350 MW汽輪發電機定子故障分析及改進對策

沈 杰

（寶山鋼鐵股份有限公司電廠，上海 200941）

前言

寶鋼電廠3#汽輪發電機額定容量為350 MW，發電機冷卻方式為全氫內冷，由日本三菱電機公司制造，隨新建機組項目于1999年投入運行。自2009年4月首次發生發電機定子槽楔脫落以來，在2010年5月、2012年3月及2013年7月總計共4次都發生了槽楔松動脫落的故障，其中2013年7月發生的故障最為嚴重，造成停機搶修35天、發電量約2億多千瓦時的經濟損失。

在前3次故障發生后，盡管都采取了相應的對策措施，但是都未能徹底解決問題，說明在處理對策上存在偏差；同時也反映出原因之復雜，處理之困難。2013年7月故障發生后，中日雙方開展了高層會談，都認識到了解決問題的難度及需要付出的代價；雙方通過后續多次討論，于2014年3月提出了一個旨在徹底解決問題的改造方案，并在2014年12月實施了該改造項目方案。

以2013年7月發生的故障為案例，說明檢查情況，分析原因，介紹后續改進方案及實施效果。

1 事件經過

2013年7月25日12:26,寶鋼電廠3#機組正常運行中突然發生發電機定子接地保護64G3動作，發電機保護出口動作，機組故障跳閘。

64G3動作后，檢查發電機保護裝置內部動作記錄，確認64G3的95%及100%電機定子接地保護均動作；查閱故障錄波器，確認保護動作時有較大的零序電壓波形記錄；測量發電機的絕緣電阻，確認發電機定子-主變-廠高變主回路對地絕緣電阻為零。發電機排氫后，打開汽側發電機人口門進入內部檢查，發現發電機端部有槽楔和絕緣物脫落；拆除發電機出線與分相封閉母線的軟連接線后測得發電機定子繞組絕緣電阻為零。由此最終確認是發電機故障，需要開展搶修工作。

2 設備檢查情況

7月31日，發電機轉子抽出，開始對發電機進行檢查，8月2日，完成相關檢查。主要情況如下。

2.1 故障部位

圖1為發電機結構簡圖，確認故障接地點在汽側端部線圈，為圖中框內部位。圖2顯示為故障部位定子繞組端部局部意示圖。

圖1 發電機結構簡圖

圖2 故障部位定子繞組端部局部圖

檢查確認汽側端部第30槽和第29槽內的線棒絕緣層嚴重損壞，如圖3所示，其中30槽上部線棒絕緣損壞最嚴重，有銅裸露；第30槽和第29槽出口隔板脫落，第 1、2、8、9、18、19 槽出口隔板出現輕微松動；第21、30槽口的槽楔止擋塊脫落。

2.2 定子槽楔松動檢查

圖3 線圈絕緣損壞圖

用人工錘擊槽楔聽聲音的傳統方法，對發電機定子槽楔松動情況進行檢查，表1列出了檢查結果。表中，從汽機側看，將正中（12點鐘位置）偏左第一個線槽編號為第1列，逆時針依次編號至30；軸向從勵磁機側至汽機側槽楔塊依次編號從1到34。槽楔總計1020塊，其中汽側和勵側各為510塊。從表1中可以看出，在汽機側，已經有187塊槽楔松動（標出深色框），占汽側的37%；在勵側槽楔基本無松動。由此說明汽側的槽楔松動較嚴重，存在重大隱患。

表1 發電機定子槽楔松動檢查結果表

2.3 模態試驗

為判斷發電機定子繞組端部是否存在94～115 Hz之間的固有頻率和有害的振型（橢圓振型），在發電機抽出轉子后實施了繞組和鐵芯模態試驗。

對定子繞組端部進行振型模態試驗，其中汽側定子繞組端部固有頻率 (橢圓振型)為80 Hz，勵側定子繞組端部固有頻率 (橢圓振型)為79 Hz，與上次2012年相比，數據基本相同，滿足國標確定的要求。

對定子鐵芯進行振型模態試驗，按照圖4按軸向劃分的鐵芯區域圖，實施的定子鐵芯模態試驗結果見表2所示。

表2 定子鐵芯背部(斜面激振）固有頻率(橢圓振型)Hz

表2中，鐵芯背部固有頻率盡管不在94～115 Hz區間，但是本次與2012年試驗數據相比，在汽側區域（1區，2區，3區）頻率有一定的減少，說明汽側鐵芯的剛度有明顯降低。

