9E燃氣輪機發電機轉子故障分析及處理

張學霖

(惠州深能源豐達電力有限公司， 廣東惠州 516001)

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9E燃氣輪機發電機轉子故障分析及處理

張學霖

(惠州深能源豐達電力有限公司， 廣東惠州 516001)

針對9E燃氣輪機發電機組在啟動不到1 000次的情況下出現的發電機轉子故障，分析其形成原因及共性問題，介紹發電機轉子故障處理方法和工藝材料要求，為具有同類型發電機的電廠提供參考。

燃氣輪機； 發電機轉子； 故障； 處理措施

PG9171E燃氣輪機發電機組部分采用奧地利ELIN發電機公司生產的9A5型發電機，汽輪機發電機采用WX18Z-054LLT型。為滿足地區電網的實際需求，9E機組通常作為調峰機組使用，每日兩班制運行，形成常態化。

近年來9E燃氣輪機部分機組在運行10 000～15 000 h、啟動次數不足1 000次就出現一些偶發性或共性的缺陷，筆者將對這些發電機轉子缺陷的故障現象進行分析，提出一些處理方法。

1　燃氣輪機發電機轉子

1.1 故障現象

ELIN發電機公司生產的9A5型發電機為隱極式，容量為136 MW，每個大齒(極)有一繞組，2極(1對極)發電機轉子繞組有2組，每組繞組由若干套同心式繞組組成。每槽的轉子繞組有數匝組成，匝間由匝間絕緣板絕緣。發電機為水空冷結構，轉子為空內冷結構。

2012年1月，某臺燃氣輪機發電機轉子在例行檢查時發現勵磁機側端部繞組絕緣塊有松脫現象，絕緣塊可伸出接觸到發電機轉子大軸，見圖1。

圖1　燃氣輪機發電機轉子絕緣塊松脫

現場拔護環檢查，轉子勵磁機側端部內槽繞組與外槽繞組通過絕緣塊進行絕緣和固定，隨著槽數的增加，內槽繞組與外槽繞組間安裝的絕緣塊數量增加，間距增大，見圖2。

圖2　燃氣輪機發電機轉子端部繞組結構

絕緣塊為環氧層壓玻璃布板材質，其上表面安裝一塊聚酰胺紙，大小剛好覆蓋絕緣塊表面及一側繞組表面，兩顆鉚釘將聚酰胺紙鉚固在絕緣塊上。轉子裝配時，將絕緣塊固定在轉子端部槽繞組間，起到端部繞組間絕緣及定位作用，絕緣塊上的聚酰胺紙緊貼住一側繞組表面，安裝完畢后用環氧玻璃布板將端部繞組覆蓋，綁扎條將環氧玻璃布板綁扎和固定，熱套護環，起到固定轉子端部各組件的作用，見圖3。

圖3　綁扎帶綁扎環氧玻璃布板

檢查發現，由內往外，第三對槽繞組與第四對槽繞組左側第一個絕緣塊松脫，絕緣塊固定點在第三對槽繞組上；第五對槽繞組與第六對槽繞組左側第一個絕緣塊松脫，固定點在第五對槽繞組上。絕緣塊脫落原因均是用于固定絕緣塊的聚酰胺紙斷裂，斷裂面與絕緣塊和繞組的接觸面平齊。由于絕緣塊沒有固定支點，在運行過程中逐步松脫。

1.2 故障原因

故障原因有:

(1) 轉子在運行時高速旋轉，轉子及轉子上裝配的各種附件由于離心力而受到很大的機械應力。在不同的轉速下，絕緣塊受到的離心力與轉速平方成正比，與半徑成反比，在額定轉速下運行時，絕緣塊所受到的離心力最大。由于9E機組的調峰特性，機組每日啟停，造成燃氣輪機發電機轉子絕緣塊上部的聚酰胺紙應力集中區的應力不斷發生變化，加速了聚酰胺紙的老化進程，最終斷裂，見圖4。

