9E燃氣輪機機組勵磁機故障分析及處理

張學霖

(惠州深能源豐達電力有限公司， 廣東惠州 516001)

為滿足地區(qū)電網的實際需求，9E燃氣輪機(簡稱燃機)通常作為調峰機組使用，每日兩班制運行，形成常態(tài)化。勵磁機是傳導勵磁電壓電流給發(fā)電機轉子繞組的重要設備，是否正常運行關系到發(fā)電機能否正常運行[1]。

近年來，某些電廠9E燃機中的燃機、汽輪機(簡稱汽機)發(fā)電機勵磁機在運行15 000 h、啟動次數約1 000次、運行約10 a后出現一些偶發(fā)性或共性的缺陷。筆者分析了發(fā)電機勵磁機的故障現象并提出了處理方法。

1 故障分析及處理

美國通用電氣公司生產的PG9171E燃機發(fā)電機組，部分9E燃機發(fā)電機采用奧地利ELIN發(fā)電機公司生產的9A5型，轉速為3 000 r/min，采用交流無刷勵磁方式，勵磁機為KATO公司

生產，型號為12P32-1100，額定電壓為375 V，額定電流為1 031 A，絕緣等級F；部分汽機發(fā)電機采用山東齊魯電機制造有限公司濟南發(fā)電設備廠生產的WX18Z-054LLT型，轉速為3 000 r/min，采用交流無刷勵磁方式，勵磁機型號為WBF8-5G，勵磁機額定電壓為240 V，額定電流為1 240 A，絕緣等級F。

1.1 燃機發(fā)電機勵磁機

1.1.1 故障現象

KATO公司生產的勵磁機為交流無刷勵磁，是十二極轉樞式交流發(fā)電機，由定子直流勵磁繞組、三相轉子繞組及旋轉整流橋組成。勵磁原理為勵磁調節(jié)器輸出直流電，直流電輸入勵磁機定子形成磁場，勵磁機轉子高速旋轉切割磁場形成交流電，經旋轉二極管整流后注入發(fā)電機轉子線圈勵磁，見圖1。

圖1 燃機發(fā)電機勵磁機原理圖

2017年5月，某廠燃機發(fā)電機在啟動投入勵磁后，發(fā)電機機端電壓未能建立，勵磁調節(jié)器報“整流器故障”、“轉子接地故障”。現場對勵磁機本體進行檢查，拆除冷卻風管，并抽出勵磁機定子。勵磁機電樞繞組靠近鐵芯端部發(fā)現故障點，見圖2。

圖2 燃機發(fā)電機勵磁電樞故障

初步檢查結果為：勵磁機轉子繞組靠近整流環(huán)處有一處燒黑痕跡，鐵芯和繞組有燒傷痕跡，鐵芯部分擊穿出一個坑洞，繞組對鐵芯放電，無緯帶有燒黑痕跡。

現場加熱勵磁機電樞，并將電樞拔出，發(fā)現勵磁機轉軸上有粉末，粉末從勵磁線棒預留孔冒出。經檢查，預留孔粉末來源于勵磁機連接發(fā)電機轉子的D形線棒表面的絕緣材質(見圖3)。

圖3 燃機發(fā)電機勵磁機轉軸結構

ELIN公司生產的9A5型發(fā)電機在設計上考慮了勵磁的兩種方式，一種是交流無刷勵磁，另一種是靜態(tài)勵磁。采用交流無刷勵磁機勵磁方式，經旋轉二極管連接整流后，通過D形線棒端部連接發(fā)電機轉子進行勵磁。采用靜態(tài)勵磁方式可在勵磁線棒預留孔安裝連接部件與D形線棒中部連接，對發(fā)電機轉子進行勵磁。

D形線棒內置于轉軸中心孔中，由正負極兩根線棒組成，勵磁機電樞繞組經旋轉二極管整流后，通過D形線棒連接發(fā)電機轉子繞組進行勵磁。D形線棒為銅質材質[2]，導電性能良好，線棒軸向絕緣層為環(huán)氧樹脂澆注絕緣層，絕緣層厚度為2 mm。兩根D形線棒中間用一層絕緣隔板隔開。D形線棒絕緣層與轉子轉軸有約1～2 mm間隙，見圖4。由于機組頻繁啟停，工況不斷變化，造成線棒熱脹冷縮，絕緣層與轉軸發(fā)生碰撞磨損，絕緣層磨出粉末，粉末逐漸從勵磁線棒預留孔中冒出。

