一起發電機內部異響故障的問題探究

蘇曉亮

0 引言

南方某電廠2#發電機是哈爾濱動力設備有限公司生產的330MW全氫冷型汽輪發電機，2009年3月投入商業運行。在第一次大修完成后的啟機過程中，當轉子轉速較低時，發電機內部出現“咚、咚”的響聲。

1 異響問題的特征

現場對2#發電機進行了啟機時的升速及打閘后的降速試驗，轉子繞組均未施加勵磁，因此處于空轉狀態。期間仔細偵聽了2#發電機內部的異常響聲。該異響問題的發展過程可歸納如下：

（1）盤車狀態下，發電機內部無異響。

（2）啟機升速至30～260r/min范圍時，發電機內部開始出現“咚、咚”的異響，且異響發生的頻率與轉子的轉速一致，即轉子每轉動一圈，異響就發生一次。

（3）當轉速高于300r/min時，異響消失。

（4）轉速繼續升高到500～700r/min時，異響沒有出現；當轉速繼續升高到700～3000r/min時，異響也沒有出現。

（5）汽機打閘后，發電機轉速開始下降。當轉速降至260～30r/min時，異響又開始出現。

（6）當轉速低于30r/min時，異響消失，直至盤車狀態，異響也沒有出現。

從聲音的響度來看，當轉速處于150～180r/min范圍內時，聲音最響；其他轉速下，聲音較弱；而在異響剛開始出現或即將消失時，聲音最弱。當偵聽部位從勵端向汽端移動時，發現異響聲明顯變弱，說明汽端的異響聲從是勵端傳過去的，因此，發出異響的部位在發電機勵側[1]。

2 異響原因分析

根據現場偵聽到的情況來分析，認為造成異響的原因是轉子勵端護環下方轉子端部繞組的某一楔塊發生了松動。這種楔塊松動的現象在廣東省內不少大型發電機上都曾經出現過，如某電廠的2#發電機（600MW），當時轉子也未施加勵磁、處于空轉狀態，當轉速低于300r/min時，轉子勵端就會發出這種異響聲，其發聲頻率也與轉子的轉速一致，后拔掉護環檢查，發現是一楔塊松脫所致。從發生異響的情況來看，兩者具有高度的相似性。另外，在其他類似電廠也曾經發現轉子護環內部有楔塊掉出來落到發電機定子膛內的現象。因此，發電機內部出現這種異響現象并不罕見。

那么，除了因轉子護環下方的楔塊松動造成異響外，還有沒有其他原因也會造成異響呢？2009年4月，湛江某電廠2#發電機（300MW）在正常帶負荷運行時，就曾因鐵芯外部與定子外殼之間的通氫管道松脫而發出異響。2#發電機只要運行在210～230MW區間內，發電機內部就會出現“咣當、咣當”的金屬碰撞聲；而一旦偏離這一負荷區間，異響聲就會自行消失。后經分析，這種異響問題是由于當發電機運行在這一特定的負荷區間內時，電磁力以及各種應力的綜合作用使得松脫的通氫管道發生共振而產生了異響。這種異響的頻率與轉子的轉速不一致，它是一種頻率很低的碰撞聲，遠低于轉子3000r/min的轉速。因此，這種現象顯然與本廠2#發電機內部的異響情況不一樣。即便本電廠2#發電機內部有松動的部件，由于轉子還處于空轉狀態，尚未施加勵磁，各種部件未受到任何電磁力的作用，因此不會造成共振而發出異響。如果是因為轉子轉動時因機械應力的傳遞而產生共振，它也不可能會在30～260r/min這么寬的轉速范圍內發生共振。況且，電廠方面已對2#發電機內部進行過仔細檢查，未見任何松動的部件。因此，對于本廠2#發電機而言，完全可以排除因此類部件松脫造成異響的可能性。

