大型汽輪發(fā)電機(jī)線棒磨損原因分析與預(yù)防

沈德華

(華電內(nèi)蒙古能源有限公司包頭發(fā)電分公司，內(nèi)蒙古包頭 014013)

0 引言

某發(fā)電廠#1發(fā)電機(jī)額定容量為600 MW，2007年2月投入正式運(yùn)行，型號(hào)為QFSN-600-2YH。發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)如下。

發(fā)電機(jī)型號(hào)：QFSN-600-2YH

額定容量SN：667 MVA

額定功率PN：600 MW

最大連續(xù)輸出功率GMCR：654或與汽機(jī)匹配

額定功率因數(shù)cosφN：0.9(滯后)

定子額定電壓UN：20 kV

定子額定電流IN：19 245 A

額定頻率fN：50 Hz

額定轉(zhuǎn)速nN：3 000 r/min

勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)Tdo：8.724 s

出品日期：2006年6月

冷卻方式：水、氫、氫

定子線棒數(shù)量：上層42根，下層42根

勵(lì)磁方式：靜止勵(lì)磁

定子繞組絕緣等級(jí)：F級(jí)

1 問(wèn)題描述

2020年6月30日，#1發(fā)電機(jī)大修抽轉(zhuǎn)子后，在定子膛內(nèi)發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)拉緊楔(12點(diǎn)位置)脫落，相鄰左側(cè)拉緊楔松動(dòng)，絕緣螺桿甩到勵(lì)側(cè)端部3點(diǎn)半漸開線位置(徑向支撐環(huán)內(nèi)側(cè)41與42槽上層線棒之間，造成42槽線棒有1個(gè)寬約14 mm深7 mm的三角口)；發(fā)現(xiàn)33號(hào)槽上層線圈表面有磨損現(xiàn)象(3 mm 深)。

檢查汽、勵(lì)兩端端部絕緣緊固件，可調(diào)環(huán)把合氣隙隔板與絕緣螺桿，發(fā)現(xiàn)勵(lì)端三根、汽端四根絕緣螺桿斷裂。氣隙隔板一塊脫層，兩個(gè)絕緣螺釘脫落。檢查汽、勵(lì)兩端端部，勵(lì)、汽端槽口塊與線棒接觸面發(fā)現(xiàn)黑色油泥，勵(lì)端最里道綁環(huán)與線棒、適型材料處存在黑色油泥，汽、勵(lì)兩端下層線棒與適型材料處存在黑色油泥。發(fā)現(xiàn)A相引線夾板絕緣螺桿松動(dòng)，第二根螺桿與手包絕緣接觸磨損，第三根絕緣螺桿松動(dòng)，勵(lì)端C相手包絕緣下夾板螺絲松動(dòng)。檢查汽、勵(lì)端端部拉緊楔，發(fā)現(xiàn)汽、勵(lì)端全部拉緊楔墊圈間隙超差(用0.10 mm的塞尺檢查，允許插入寬度不超過(guò)拉緊楔寬度的1/3范圍)，勵(lì)端12點(diǎn)鐘方向拉緊楔脫落，9點(diǎn)鐘方向拉緊楔存在大量黃色油泥。檢查發(fā)電機(jī)定子膛內(nèi)鐵心松緊度，汽端項(xiàng)號(hào)片松動(dòng)。

圖1 絕緣螺桿位置

圖2 深度7 mm的三角口

圖3 脫落緊楔位置

2 原因分析

大型汽輪發(fā)電機(jī)在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，定子端部會(huì)受到熱膨脹載荷、機(jī)械載荷和電磁載荷的綜合作用，使端部線棒處于復(fù)雜的振動(dòng)環(huán)境中。線棒每匝線圈的端部都向鐵心的外圓側(cè)傾斜，按漸開線形式展開處于懸空狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)類似懸臂梁，端部線棒相比槽內(nèi)線棒更加難以固定，而且端部線棒層與層之間，線棒與緊固件之間常常發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致絕緣被破壞，為此發(fā)電機(jī)定子端部的振動(dòng)是導(dǎo)致線圈絕緣磨損、繞組疲勞斷裂、結(jié)構(gòu)件脫落、定子槽楔松動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)事故的主要因素。此類事故具有突發(fā)性，難以預(yù)測(cè)，難以簡(jiǎn)單修復(fù)等特點(diǎn)，且事故發(fā)生所造成的危害和損失都較為嚴(yán)重，所以近年來(lái)定子端部松動(dòng)的問(wèn)題受到廣泛關(guān)注。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)異常分析

