汽輪發電機轉子典型故障機理分析及診斷方法

劉志巖

摘 要：目前電力工業生產中汽輪發電機組的轉子故障成為影響機組安全穩定運行的重要缺陷，一旦發電機轉子產生故障，將直接影響機組安全運行，甚至將導致機組非停。因此分析汽輪發電機轉子的典型故障，并提出診斷方法和解決方案成為電力生產中不得不面對的問題。

關鍵詞：偏心；不對稱；摩擦力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.047

0 引言

由汽輪發電機轉子常見故障入手，分析了常見故障的機理成因，故障造成的危害，在此基礎上提出了偏心故障的診斷方法，不對稱冷卻的預防措施和不對稱摩擦的診斷方法，為發電子轉子日常維護提供了理論依據。

1 定轉子間氣隙偏心

1.1 偏心故障機理及其成因

發電機轉子的三個中心包括定子中心、轉子中心、轉子旋轉中心，這三個中心是發電機定轉子通過氣隙磁場耦合形成的。發電機正常運行時電磁力均勻對稱的分別在轉子上，發電機間氣隙分別均勻，三個中心重合。若由于某種原因造成氣隙偏心，即三個中心不重合時，將形成動態偏心和靜態偏心兩種氣隙偏心。

動態偏心是由于軸承磨損、轉軸彎曲撓度、安裝不規范等原因造成的轉子中心與旋轉中心不吻合。最小間隙是隨著空間和時間而變化，不在是靜止的。這樣由于靜止部件和主軸之間的摩擦產生的高熱，主軸就會因高熱而膨脹，造成主軸彎曲。靜態偏心是導軸承中心從定子中心向某個方向偏移，使得轉子氣隙變化，轉子相對于定子偏心。致使發電機轉子的旋轉中心與定子中心不吻合。靜態偏心一般不隨轉子旋轉而改變，它會在某一固定位置，一般是由于裝配不合格或加工精度的原因造成的。

1.2 偏心故障的危害

一般動態偏心會造成磁通分布不對稱，轉子很可能會產生單極效應，導致軸電壓的產生，甚至可能會導致軸承油膜擊穿，形成的軸電流燒損軸瓦。靜態偏差同樣會引起發電機定轉子振動，惡化軸承工作狀況，使線棒磨損嚴重，甚至危及到發電機的正常運行。可見不管是動態偏心還是靜態偏心都會加劇轉子彎曲，一旦轉子彎曲嚴重將會引起轉動部件和靜止部件的摩擦，甚至會造成設備損壞，可見偏心對于旋轉機械而言是衡量旋轉機械性能的重要指標。

1.3 偏心故障的診斷方法

現有的針對汽輪發電機偏心的診斷方法一般是根據發電機轉子的振動特征進行判斷，但是在偏心的故障下會引起發電機定子和轉子同時振動。常規的診斷方法是根據發電機轉子的振動特征，但是造成轉子振動的原因有很多，諸如碰撞、摩擦、質量不平衡等等。若同時結合發電機定子在故障態時的振動特征，可以更全面的了解發電機偏心的原因。結合工程實踐，不同的偏心故障以及正常運行狀況下發電機定轉子的組合振動特征都是唯一的。

2 發電機轉子不對稱冷卻

2.1 轉子不對稱冷卻成因

汽輪發電機轉子產生不對稱冷卻故障的原因一般是由于通風道堵塞，導致繞組的冷卻程度存在偏差，使得轉子兩次存在溫差，進而造成轉子彎曲變形。筆者對汽輪發電機組多年的維護經驗得知造成轉子不對稱冷卻的原因大多包括：槽底墊條錯位，壓制槽襯用的脫模薄膜堵塞了通風道，楔下墊條錯位，楔下墊條未開孔，匝間絕緣未開孔、半開孔或錯位，雜物堵塞通風道，導線側面銑槽的轉子通風結構存在設計問題，起動或停機時通風道堵塞。

2.2 轉子不對稱冷卻的危害

轉子不對稱冷卻將導致勵磁繞組局部溫度過高，使得勵磁繞組絕緣過早老化，降低勵磁繞組的使用壽命；轉子不對稱冷卻還使得轉子產生工頻振動，加劇勵磁繞組的磨損，嚴重時甚至會燒損勵磁繞組。另外，發電機轉子不對稱冷卻使轉子在單一方向受力，長時間單方向受力將導致轉子永久性的彎曲變形。

2.3 轉子不對稱冷卻的預防

目前針對轉子不對稱的診斷方法大多是根據溫度傳感器結合進出風口兩側溫差來判斷，有些診斷方法還會結合轉子振動。為避免轉子不對稱冷卻，目前主要的采取以下預防措施：

1）在生產制造轉子繞組時，可要求生產廠家優化端部的冷卻方式，將單路通風改為雙路通風。2）可將轉子的側面銑孔的冷卻方式優化為中間銑孔的冷卻方式。3）有目的有計劃的進行發電機轉子溫升試驗，將溫升試驗作為定期工作，以此掌握發電機轉子的溫升變化。4）在發電機定子加裝熱風區間、冷風區間的氣隙隔板，以此降低轉子繞組溫度。加裝冷熱風區間氣隙隔板可有效防止未經冷卻的熱風進入定子出口，以此加強轉子繞組冷卻。

3 勵磁繞組與轉子本體及護環不對稱摩擦

（1）不對稱摩擦成因。轉子轉動時，因離心力產生的摩擦力，在繞組線匝上產生其沿軸向伸長的摩擦應力，對于汽輪發電機，當轉子轉速為 3000r/min 時，任一線匝的離心力 F 為，其中為線匝的旋轉半徑，為導體截面積，為導體長度。隨著勵磁電流的增大，線圈被不斷加熱，使線圈膨脹。由于中心環與勵磁繞組的間隙較小，使軸向膨脹受阻，這樣軸向不均勻的作用力使機組在高速旋轉下本體與護環聯接力降低，護環發生變形，從而導致轉子的不平衡振動。

（2）不對稱摩擦的危害。由于轉子本體與繞組及護環的不對稱摩擦力將導致繞組受不平衡的作用力向一邊拉扯，很可能使勵磁繞組絕緣磨損，從而發生接地或短路故障。由于不平衡摩擦力的存在，勵磁的繞組線棒將產生變形，變形線匝在失掉墊塊的狀態下由離心力作用將產生位移。另外，繞組在長期不對稱摩擦力下很可能使線棒達到材料疲憊極限，給設備造成不可挽回的損失。

（3）不對稱摩擦的診斷。將勵磁電流增大，若基頻振動隨著勵磁電流的增大而增大，則說明系統存在不對稱摩擦；查看發電機轉子振動的頻譜圖，若存在不對稱摩擦則頻譜圖中的基頻振動較正常情況下會明顯增大；降低勵磁電流，若存在不對稱的摩擦力，發電機轉子基頻不會明顯地隨著勵磁電流的減小而減小。

4 結論

本文分析了汽輪發電機組轉子在運行過程幾種常見的故障，包括定轉子間氣隙偏心，轉子不對稱冷卻，繞組與轉子本體及護環不對稱摩擦；并在此基礎上提出了這幾種故障產生的原因和危害，提出故障的診斷方法，為相似的工程提供了借鑒。

參考文獻：

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[2]李偉清.汽輪發電機故障檢查分析及預防[M].北京：中國電力出版社，2002.