大型汽輪發電機轉子燒損原因分析

(1.發電設備國家工程研究中心， 黑龍江哈爾濱 150040；2.哈爾濱電機廠有限責任公司， 黑龍江哈爾濱 150040)

大型汽輪發電機轉子燒損原因分析

彭凌云

(1.發電設備國家工程研究中心， 黑龍江哈爾濱 150040；2.哈爾濱電機廠有限責任公司， 黑龍江哈爾濱 150040)

根據某350MW汽輪發電機停機檢修時發現的轉子表面多處燒損的情況，經檢查運行記錄和安全保護裝置，發現是由于電網出現三相負載不平衡狀態下定子繞組內就會產生負序電流并在轉子表面造成燒損。為了預防這類情況的發生，提出了應當采用負序電流安全保護裝置，并優選其整定值以后的運行實踐證明，預防方法行之有效。

大型汽輪發電機；轉子燒損；原因分析

0 引言

曾經對某發電廠的350MW汽輪發電機組進行停機檢修。在拆卸汽輪發電機并抽出轉子后進行檢驗時，發現轉子表面有多處燒損情況。檢查結果表明，它們主要發生在轉子槽楔相互之間的結合面處、槽楔與轉子本體的結合面處、轉子表面與槽楔，實施洋沖鎖緊的槽楔與槽楔連接處，這些燒損部位共有38 處之多。根據經驗判斷，這是一種典型常見的負序電流燒損案例。當電力系統發生不對稱短路或負荷三相不對稱時，所產生的負序電流會使發電機轉子嚴重受損，甚至導致轉子報廢[1]。本文詳細介紹了引起這種損傷的原因、負序電流的危害、負序電流的限值、損傷的修復方法以及應當吸取的經驗教訓。

1 轉子燒損的原因

1.1 負序電流的危害

當發電機轉子的旋轉方向和旋轉速度與三相正序對稱電流所形成的正向旋轉磁場的轉向和轉速一致時，即轉子的轉動與正序旋轉磁場之間沒有無相對運動，便處于同步狀態。當電力系統發生不對稱短路或三相負荷不對稱(例如接有電力機車、電弧爐等單相負荷)時，便在發電機定子繞組中產生負序電流。該負序電流在發電機氣隙中產生反向(與正序電流產生的正向旋轉磁場相反)旋轉磁場，它相對于轉子來說具有2倍的同步轉速，因此在轉子中就會感應出頻率為100Hz的電流。該倍頻電流主要流經轉子本體、槽楔和阻尼條，而在轉子端部附近沿周向形成閉合回路，這就使轉子端部、護環內表面、槽楔和小齒等接觸面部位出現像電焊施工那樣的局部燒熔，嚴重時會使轉子護環受熱膨脹、甚至松脫，這將導致災難性后果[2]。在負序(反向)氣隙旋轉磁場與轉子電流之間，正序(正向)氣隙旋轉磁場與定子負序電流之間所產生的頻率100Hz交變電磁力矩，將同時作用于轉子大軸和定子機座上，引起頻率為100Hz的倍頻振動。

1.2 負序電流的限值

為了預防此類事故的發生，發電機都具有一定的負序電流的承受能力，這主要取決于轉子的負序電流發熱條件(即負序電流的平方與其持續時間的乘積)，而不是發生的振動。

按照國家標準規定，發電機應能承受一定數量的穩態和瞬態負序電流。當三相負載不對稱時，每相電流均不得超過額定定子電流(IN)，而且其負序電流分量(I2)與額定定子電流(IN)之比I2/IN值必須符合GB/T 7064—2008的規定才能連續運行。當發生三相負載不對稱的故障運行時，其負序電流分量(I2)與額定定子電流(IN)之比的平方(I2/IN)2與持續運行時間t的乘積(I2/IN)2t，也應符合該標準的規定見表1。

表1 電網負荷不平衡時汽輪發電機的負序電流承受能力(限值)

1.3 負序電流的安全保護

從現場的保護設備記錄數據查詢結果表明，發電設備長期運行中發出保護報警信號時的負序電流保護整定值設定為960A。然而，在機組兩年多的運行期間里，并沒有出現過負序電流過大的報警信號，也沒有查詢到其它報警信號。至于機組運行數據的查詢，由于故障錄波器沒有記錄發生故障時的相關數據，只能通過查閱大量的現場機組運行數據來查找負序電流的大小。