(1) 由于發(fā)電機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)端部振動(dòng)較大，造成勵(lì)側(cè)端部?jī)?nèi)側(cè)可調(diào)綁環(huán)上部拉緊楔的螺孔螺紋損傷、螺孔端部磨成喇叭口，導(dǎo)致螺桿與螺孔不能充分接觸，定子端部處于懸垂?fàn)顟B(tài)，螺桿逐漸松動(dòng)，造成螺桿磨損脫落后拉緊楔子在長(zhǎng)期振動(dòng)下也脫落并掉入出線罩中，絕緣螺桿被甩到勵(lì)側(cè)端部3點(diǎn)半漸開線位置(徑向支撐環(huán)內(nèi)側(cè)41與42槽上層線棒之間)由于轉(zhuǎn)子的摩擦造成42槽線棒有1個(gè)寬約14 mm深7 mm的三角口。

(2) 緊固件振動(dòng)引起線棒絕緣和綁扎繩、絕緣塊相互微動(dòng)摩擦，產(chǎn)生黑泥和黃粉。

(3) 發(fā)電機(jī)定子端部在運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期受到來(lái)源于轉(zhuǎn)子不平衡力作用的頻振動(dòng)和電磁載荷作用產(chǎn)生的倍頻振動(dòng)，導(dǎo)致A、C相引線夾板絕緣螺桿松動(dòng)，引線夾板螺栓、拉緊楔絕緣螺栓松動(dòng)。

2.2 端部固有頻率和振型分析

大型汽輪發(fā)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定子端部繞組的振動(dòng)主要由兩部分組成。最主要的是有載電流繞組在端部磁場(chǎng)中受到電磁力的作用，從而激發(fā)兩倍系統(tǒng)頻率(100 Hz)的振動(dòng)。另外，還有繞組隨定子鐵心承受轉(zhuǎn)子磁拉力而引起的振動(dòng)，該振動(dòng)的頻率仍以兩倍系統(tǒng)頻率為主。可見(jiàn)，若定子繞組端部的固有頻率接近于100 Hz將會(huì)在運(yùn)行中產(chǎn)生共振現(xiàn)象或比較大的振動(dòng)。調(diào)取定子端部出廠試驗(yàn)結(jié)果和大修時(shí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，報(bào)告中端部固有頻率和振型試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 出廠和大修固有頻率和振型試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

依據(jù)GB/T 20140—2016《隱極同步發(fā)電機(jī)定子繞組端部動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)測(cè)量方法及評(píng)定》，規(guī)定整體橢圓振型固有頻率避開范圍為≤95 Hz，≥110 Hz。以上檢測(cè)數(shù)據(jù)均符合規(guī)程要求，未落入易產(chǎn)生電磁振動(dòng)的橢圓振型范圍。排除電磁力共振產(chǎn)生線棒磨損，但是與出廠模態(tài)分析試驗(yàn)報(bào)告的固有頻率比較，橢圓頻率均有所降低，表明端部整體剛度有所下降，可能是由于端部的支撐緊固件或綁扎結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在松動(dòng)或位移等現(xiàn)象。

3 現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的處理方法

3.1 針對(duì)磨損的線棒采取的處理方案：更換#33槽、#42槽上層線圈，部分絕緣引水管的銅夾子，部分硅橡膠套和其它絕緣材料，部分上下層線圈連接股線及固定股線的L型塊用鎖片和螺栓，部分槽內(nèi)側(cè)面半導(dǎo)體墊條，部分槽口塊，部分徑向通道預(yù)留帶及其安裝用的綁帶。