圖4　聚酰胺紙應力集中區

(2) 由于緊固環氧樹脂板上的綁扎力不足，聚酰胺紙不能完全與表面的環氧樹脂板牢固結合，造成轉子額定轉速運行時聚酰胺紙受力不均勻。

(3) 聚酰胺紙強度不足，不能完全承受機組每日啟停造成的應力變化。

基于上述三條原因，致使轉子端部繞組絕緣塊出現松脫等故障現象。

1.3 故障處理

燃氣輪機發電機轉子現場處理要求較嚴格，需在現場裝設防雨棚及相應的隔離措施，供發電機轉子抽出后放置。轉子處理步驟：

(1) 處理前電氣試驗，進行發電機轉子絕緣、交流阻抗、直流耐壓及直流電阻測試。

(2) 發電機轉子抽出；拆下兩端風扇葉片，拆下轉子兩端風扇環。

(3) 工頻感應加熱器加熱護環，拔出護環，拆除護環絕緣。

(4) 護環清理檢查及端部繞組絕緣塊清理。

(5) 對絕緣塊重新安裝，處理脫落的絕緣塊，更新已斷裂的聚酰胺紙，采用同一材質且厚度略有增加的聚酰胺紙以增強其牢固度。

(6) 裝護環絕緣，安裝環氧玻璃布板時，注意綁扎均勻，使固定絕緣塊的聚酰胺紙與繞組、環氧玻璃布板牢固接觸。

(7) 電氣試驗，發電機轉子絕緣合格。

(8) 熱套護環、安裝風扇環，安裝風扇葉片等均按照規范要求裝復緊固。

(9) 電氣試驗，發電機轉子絕緣、交流阻抗及直流耐壓測試合格。

(10) 清理護環并檢查無異常。

(11) 發電機轉子順利回裝，完好。

2　汽輪機發電機轉子處理

2.1 故障現象

某廠3號機組和4號機組為WX18Z-054LLT空冷型發電機，容量為63 MW。2013年11月，專業技術人員對3號發電機轉子端部進行孔探檢查，發現轉子端部繞組絕緣塊有部分位移現象，其中勵磁機端有10個絕緣塊移位(共16個)，汽輪機端有6個絕緣塊移位(共16個)。繞組端部絕緣塊由兩部分組成，安裝在最下部固定塊通過滌玻繩綁定在最下部的4個匝條(下層繞組)上，上部的切向楔開口卡在固定塊上，通過固定塊固定，見圖5。

圖5　汽輪機發電機端部絕緣塊結構

切向楔起著固定兩側繞組的作用，保證繞組間相互不竄位。在孔探照片中可以看出，用于緊固固定塊的滌玻繩出現松動移位，導致固定塊和切向楔均發生移位，見圖6。

圖6　端部固定塊移位

由于4號發電機與3號發電機運行方式、運行時間及生產日期等較為一致，屬于同批次產品。2014年1月專業人員對4號發電機轉子端部繞組進行檢查，在對勵磁機側孔探檢查過程中，除了發現8個絕緣塊存在移位現象外，還發現兩處存在滌玻繩斷裂導致固定塊脫落的現象。經檢查，所有的絕緣塊均向轉子中心側位移。

2.2 故障原因

故障原因有：

(1) 與燃氣輪機發電機運行工況相似，聯合循環汽輪機發電機啟停頻繁，繞組由于熱脹冷縮的原因，使絕緣塊整體受力產生位移，固定塊的滌玻繩造成反復扯拉導致磨損，長期運行后導致滌玻繩松動，最終斷裂。而固定塊由于缺少了滌玻繩的固定而出現松動脫落，無法對切向楔進行定位，造成切向楔移位。

(2) 滌玻繩耐磨性不足，不能耐受發電機頻繁啟停而導致繞組熱脹冷縮產生的磨損。

(3) 所有的絕緣塊都是向內側(轉子中心側)移動，原因是發電機風葉旋轉時外端是負壓，向內抽風，經過長時間積累逐步形成絕緣塊向轉子中心內移。

2.3 故障處理

發電機轉子對環境清潔度要求較高，轉子處理過程改動較大，修復后需高速動平衡測試，電廠不具備高速動平衡測試平臺，發電機轉子需抽出返廠維修。

發電機轉子返廠維修實施過程：

(1) 拆開整流盤與電樞間的連接螺栓及三相連接引線。

(2) 中頻加熱扒下整流盤。

(3) 拆下兩端風扇葉片，扒下轉子兩端風扇環及護環。

(4) 清潔轉子端部繞組。

(5) 局部清洗轉子本體后按制造標準涂漆。

(6) 對切向楔進行開槽強化固定，設計制作端部絕緣擋塊支撐架。

按照圖7在切向楔上部開貫穿型槽，尺寸為8 mm×15 mm。

圖7　切向楔加工

支撐板與切向楔采用同一種材料(EPGC3，環氧層壓玻璃布板)，長度與轉子本體及另一側轉子繞組距離向匹配。在支撐板上開槽，深度15 mm，寬度與切向楔相匹配。支撐板兩側開通風孔，見圖8。

