(fā)生發(fā)電機(jī)定子槽楔脫落以來，在2010年5月、2012年3月及2013年7月總計(jì)共4次都發(fā)生了槽楔松動(dòng)脫落的故障，其中2013年7月發(fā)生的故障最為嚴(yán)重，造成停機(jī)搶修35天、發(fā)電量約2億多千瓦時(shí)的經(jīng)濟(jì)損失。

在前3次故障發(fā)生后，盡管都采取了相應(yīng)的對(duì)策措施，但是都未能徹底解決問題，說明在處理對(duì)策上存在偏差；同時(shí)也反映出原因之復(fù)雜，處理之困難。2013年7月故障發(fā)生后，中日雙方開展了高層會(huì)談，都認(rèn)識(shí)到了解決問題的難度及需要付出的代價(jià)；雙方通過后續(xù)多次討論，于2014年3月提出了一個(gè)旨在徹底解決問題的改造方案，并在2014年12月實(shí)施了該改造項(xiàng)目方案。

以2013年7月發(fā)生的故障為案例，說明檢查情況，分析原因，介紹后續(xù)改進(jìn)方案及實(shí)施效果。

1 事件經(jīng)過

2013年7月25日12:26,寶鋼電廠3#機(jī)組正常運(yùn)行中突然發(fā)生發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)64G3動(dòng)作，發(fā)電機(jī)保護(hù)出口動(dòng)作，機(jī)組故障跳閘。

64G3動(dòng)作后，檢查發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)部動(dòng)作記錄，確認(rèn)64G3的95%及100%電機(jī)定子接地保護(hù)均動(dòng)作；查閱故障錄波器，確認(rèn)保護(hù)動(dòng)作時(shí)有較大的零序電壓波形記錄；測量發(fā)電機(jī)的絕緣電阻，確認(rèn)發(fā)電機(jī)定子-主變-廠高變主回路對(duì)地絕緣電阻為零。發(fā)電機(jī)排氫后，打開汽側(cè)發(fā)電機(jī)人口門進(jìn)入內(nèi)部檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)端部有槽楔和絕緣物脫落；拆除發(fā)電機(jī)出線與分相封閉母線的軟連接線后測得發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣電阻為零。由此最終確認(rèn)是發(fā)電機(jī)故障，需要開展搶修工作。

2 設(shè)備檢查情況

7月31日，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子抽出，開始對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行檢查，8月2日，完成相關(guān)檢查。主要情況如下。

2.1 故障部位

圖1為發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖，確認(rèn)故障接地點(diǎn)在汽側(cè)端部線圈，為圖中框內(nèi)部位。圖2顯示為故障部位定子繞組端部局部意示圖。

圖1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 故障部位定子繞組端部局部圖

檢查確認(rèn)汽側(cè)端部第30槽和第29槽內(nèi)的線棒絕緣層嚴(yán)重?fù)p壞，如圖3所示，其中30槽上部線棒絕緣損壞最嚴(yán)重，有銅裸露；第30槽和第29槽出口隔板脫落，第 1、2、8、9、18、19 槽出口隔板出現(xiàn)輕微松動(dòng)；第21、30槽口的槽楔止擋塊脫落。

2.2 定子槽楔松動(dòng)檢查

圖3 線圈絕緣損壞圖

用人工錘擊槽楔聽聲音的傳統(tǒng)方法，對(duì)發(fā)電機(jī)定子槽楔松動(dòng)情況進(jìn)行檢查，表1列出了檢查結(jié)果。表中，從汽機(jī)側(cè)看，將正中（12點(diǎn)鐘位置）偏左第一個(gè)線槽編號(hào)為第1列，逆時(shí)針依次編號(hào)至30；軸向從勵(lì)磁機(jī)側(cè)至汽機(jī)側(cè)槽楔塊依次編號(hào)從1到34。槽楔總計(jì)1020塊，其中汽側(cè)和勵(lì)側(cè)各為510塊。從表1中可以看出，在汽機(jī)側(cè)，已經(jīng)有187塊槽楔松動(dòng)（標(biāo)出深色框），占汽側(cè)的37%；在勵(lì)側(cè)槽楔基本無松動(dòng)。由此說明汽側(cè)的槽楔松動(dòng)較嚴(yán)重，存在重大隱患。

表1 發(fā)電機(jī)定子槽楔松動(dòng)檢查結(jié)果表

2.3 模態(tài)試驗(yàn)