2.4 螺栓殘余力矩測量

為判斷鐵芯螺栓和穿心螺栓松動情況，檢查測試了汽機側和勵磁側各8個鐵芯螺栓、8個穿心螺栓的殘余力矩，并分別取其平均值，結果如表3所示。結果表明，本次與2012年數據相比，汽側的緊固力矩下降較多，其中鐵芯螺栓力矩平均下降51%，穿心螺栓力矩平均下降28%，由此說明汽側鐵芯松動嚴重。

表3 螺栓殘余力矩

2.5 定子鐵芯長度的變化

為判斷定子鐵芯的緊固情況，測量了定子鐵芯緊固前和緊固后鐵芯長度（L1和L2），測得相關數據如表4所示，并與制造廠最初的制造廠出廠數據L0進行比較。測量結果對比表明，本次定子鐵芯長度平均值緊固后比緊固前縮短3 mm，緊固后比出廠時縮短5.5 mm，由此說明鐵芯收縮明顯，存在松動。

圖4 定子鐵芯分區圖

表4 定子鐵芯長度的變化

3 故障原因分析

3.1 鐵芯振動數據分析

圖5為搶修完成并網運行兩周后，發電機在線監測裝置于2013年9月13日錄取的5個測點的定子鐵芯徑向振動幅值(峰-峰值）趨勢圖，圖6為2個測點的定子端部線圈徑向振動幅值(峰-峰值）趨勢圖。從圖5中看出，勵側鐵芯徑向振動幅值小于40 μm（曲線1），從勵側到汽側鐵芯徑向振動逐漸增大，其中曲線5（測點距離汽側端部約2 m鍋爐方向3點鐘位置）振動幅值到達140 μm，超過廠家合格標準的17%。從圖6中看出，勵側端部線圈徑向振動較小，幅值穩定維持在30 μm左右；而汽側端部線圈徑向振動較大，且有逐步上升趨勢，幅值超過70 μm。

圖5 定子鐵芯徑向振動幅值(峰-峰值）趨勢圖

圖6 定子端部線圈徑向振動幅值(峰-峰值）趨勢圖

按照制造廠確定的氫冷發電機定子鐵芯徑向振動運行狀態評估分級標準，當Dc（定子鐵芯徑向振動幅值μm，p-p值@100 Hz）≦70時，狀態為優良；當70120時，狀態為較差，必須盡快停機處理。按照此標準，運行中3#發電機鐵芯徑向振動處于嚴重隱患狀態。顯然，這種振動會加快發電機定子槽楔的松動、脫落，引發嚴重故障。

3.2 故障原因分析

根據上述對槽楔松動檢查、螺栓緊固力矩檢查、模態試驗、鐵芯長度的變化及振動實測值，可以確認槽楔松動引發的原因是發電機靠汽側的定子鐵芯松動。分析認為，鐵芯松動得原因有兩種可能：

（1）發電機經過數年運行，鐵芯硅鋼片表面絕緣漆受運行溫度的影響發生不均勻收縮，定子鐵芯緊力減小、螺栓松動，鐵芯剛度下降，并進一步引起鐵芯振動加劇，最終導致定子槽楔松動、引發槽楔脫落故障。

（2）第二種可能是制造質量問題引起，例如制造工藝出現問題，制造廠在定子鐵芯疊壓的熱壓溫度、壓力、熱壓次數等因素，都會引起鐵芯松動。

考慮到本發電機首次出現故障前已穩定運行10年，因此雙方認為，故障原因屬于第一種的可能性較大。

4 改進對策

本次故障發生后，經研究，決定采取兩個階段分步實施改進對策：（1）短期對策；（2）制定并實施徹底解決問題的改進方案。

4.1 短期對策

在徹底解決措施或方案實施之前，中日雙方確定并實施了以下短期對策：

（1）實施修復工作

抽出故障線棒，進行了絕緣修復并回裝處理；將定子槽楔全部敲出，重新安裝，更換汽機側定子槽楔及絕緣墊片、彈性波紋板；對定子鐵芯螺栓和穿芯螺栓采用120%力矩進行了緊固；進行定子繞組電氣試驗；進行了發電機短路試驗、開路試驗。