轉子端部繞組的楔塊松動后，為什么會產生異響呢？我們可以用下面的圖1來做一簡要說明。

圖1 轉子護環內部端部繞組及楔塊相互之間的位置關系示意圖

從圖1中可見，楔塊插在兩個線圈端部繞組之間，對兩個線圈端部繞組起著緊固作用[2]，防止端部繞組在運行中發生不對稱的位移以及匝間絕緣墊條移位。正常情況下，楔塊夾在兩個線圈之間，與兩個線圈之間有一定的緊力。但由于線圈在制造廠嵌入下線時，每兩個線圈之間的間隔并非完全一樣寬，而楔塊的厚度卻是同樣的，因此，每個楔塊在兩個線圈之間受到的緊力就不一樣，有的較緊，而有的卻較松，這都是正常現象。

當轉子轉動時，楔塊不僅受到本身重力以及兩個線圈對它的緊力的作用，而且還受到甩向外部的離心力的作用。當楔塊轉動到圖1中的A點時，重力和離心力的方向一致。當楔塊隨轉子轉到C點時，楔塊的重力與離心力方向相反。當轉子轉速不高時（例如轉速低于30r/min），無論在A點還是C點，緊力均大于離心力與重力的合力，因此，楔塊仍將固定在兩個線圈之間，不會發生移動。當轉子轉速在一定范圍內時（例如處于30～260r/min），離心力的作用開始增大。當轉子轉到A點時，若緊力小于楔塊的重力和離心力之和，楔塊將向護環及其下方的絕緣層移動并發生撞擊聲。當轉子轉到C點時，由于離心力尚小于重力，楔塊將脫離護環并回落至原來的位置。當轉子再次轉到A點時，楔塊又將重復上一次在A點的運動形式，與護環發生撞擊。因此，撞擊聲的頻率與轉子轉速相吻合。當轉子轉速繼續增大時（例如大于260r/min），離心力大于楔塊的重力，即便在C點位置，楔塊也不能自動回落到原來的位置，而是繼續貼緊在護環內表面。這時，楔塊將不再與護環內表面發生撞擊，因此，撞擊聲就消失了。

3 對運行的影響

由于轉子通常工作在額定轉速下，松動的楔塊在離心力的作用下，緊貼在護環內表面，不會來回發生撞擊，因此，并不會影響發電機帶負荷運行。但對于調峰運行的燃氣輪發電機來說，情況比較特殊，這主要是因為燃氣輪發電機每天啟機、停機各一次，松動的楔塊在兩個線圈之間來回移動的次數要遠遠高于普通的汽輪發電機（以每次啟機或停機各發出異響100次來計算，楔塊在一年內將發生100×2×365=73000次）。因此，楔塊很容易發生磨損。若楔塊發生嚴重磨損，對發電機的運行主要有以下兩點不利影響：

（1）可能由于楔塊發生嚴重磨損，造成兩個線圈端部之間的間隙太大。當線圈端部失去緊力支撐后，在運行中就可能發生不對稱的位移，并可能逐漸發生匝間短路故障，引起發電機轉子異常振動等其他一系列問題。

（2）在發電機啟機、停機過程中，轉子護環下方松動的楔塊可能掉出來，落到發電機定子端部繞組上，并隨著發電機定子繞組的端部振動而振動。如果落下的楔塊緊貼住定子繞組端部線棒，在振動中與線棒表面的絕緣層發生碰磨，那么隨著時間的推移，將逐漸磨穿線棒表面的絕緣層，并最終導致定子短路接地故障[3]。

4 結語

在機組實際運行中，工況復雜多變，基于上述考慮，對2#發電機的后續運行提出以下建議：

（1）在每次啟機或停機時，應盡量縮短轉子在30～260r/min轉速區間運行的時間，從而有效減少楔塊與線圈之間的摩擦次數。

（2）在每次啟機或停機時（甚至在發電機帶負荷運行時），均應安排專人對異響聲進行監聽，以便及時發現異響聲的變化情況。

（3）一旦發現異響聲消失，可能說明楔塊已從轉子護環中掉了出來。根據上述分析，脫落的楔塊可能成為威脅發電機安全運行的隱患。因此，應及時予以排查，消除隱患。

［參考文獻］

[1]吳希再.電力工程[M].武漢：華中理工大學出版社，2003.

[2]熊信銀.發電廠電氣部分[M].3版.北京：中國電力出版社，2004.

[3]劉介才.工廠供電[M].北京：機械工業出版社，2004.