為判斷發(fā)電機(jī)定子繞組端部是否存在94～115 Hz之間的固有頻率和有害的振型（橢圓振型），在發(fā)電機(jī)抽出轉(zhuǎn)子后實(shí)施了繞組和鐵芯模態(tài)試驗(yàn)。

對(duì)定子繞組端部進(jìn)行振型模態(tài)試驗(yàn)，其中汽側(cè)定子繞組端部固有頻率 (橢圓振型)為80 Hz，勵(lì)側(cè)定子繞組端部固有頻率 (橢圓振型)為79 Hz，與上次2012年相比，數(shù)據(jù)基本相同，滿足國標(biāo)確定的要求。

對(duì)定子鐵芯進(jìn)行振型模態(tài)試驗(yàn)，按照圖4按軸向劃分的鐵芯區(qū)域圖，實(shí)施的定子鐵芯模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果見表2所示。

表2 定子鐵芯背部(斜面激振）固有頻率(橢圓振型)Hz

表2中，鐵芯背部固有頻率盡管不在94～115 Hz區(qū)間，但是本次與2012年試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，在汽側(cè)區(qū)域（1區(qū)，2區(qū)，3區(qū)）頻率有一定的減少，說明汽側(cè)鐵芯的剛度有明顯降低。

2.4 螺栓殘余力矩測量

為判斷鐵芯螺栓和穿心螺栓松動(dòng)情況，檢查測試了汽機(jī)側(cè)和勵(lì)磁側(cè)各8個(gè)鐵芯螺栓、8個(gè)穿心螺栓的殘余力矩，并分別取其平均值，結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，本次與2012年數(shù)據(jù)相比，汽側(cè)的緊固力矩下降較多，其中鐵芯螺栓力矩平均下降51%，穿心螺栓力矩平均下降28%，由此說明汽側(cè)鐵芯松動(dòng)嚴(yán)重。

表3 螺栓殘余力矩

2.5 定子鐵芯長度的變化

為判斷定子鐵芯的緊固情況，測量了定子鐵芯緊固前和緊固后鐵芯長度（L1和L2），測得相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示，并與制造廠最初的制造廠出廠數(shù)據(jù)L0進(jìn)行比較。測量結(jié)果對(duì)比表明，本次定子鐵芯長度平均值緊固后比緊固前縮短3 mm，緊固后比出廠時(shí)縮短5.5 mm，由此說明鐵芯收縮明顯，存在松動(dòng)。

圖4 定子鐵芯分區(qū)圖

表4 定子鐵芯長度的變化

3 故障原因分析

3.1 鐵芯振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

圖5為搶修完成并網(wǎng)運(yùn)行兩周后，發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測裝置于2013年9月13日錄取的5個(gè)測點(diǎn)的定子鐵芯徑向振動(dòng)幅值(峰-峰值）趨勢圖，圖6為2個(gè)測點(diǎn)的定子端部線圈徑向振動(dòng)幅值(峰-峰值）趨勢圖。從圖5中看出，勵(lì)側(cè)鐵芯徑向振動(dòng)幅值小于40 μm（曲線1），從勵(lì)側(cè)到汽側(cè)鐵芯徑向振動(dòng)逐漸增大，其中曲線5（測點(diǎn)距離汽側(cè)端部約2 m鍋爐方向3點(diǎn)鐘位置）振動(dòng)幅值到達(dá)140 μm，超過廠家合格標(biāo)準(zhǔn)的17%。從圖6中看出，勵(lì)側(cè)端部線圈徑向振動(dòng)較小，幅值穩(wěn)定維持在30 μm左右；而汽側(cè)端部線圈徑向振動(dòng)較大，且有逐步上升趨勢，幅值超過70 μm。

圖5 定子鐵芯徑向振動(dòng)幅值(峰-峰值）趨勢圖

圖6 定子端部線圈徑向振動(dòng)幅值(峰-峰值）趨勢圖

按照制造廠確定的氫冷發(fā)電機(jī)定子鐵芯徑向振動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)Dc（定子鐵芯徑向振動(dòng)幅值μm，p-p值@100 Hz）≦70時(shí)，狀態(tài)為優(yōu)良；當(dāng)70120時(shí)，狀態(tài)為較差，必須盡快停機(jī)處理。按照此標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行中3#發(fā)電機(jī)鐵芯徑向振動(dòng)處于嚴(yán)重隱患狀態(tài)。顯然，這種振動(dòng)會(huì)加快發(fā)電機(jī)定子槽楔的松動(dòng)、脫落，引發(fā)嚴(yán)重故障。