（2）實施在線監測

為實現在線監測，新增安裝一套在線檢測裝置，裝置能實施對發電機運行中在線監測鐵芯振動、線圈振動、線圈局部放電數據，為狀態分析工作提供有效依據。

4.2 徹底改進對策

4.2.1 改進方案要點

對于發電機定子鐵芯的松動問題，處理的基本思路是，設法增加鐵芯的整體剛度，并對螺栓進行緊固。汽輪發電機定子鐵芯通常是在制造廠分段疊裝后用大型油壓裝置進行壓緊，但在發電廠現場不具備采用這種方式對鐵芯進行壓緊的條件，通常只能用常規方法緊固。在本次故障前已對鐵芯螺栓進行常規緊固數次，但結果表明，常規緊固后短期內鐵芯很快又發生松動。經過與制造廠多次討論，最終提出處理方案是：一方面，先將發電機定子鐵芯穿心螺栓由標準螺栓改為用液壓螺栓，再用液壓裝置對液壓穿心螺栓進行緊固；另一方面，采用灌入環氧樹脂粘結劑以加強鐵芯疊片之間的粘結強度。主要步驟：

（1）前期準備工作

①準備好液壓裝置、液壓穿芯螺栓和螺母,發電機頂升工具。

②定做一套特殊的鐵芯環氧樹脂注入工具，如圖7所示。

（2）機組停機后先拆除所有定子線棒。

（3）更換全部常規的定子鐵芯穿芯螺栓螺母。

原有的定子鐵芯穿芯螺栓螺母為標準的六角螺母，無法用液壓裝置進行緊固，因此首先必須將標準穿芯螺栓螺母為液壓螺栓螺母。由于有7個穿芯螺栓在發電機平臺水平線以下，無法直接更換，所以需要把發電機用千斤頂進行頂升到一定高度才可把穿芯螺栓更換。

圖7 環氧樹脂注入特殊工具示意圖

（4）用高精度的液壓裝置緊固鐵芯穿芯螺栓。

穿芯螺栓更換好后，使用液壓裝置，按預先設定好的壓力同時緊固所有的穿芯螺栓，如圖8所示，這樣做的好處是，可以保持所有的螺栓預緊力均勻相同，鐵芯均勻受力，鐵芯墊片間絕緣不會損壞。

圖8 用液壓裝置同時緊固液壓螺母

（5）采用灌入環氧樹脂粘結劑以加強鐵芯疊片之間的粘結強度。

①啟動環氧注入泵，從勵側將環氧由注入棒插入定子鐵芯通風孔，如圖9所示，環氧樹脂可通過鐵芯通風孔滲透進入各鐵芯表面。

②環氧注入工作結束后，立即用干燥的空氣吹掃鐵芯通風孔，如圖10所示,將通風孔內的環氧清理干凈。

4.2.2 實施效果

2014年年12月，按上述改進方案要點開始實施改造，2015年2月完成了改造。改造取得了明顯效果，體現在以下兩方面：

（1）定子鐵芯剛度提高

改造后進行了定子鐵芯模態試驗，測試數據如表5所示。測試結果表明，1區-3區汽側固有頻率比之前有明顯提高，而且汽側固有頻率與勵側固有頻率基本一致，遠離100 Hz。說明改造后，定子鐵芯剛度明顯增加，各區域趨于一致。

圖9 環氧樹脂滲透進入各鐵芯表面

圖10 空氣吹掃鐵芯通風孔

表5 定子鐵芯背部（斜面激振）固有頻率（橢圓振型）Hz

（2）定子鐵芯振動明顯降低

改造后測量了發電機定子鐵芯振動。在2015年2月8日～2月11日期間，測得機組從啟動、并網至帶負載運行階段的定子徑向振動及端部線圈振動數據，從中可以看出，在啟動初期，鐵芯最大徑向振動幅值為49 μm；在帶負載正常運行中，鐵芯最大徑向振動幅值為35 μm；端部線圈徑向振動幅值最大為11 μm。顯然，鐵芯振動明顯降低，處于優良狀態。

5 結語

本案通過對故障發電機進行全面的檢查和測試，分析故障原因，與制造廠深入討論整改方案，最終方案從兩方面來實施改進，一方面，先將發電機定子鐵芯穿心螺栓由標準螺栓改為用液壓螺栓，再用液壓裝置對液壓穿心螺栓進行緊固；另一方面，采用灌入環氧樹脂粘結劑以加強鐵芯疊片之間的粘結強度。通過實測運行振動數據，對比分析，驗證了對策的有效性。需要引起注意的是，本對策是否能長期保持鐵芯緊度有效，避免重復故障發生，還有待于進一步長期跟蹤和觀測。