3.2 針對(duì)絕緣螺桿斷裂，氣隙隔板一塊脫層，兩個(gè)絕緣螺釘脫落采取處理方案：更換損壞的氣隙隔板把合螺桿及配套的螺母、墊片，灌膠固化。

3.3 針對(duì)兩端端部，勵(lì)端、汽端槽口塊與線棒接觸面發(fā)現(xiàn)黑色油泥采取的處理方案：徹底清理端部線棒，并更換污染和有磨損的緊固件。

3.4 針對(duì)A相引線夾板絕緣螺桿松動(dòng)，第二根螺桿與手包絕緣接觸磨損，第三根絕緣螺桿松動(dòng)，勵(lì)端C相手包絕緣下夾板螺絲松動(dòng)采取的處理方案：更換新的絕緣螺桿回裝并把緊，修復(fù)磨損的手包絕緣。

3.5 針對(duì)汽端勵(lì)端全部拉緊楔墊圈間隙超差采取的處理方案：汽、勵(lì)兩側(cè)全臺(tái)拉緊楔更換，配拉緊楔塊和裝拉緊楔塊時(shí)，要檢查接觸面間隙，用0.10 mm的塞尺檢查，允許插入寬度不超過(guò)拉緊楔寬度的1/3范圍，并且間隙不能在一側(cè)。如果間隙超差，可以擴(kuò)大寬度方向倒角處理。如果間隙在一側(cè)，重新配拉緊楔。

4 預(yù)防措施

4.1 在#1發(fā)電機(jī)端部加裝在線測(cè)振裝置，全面監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)端部的整體振動(dòng)情況，并重點(diǎn)關(guān)注勵(lì)端曾產(chǎn)生故障的維修點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)端部的通頻和倍頻位移峰峰值[4]。依據(jù)GB/T 20140—2016《隱極同步發(fā)電機(jī)定子繞組端部動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)測(cè)量方法及評(píng)定》判斷其振動(dòng)狀況，通過(guò)裝置實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)利用振動(dòng)軟件分析端部振動(dòng)主要原因，同時(shí)還要監(jiān)測(cè)不同負(fù)荷情況下軸系振動(dòng)情況是否在合格范圍內(nèi)。

4.2 每次停機(jī)時(shí)打開發(fā)電機(jī)氫冷器的人孔鉆入發(fā)電機(jī)汽、勵(lì)兩端進(jìn)行端部檢查，檢查端部拉緊楔、絕緣螺桿及引線夾板絕緣螺桿有無(wú)松動(dòng)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的黃泥、黑泥或粉末要進(jìn)行分析研究，必要時(shí)聯(lián)系廠家處理。

4.3 利用大、小修機(jī)會(huì)，聯(lián)系哈爾濱電機(jī)廠的技術(shù)人員檢查發(fā)電機(jī)定子鐵心的緊量，緊量不合格時(shí)要對(duì)定子鐵心的穿心螺栓和定位螺栓進(jìn)行拉伸緊固處理。

4.4 發(fā)電機(jī)停運(yùn)后和起動(dòng)前按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電氣預(yù)防性試驗(yàn)。

4.5 大修時(shí)通過(guò)端部振型模態(tài)試驗(yàn)認(rèn)真評(píng)估發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)特性(固有頻率、振型、阻尼)，避開端部整體模態(tài)頻率在95 Hz～112 Hz范圍之內(nèi)，且振型不為橢圓。

4.6 嚴(yán)格檢查定子繞組端部線圈夾縫、上下層漸開線線棒間隙等部位，防止安裝和檢修時(shí)在定子內(nèi)部遺留鋸條、螺釘、螺母等金屬異物。

5 結(jié)論

本文對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析研究，并找到了有效的解決方法，采取有針對(duì)性的預(yù)防措施并在定子端部加裝在線監(jiān)測(cè)裝置。利用端部振動(dòng)在線診斷系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從振動(dòng)變化趨勢(shì)上識(shí)別某些潛在或者發(fā)展中的故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。若運(yùn)行時(shí)端部振動(dòng)突然發(fā)生異常情況，運(yùn)行人員即可根據(jù)振動(dòng)情況及時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)采取有效解決措施，保證發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期可靠安全運(yùn)行。