3.2 故障原因分析

根據(jù)上述對(duì)槽楔松動(dòng)檢查、螺栓緊固力矩檢查、模態(tài)試驗(yàn)、鐵芯長度的變化及振動(dòng)實(shí)測值，可以確認(rèn)槽楔松動(dòng)引發(fā)的原因是發(fā)電機(jī)靠汽側(cè)的定子鐵芯松動(dòng)。分析認(rèn)為，鐵芯松動(dòng)得原因有兩種可能：

（1）發(fā)電機(jī)經(jīng)過數(shù)年運(yùn)行，鐵芯硅鋼片表面絕緣漆受運(yùn)行溫度的影響發(fā)生不均勻收縮，定子鐵芯緊力減小、螺栓松動(dòng)，鐵芯剛度下降，并進(jìn)一步引起鐵芯振動(dòng)加劇，最終導(dǎo)致定子槽楔松動(dòng)、引發(fā)槽楔脫落故障。

（2）第二種可能是制造質(zhì)量問題引起，例如制造工藝出現(xiàn)問題，制造廠在定子鐵芯疊壓的熱壓溫度、壓力、熱壓次數(shù)等因素，都會(huì)引起鐵芯松動(dòng)。

考慮到本發(fā)電機(jī)首次出現(xiàn)故障前已穩(wěn)定運(yùn)行10年，因此雙方認(rèn)為，故障原因?qū)儆诘谝环N的可能性較大。

4 改進(jìn)對(duì)策

本次故障發(fā)生后，經(jīng)研究，決定采取兩個(gè)階段分步實(shí)施改進(jìn)對(duì)策：（1）短期對(duì)策；（2）制定并實(shí)施徹底解決問題的改進(jìn)方案。

4.1 短期對(duì)策

在徹底解決措施或方案實(shí)施之前，中日雙方確定并實(shí)施了以下短期對(duì)策：

（1）實(shí)施修復(fù)工作

抽出故障線棒，進(jìn)行了絕緣修復(fù)并回裝處理；將定子槽楔全部敲出，重新安裝，更換汽機(jī)側(cè)定子槽楔及絕緣墊片、彈性波紋板；對(duì)定子鐵芯螺栓和穿芯螺栓采用120%力矩進(jìn)行了緊固；進(jìn)行定子繞組電氣試驗(yàn)；進(jìn)行了發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)、開路試驗(yàn)。

（2）實(shí)施在線監(jiān)測

為實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，新增安裝一套在線檢測裝置，裝置能實(shí)施對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行中在線監(jiān)測鐵芯振動(dòng)、線圈振動(dòng)、線圈局部放電數(shù)據(jù)，為狀態(tài)分析工作提供有效依據(jù)。

4.2 徹底改進(jìn)對(duì)策

4.2.1 改進(jìn)方案要點(diǎn)

對(duì)于發(fā)電機(jī)定子鐵芯的松動(dòng)問題，處理的基本思路是，設(shè)法增加鐵芯的整體剛度，并對(duì)螺栓進(jìn)行緊固。汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵芯通常是在制造廠分段疊裝后用大型油壓裝置進(jìn)行壓緊，但在發(fā)電廠現(xiàn)場不具備采用這種方式對(duì)鐵芯進(jìn)行壓緊的條件，通常只能用常規(guī)方法緊固。在本次故障前已對(duì)鐵芯螺栓進(jìn)行常規(guī)緊固數(shù)次，但結(jié)果表明，常規(guī)緊固后短期內(nèi)鐵芯很快又發(fā)生松動(dòng)。經(jīng)過與制造廠多次討論，最終提出處理方案是：一方面，先將發(fā)電機(jī)定子鐵芯穿心螺栓由標(biāo)準(zhǔn)螺栓改為用液壓螺栓，再用液壓裝置對(duì)液壓穿心螺栓進(jìn)行緊固；另一方面，采用灌入環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑以加強(qiáng)鐵芯疊片之間的粘結(jié)強(qiáng)度。主要步驟：