圖8　支撐板與切向楔安裝

(7) 安裝支撐板，固定絕緣塊，做緊密度等測試。

(8) 熱套護環及風扇環，裝風扇葉片，熱套勵磁機轉子。

(9) 清理勵磁機電樞繞組間的灰塵及油污后重新浸漆、烘干。

(10) 整流盤組件檢查及組裝。

(11) 整流盤整體加熱后套裝至電樞上并連接引線及螺栓。

(12) 發電機轉子整體外涂DK222樹脂絕緣漆。

(13) 試驗：①轉子整體做動平衡試驗及超速試驗(3 360 r/min)；②動態交流阻抗試驗合格(0～3 000 r/min)；③測量勵磁機轉子繞組及整個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轉子繞組的直流電阻。

上述維修方案在廠家得到了如同出產新品一樣的嚴格實施，其中的試驗也全部合格。

3　故障的危害及措施

3.1 故障的危害

上述提及的燃氣輪機發電機及汽輪機發電機，均屬于水空冷型發電機，轉子繞組材料均采用含低銀合金的冷拉銅線，雖然含銀銅導線比一般的紫銅線的疲勞極限高[1]，但由于轉子端部繞組并未鑲嵌入轉子鐵芯齒中，又沒有鐵芯和槽楔的固定，而只是依靠絕緣塊進行固定，而且端部繞組均有圓弧部分，強度比直線部分有所減弱。當絕緣塊脫落或移位時，很有可能導致繞組間支撐力不足，引發繞組變形。當變形情況惡化，繞組間間隙小于繞組間電壓擊穿間隙時，就會發生繞組匝間短路，由此可能導致勵磁電流激增，嚴重時燒壞繞組。繞組變形也可能會引起轉子中心的偏移，而出現振動異常等故障現象。

WX18Z-054LLT型發電機繞組為槽內通風冷卻，設計轉子繞組每匝的通風口靠近轉子轉軸端部，見圖9，當固定塊滌玻繩松脫后，導致切向楔存在移動的可能，在運行時由于高速旋轉及風葉導流的作用，往轉子中心側移動。當切向楔移動受導流作用移動至轉子轉軸端部時，會堵住繞組通風口，嚴重影響轉子繞組的冷卻，會導致繞組過熱，加劇繞組的熱蠕變和轉子繞組匝間絕緣的老化。

圖9　汽輪機發電機轉子繞組通風口

3.2 故障的預防措施

預防措施有：

(1) 發電機制造廠未充分考慮到9E燃氣輪機組的調峰特性，GB/T 7064—2008 《隱形同步發電機技術要求》 中提及在轉子的壽命期限中，應能承受啟動次數不少于3 000次，對兩班制調峰運行的電機，轉子在使用壽命期限內，應能承受不少于10 000次的啟動次數。出現問題的發電機遠未達到這些限制的啟動次數。用戶應在合同中強調發電機的制造工藝應滿足調峰的需求。

(2) 加強孔探檢查，充分利用機組大小修的檢修時機對轉子端部繞組結構進行檢查，發現絕緣固定塊異常或繞組變形等情況及時處理。

(3) 在條件允許的情況下，可定期進行發電機轉子匝間短路測試、直流電阻、絕緣電阻、交流阻抗測試及極間電壓測試等，均合格后方可運行。

4　結語

通過對9E燃氣輪機9A5及WX18Z-054LLT型發電機轉子結構的介紹和對出現故障的分析，結果表明：由于9E機組的調峰特性，需要機組頻繁啟動，發電機轉子繞組端部的絕緣和固定是一個薄弱環節，均需要對上述兩種型號的發電機在結構和材料上優化才能減少和消除類似故障，滿足發電機頻繁啟動的要求。

[1] 汪耕, 李希明. 大型汽輪發電機設計、制造與運行[M]. 上海: 上?？茖W技術出版社, 2012.

Fault Analysis and Troubleshooting of the Rotor in a 9E Gas Turbine Generator

Zhang Xuelin

(Huizhou SEC Fengda Electric Power Co., Ltd., Huizhou 516025, Guangdong Province, China)

To clear the faults occurring within 1 000 times of starts in the generator rotor of a 9E gas turbine generator set, the formation causes and common problems are analyzed, and subsequently corresponding countermeasures as well as technological and material requirements are proposed for troubleshooting of the generator rotor, which may serve as a reference for troubleshooting of similar problems.

gas turbine; generator rotor; fault; troubleshooting measures

2015-12-04

張學霖(1983—)，男，工程師，主要從事電廠電氣技術和管理工作。

E-mail: 13719649599@163.com

TM314.3

A

1671-086X(2016)04-0285-04