圖4 燃機發(fā)電機D形線棒結構

1.1.2 故障原因分析

(1) 9E機組由于電網調峰要求，基本上每天兩班制運行。機組運行期間，由于轉子高速旋轉，D形線棒在離心力作用下，與轉子轉軸的接觸面貼緊，線棒絕緣層和轉軸沒有相對運動，不會造成線棒表面絕緣材料的磨損。在夜間盤車運行期間，由于盤車轉速較低，離心力不足，D形線棒旋轉到低位時貼緊轉子轉軸，旋轉至高位時在自身重力的影響下與上部的轉子轉軸形成間隙，造成線棒表面的絕緣層碰撞磨損，形成粉末。

(2) 粉末易進入勵磁機繞組漆包線縫隙中。由于機組運行時間已超過10 a，繞組漆包線絕緣逐漸老化，表面絕緣層破裂，粉末等雜質依附在表面上。如粉末受潮粘附，易造成繞組匝間短路。

1.1.3 故障處理

燃機發(fā)電機勵磁機故障處理要求較嚴格，現場不具備條件，須將勵磁機返維修廠進行維修。勵磁機處理方案：

(1) 勵磁機轉子加熱，從轉軸上拔出。

(2) 勵磁機修前動平衡測試。

(3) 勵磁機電樞繞組與整流盤隔離，拆除勵磁機電樞繞組兩側無緯帶，拆除勵磁機電樞繞組。

(4) 清洗劑清理槽內殘余絕緣和污穢。

(5) 修復損壞的硅鋼片，并對表面絕緣進行修復。

(6) 按照勵磁機容量要求進行修復，采用H級絕緣高強度漆包線進行繞線，材料采用H級絕緣。

(7) 勵磁機端部纏繞無緯帶。

(9) 電樞繞組三相直流電阻測量、絕緣試驗、交流耐壓試驗。

(10) 發(fā)電機表面噴防護漆。

(11) 勵磁機電樞繞組和整流盤裝配，進行動平衡測試，試驗數據應與修前數據匹配。

(12) 勵磁機加熱套入轉子，并進行固定。

1.2 汽機發(fā)電機勵磁機

1.2.1 故障現象

2017年3月，對3號發(fā)電機WBF8-5G勵磁機端部進行孔探檢查，發(fā)現勵磁機電樞繞組端部與連接環(huán)接頭相連的3個并頭套出現移位，其中移位最大的并頭套約相對移動5 mm，用于防護固定的綁扎繩也被拉斷，見圖5。對勵磁機電樞三相直流電阻進行測量，直流電阻平衡。

圖5 汽機發(fā)電機勵磁機并頭套連接缺陷

WBF8-5G型勵磁機工作原理與KATO勵磁機原理相似。勵磁機為交流無刷勵磁，是八極轉樞式交流發(fā)電機，由定子直流勵磁繞組、三相轉子繞組及旋轉整流橋組成。三相轉子繞組切割磁場后通過并頭套分別連接不同的A、B、C、N相連接環(huán)，連接環(huán)與整流盤相連進行整流，見圖6。

圖6 汽機發(fā)電機勵磁機并頭套連接圖

故障的并頭套連接勵磁機電樞繞組與連接環(huán)接頭，起到電路導通作用，材質為優(yōu)質銅。并頭套安裝時將其套入電樞端部繞組和連接環(huán)接頭處，將銅條分別敲擊塞入并頭套的間隙中，使其固定牢靠，并有效增加接觸面。加熱裝置對并頭套兩端進行加熱，將錫焊條慢慢融入并頭套與其他連接件的間隙中，降低接觸電阻。

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1.2.2 故障原因分析

(1) 連接環(huán)和并頭套本身強度不足，材質均為優(yōu)質銅材，硬度不足。在高速運行中，設備流過較大電流，銅質材料發(fā)熱變軟，在離心力作用下，連接環(huán)接頭產生徑向向外的作用力。在盤車狀態(tài)下，離心力消失，連接環(huán)接頭逐漸冷卻回位。機組每天兩班制運行造成并頭套被不斷拉扯變形。

(2) 錫焊工藝強度較低。錫焊熔點約200 ℃，并頭套在不斷拉扯變形過程中易形成焊錫脫落，造成并頭套與連接件接觸電阻增大，在導通大電流作用下發(fā)熱程度會增加，進一步加快焊錫脫落速度。