（1）前期準(zhǔn)備工作

①準(zhǔn)備好液壓裝置、液壓穿芯螺栓和螺母,發(fā)電機(jī)頂升工具。

②定做一套特殊的鐵芯環(huán)氧樹脂注入工具，如圖7所示。

（2）機(jī)組停機(jī)后先拆除所有定子線棒。

（3）更換全部常規(guī)的定子鐵芯穿芯螺栓螺母。

原有的定子鐵芯穿芯螺栓螺母為標(biāo)準(zhǔn)的六角螺母，無法用液壓裝置進(jìn)行緊固，因此首先必須將標(biāo)準(zhǔn)穿芯螺栓螺母為液壓螺栓螺母。由于有7個(gè)穿芯螺栓在發(fā)電機(jī)平臺(tái)水平線以下，無法直接更換，所以需要把發(fā)電機(jī)用千斤頂進(jìn)行頂升到一定高度才可把穿芯螺栓更換。

圖7 環(huán)氧樹脂注入特殊工具示意圖

（4）用高精度的液壓裝置緊固鐵芯穿芯螺栓。

穿芯螺栓更換好后，使用液壓裝置，按預(yù)先設(shè)定好的壓力同時(shí)緊固所有的穿芯螺栓，如圖8所示，這樣做的好處是，可以保持所有的螺栓預(yù)緊力均勻相同，鐵芯均勻受力，鐵芯墊片間絕緣不會(huì)損壞。

圖8 用液壓裝置同時(shí)緊固液壓螺母

（5）采用灌入環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑以加強(qiáng)鐵芯疊片之間的粘結(jié)強(qiáng)度。

①啟動(dòng)環(huán)氧注入泵，從勵(lì)側(cè)將環(huán)氧由注入棒插入定子鐵芯通風(fēng)孔，如圖9所示，環(huán)氧樹脂可通過鐵芯通風(fēng)孔滲透進(jìn)入各鐵芯表面。

②環(huán)氧注入工作結(jié)束后，立即用干燥的空氣吹掃鐵芯通風(fēng)孔，如圖10所示,將通風(fēng)孔內(nèi)的環(huán)氧清理干凈。

4.2.2 實(shí)施效果

2014年年12月，按上述改進(jìn)方案要點(diǎn)開始實(shí)施改造，2015年2月完成了改造。改造取得了明顯效果，體現(xiàn)在以下兩方面：

（1）定子鐵芯剛度提高

改造后進(jìn)行了定子鐵芯模態(tài)試驗(yàn)，測試數(shù)據(jù)如表5所示。測試結(jié)果表明，1區(qū)-3區(qū)汽側(cè)固有頻率比之前有明顯提高，而且汽側(cè)固有頻率與勵(lì)側(cè)固有頻率基本一致，遠(yuǎn)離100 Hz。說明改造后，定子鐵芯剛度明顯增加，各區(qū)域趨于一致。

圖9 環(huán)氧樹脂滲透進(jìn)入各鐵芯表面

圖10 空氣吹掃鐵芯通風(fēng)孔

表5 定子鐵芯背部（斜面激振）固有頻率（橢圓振型）Hz

（2）定子鐵芯振動(dòng)明顯降低

改造后測量了發(fā)電機(jī)定子鐵芯振動(dòng)。在2015年2月8日～2月11日期間，測得機(jī)組從啟動(dòng)、并網(wǎng)至帶負(fù)載運(yùn)行階段的定子徑向振動(dòng)及端部線圈振動(dòng)數(shù)據(jù)，從中可以看出，在啟動(dòng)初期，鐵芯最大徑向振動(dòng)幅值為49 μm；在帶負(fù)載正常運(yùn)行中，鐵芯最大徑向振動(dòng)幅值為35 μm；端部線圈徑向振動(dòng)幅值最大為11 μm。顯然，鐵芯振動(dòng)明顯降低，處于優(yōu)良狀態(tài)。

5 結(jié)語

本案通過對(duì)故障發(fā)電機(jī)進(jìn)行全面的檢查和測試，分析故障原因，與制造廠深入討論整改方案，最終方案從兩方面來實(shí)施改進(jìn)，一方面，先將發(fā)電機(jī)定子鐵芯穿心螺栓由標(biāo)準(zhǔn)螺栓改為用液壓螺栓，再用液壓裝置對(duì)液壓穿心螺栓進(jìn)行緊固；另一方面，采用灌入環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑以加強(qiáng)鐵芯疊片之間的粘結(jié)強(qiáng)度。通過實(shí)測運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析，驗(yàn)證了對(duì)策的有效性。需要引起注意的是，本對(duì)策是否能長期保持鐵芯緊度有效，避免重復(fù)故障發(fā)生，還有待于進(jìn)一步長期跟蹤和觀測。