通過發電機運行記錄查詢到的數據表明，最大負序電流曾經達到304.69A，但是它也遠遠沒有達到和超過設定的負序電流保護整定值960A。

查詢結果表明，在該機組兩年的所有運行數據中，查到的最大負序電流為304.69A(相當于2.56% 的IN)。雖然在這段期間曾經發生過幾次事故：如電網事故，變電站變壓器事故，勵磁設備事故(甚至引起轉子接地報警)等，但是其負序電流都遠未超過保護整定值960A。

1.4 轉子燒損的原因

機組在運行過程中，電網曾出現過負荷不平衡的情況，尤其是單相負荷的投入或切除時，會使得負序電流迅速陡變。負序電流曾經在短時間內(1～2s內)從140A左右突然升到276.45A。這種引起負序電流迅速加倍增大的結果，會引起穩態負序電流過大或者暫態負序電流(I2/IN)2t的超限，在轉子上感應出2倍工頻(100Hz)交變電流[3]。由于集膚效應的作用，倍頻電流主要在轉子表層流通，經轉子本體、槽楔和阻尼條，使轉軸表層和轉子槽楔等零部件的接觸面處發生焦耳效應、引起火花放電而燒損。

2 轉子燒損的修復方法及經驗

2.1 轉子燒損的修復方法

2.1.1 拔下轉子兩端護環，拆除全部轉子繞組后，對護環、轉子線圈、轉子下線槽以及轉子槽楔等進行徹底清理(必要時對其進行探傷檢驗)，全部清理干凈后重新裝配，恢復原狀。

2.1.2 所有槽楔灼傷處全部打磨修理并清理干凈后回用，復測相鄰槽楔對接處的高差；更換所有導電連接塊，調整其配合尺寸，增大其接觸壓力，保證其在運行中的可靠接觸，最后將回裝后的轉子進出風槽楔調整到正常位置，用洋沖重新鎖住槽楔，以保證轉子通風風路暢通不被槽楔擋住。

修復完成以后，按照標準要求對該轉子進行直流電阻、絕緣電阻、交流阻抗、耐壓試驗[4]。

2.2 經驗

由于負載的復雜多變，包括電網在內的任何電力系統，盡管都普遍裝設了電力系統穩定裝置(PPS)，但是很難完全避免出現三相負載不平衡狀態下的運行工況。所以，發電廠應當采取自我保護措施，裝設負序電流安全保護裝置，但是整定值不應當設定太高，以免即使轉子燒毀了而保護裝置卻沒有動作，未能發揮安全保護作用；也不能太低，轉子沒有損傷，而保護裝置動作，斷電跳閘，使發電廠蒙受經濟損失，同時又使電網承受負載不平衡的第二次沖擊。所以，負序電流安全保護裝置限值的設定，必須結合實際情況進行優選，而且要滿足國家標準的要求。這就是經歷這次損傷事件應當吸取的經驗教訓。不能容忍轉子已經燒損而保護裝置卻沒有動作的情況發生。

3 結語

(1)由于電力系統負載的復雜多變，很難完全避免出現不平衡的運行工況，要求發電機必須具備符合國家標準規定的負序電流承受能力。

(2)作為電力系統的電網部門在裝設電力系統穩定裝置的同時 ，仍然要采取更多的有效措施來防止負載的不平衡和動蕩。

(3)發電廠的負序電流安全保護裝置的動作限值，應當聯系實際情況經過優選來設定，杜絕已經發生轉子燒損而保護裝置卻不作為的現象。

[1] 汪耕. 大型汽輪發電機設計、制造與運行[M]. 上海：上海科學技術出版社，2012.

[2] 張學延. 汽輪發電機組振動診斷[M]. 北京：中國電力出版社，2008.

[3] 張征平. 大型發電機轉子故障分析與診斷[M].北京：中國電力出版社，2011.

[4] 李永剛. 發電機轉子繞組匝間短路故障特性分析與識別[M].北京：中國電力出版社，2009.

AnalysisonOverburningReasonofLargeTurbineGeneratorRotor

PengLingyun

(1.National Engineering Research Center of Power Generating Equipment, Harbin 150040, China；2.Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Several overburnings appears on the surface of a 350MW turbine generator rotor during shutdown and overhaul. After searching operation records and safety protection device, it is found out that negative sequence current can be produced in stator windings because of unbalanced three-phase load in power network and rotor surface can be overburned. In order to prevent the happening of this kind of situation, the safety protection device with negative sequence current should be adopted, and its setting value should be optimally select. The later operation practice has proved that this prevention method is effective.

Large turbine generator；rotor overburning；reason analysis

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.11

TM306

B

1008-7281(2017)06-0038-003

彭凌云男1988年生；畢業于華中科技大學水電工程專業，現從事大型發電設備開發應用研究工作.

2017-05-28