1.2.3 故障處理

電廠不具備發(fā)電機勵磁機的維修條件，須送維修廠進行維修。為方便發(fā)電機轉子動平衡測試，將發(fā)電機轉子和勵磁機抽出返維修廠處理。

維修廠汽機發(fā)電機勵磁機處理方案：

(1) 中頻加熱將勵磁機電樞繞組和整流盤從轉子中拔出。

(2) 測量勵磁機電樞直流電阻。

(3) 將勵磁機電樞繞組和整流盤脫離。

(4) 拆除電樞繞組兩端無緯帶。

(5) 加熱連接勵磁機電樞繞組和連接環(huán)接頭的并頭套，將其拆除；加熱連接勵磁機電樞繞組跨接并頭套，將其拆除；清理勵磁機端部電樞繞組，清除殘余錫塊。

(6) 拆除A、B、C、N相連接環(huán)。

(7) 安裝新連接環(huán)。

(8) 在勵磁機電樞繞組和連接環(huán)接頭安裝并頭套；在勵磁機電樞繞組跨接處安裝并頭套；并頭套與連接環(huán)接頭連接處采用銀銅焊方式焊接，銀銅焊焊接硬度較大，且熔點比錫焊熔點有較大提升，達到600 ℃[3]；并頭套與勵磁機電樞繞組連接處采用錫焊方式焊接；電樞繞組間跨接并頭套采用錫焊方式焊接，見圖7。

圖7 汽機發(fā)電機勵磁機并頭套連接圖

(9) 在無電氣連接的并頭套間安裝絕緣板；在連接環(huán)接頭和勵磁機端部繞組間綁扎較厚的絕緣麻繩，見圖8。

圖8 汽機發(fā)電機勵磁機并頭套綁扎結構

(10) 勵磁機電樞繞組真空浸漆，并烘干固化；絕緣麻繩經浸漆固化后有較強的硬度，起到固定并頭套的作用。

(11) 整流盤試驗，測量整流盤電容、電阻。

(12) 裝配整流盤和勵磁機電樞繞組。

(13) 中頻加熱整流盤和電樞繞組，套入發(fā)電機轉子。

(14) 發(fā)電機轉子整體外涂DK222樹脂絕緣漆。

(15) 最終試驗：①轉子整體做動平衡試驗及超速試驗(3 360 r/min)；②動態(tài)交流阻抗試驗(0～3 000 r/min)；③測量勵磁機轉子繞組及勵磁回路所連接的設備絕緣電阻；④測量轉子繞組絕緣電阻；⑤轉子繞組交流耐壓試驗或標準允許的同類型試驗；⑥測量轉子繞組和勵磁機電樞繞組的直流電阻。

2 預防措施

(1) 勵磁機故障均發(fā)生在旋轉部分，主要是因為發(fā)電機制造廠未充分考慮到9E燃機機組的調峰特性，GB/T 7064—2008 《隱形同步發(fā)電機

技術要求》中提及在轉子整體的壽命期限中，應能承受啟動次數不少于3 000次；對兩班制調峰運行的發(fā)電機，轉子整體在使用壽命期限內，應能承受不少于10 000次的啟動次數。出現問題的勵磁機遠未達到限制的啟動次數。用戶應在合同中強調發(fā)電機的制造工藝應滿足兩班制運行的需求。

(2) 加強勵磁機的保養(yǎng)。KATO勵磁機電樞繞組采用漆包線，絕緣強度取決于其表面的絕緣漆。與金屬材料不同，絕緣材料的性能相當容易隨時間延長而變化[4]。經過長時間的運行后，絕緣漆老化造成絕緣下降，用戶可考慮對勵磁機定轉子繞組進行真空浸漆，加強繞組絕緣。

(3) 改進勵磁機薄弱結構和加強孔探檢查。WBF8-5G型勵磁機電樞繞組跨接并頭套、連接端部繞組與連接環(huán)接頭并頭套強度不足，可使用銀銅焊替代錫焊形式，并利用機組大小修的檢修空間對并頭套進行檢查，發(fā)現移位或變形等情況及時處理。

(4) 加強勵磁機常規(guī)的電氣試驗。在條件滿足的情況下，可定期對勵磁機進行直流電阻、絕緣電阻測試。

3 結語

交流無刷勵磁機普遍應用于9E燃機發(fā)電機組，為發(fā)電機提供勵磁電源，是發(fā)電機重要的輔助系統(tǒng)。9A5型發(fā)電機勵磁機絕緣材料和裝配結構上存在一定的安全隱患，WX18Z-054LLT型發(fā)電機勵磁機在焊接工藝上存在缺陷，均不能滿足頻繁啟停的要求。對上述兩種型號的發(fā)電機均應針對性地在制造和裝配等工藝上進行優(yōu)化，才能減少和消除類似故障，滿足發(fā)電機頻繁啟動的要求。