9E燃氣輪機機組勵磁機故障分析及處理

張學霖

(惠州深能源豐達電力有限公司， 廣東惠州 516001)

為滿足地區電網的實際需求，9E燃氣輪機(簡稱燃機)通常作為調峰機組使用，每日兩班制運行，形成常態化。勵磁機是傳導勵磁電壓電流給發電機轉子繞組的重要設備，是否正常運行關系到發電機能否正常運行[1]。

近年來，某些電廠9E燃機中的燃機、汽輪機(簡稱汽機)發電機勵磁機在運行15 000 h、啟動次數約1 000次、運行約10 a后出現一些偶發性或共性的缺陷。筆者分析了發電機勵磁機的故障現象并提出了處理方法。

1 故障分析及處理

美國通用電氣公司生產的PG9171E燃機發電機組，部分9E燃機發電機采用奧地利ELIN發電機公司生產的9A5型，轉速為3 000 r/min，采用交流無刷勵磁方式，勵磁機為KATO公司

生產，型號為12P32-1100，額定電壓為375 V，額定電流為1 031 A，絕緣等級F；部分汽機發電機采用山東齊魯電機制造有限公司濟南發電設備廠生產的WX18Z-054LLT型，轉速為3 000 r/min，采用交流無刷勵磁方式，勵磁機型號為WBF8-5G，勵磁機額定電壓為240 V，額定電流為1 240 A，絕緣等級F。

1.1 燃機發電機勵磁機

1.1.1 故障現象

KATO公司生產的勵磁機為交流無刷勵磁，是十二極轉樞式交流發電機，由定子直流勵磁繞組、三相轉子繞組及旋轉整流橋組成。勵磁原理為勵磁調節器輸出直流電，直流電輸入勵磁機定子形成磁場，勵磁機轉子高速旋轉切割磁場形成交流電，經旋轉二極管整流后注入發電機轉子線圈勵磁，見圖1。

圖1 燃機發電機勵磁機原理圖

2017年5月，某廠燃機發電機在啟動投入勵磁后，發電機機端電壓未能建立，勵磁調節器報“整流器故障”、“轉子接地故障”?，F場對勵磁機本體進行檢查，拆除冷卻風管，并抽出勵磁機定子。勵磁機電樞繞組靠近鐵芯端部發現故障點，見圖2。

圖2 燃機發電機勵磁電樞故障

初步檢查結果為：勵磁機轉子繞組靠近整流環處有一處燒黑痕跡，鐵芯和繞組有燒傷痕跡，鐵芯部分擊穿出一個坑洞，繞組對鐵芯放電，無緯帶有燒黑痕跡。

現場加熱勵磁機電樞，并將電樞拔出，發現勵磁機轉軸上有粉末，粉末從勵磁線棒預留孔冒出。經檢查，預留孔粉末來源于勵磁機連接發電機轉子的D形線棒表面的絕緣材質(見圖3)。

圖3 燃機發電機勵磁機轉軸結構

ELIN公司生產的9A5型發電機在設計上考慮了勵磁的兩種方式，一種是交流無刷勵磁，另一種是靜態勵磁。采用交流無刷勵磁機勵磁方式，經旋轉二極管連接整流后，通過D形線棒端部連接發電機轉子進行勵磁。采用靜態勵磁方式可在勵磁線棒預留孔安裝連接部件與D形線棒中部連接，對發電機轉子進行勵磁。

D形線棒內置于轉軸中心孔中，由正負極兩根線棒組成，勵磁機電樞繞組經旋轉二極管整流后，通過D形線棒連接發電機轉子繞組進行勵磁。D形線棒為銅質材質[2]，導電性能良好，線棒軸向絕緣層為環氧樹脂澆注絕緣層，絕緣層厚度為2 mm。兩根D形線棒中間用一層絕緣隔板隔開。D形線棒絕緣層與轉子轉軸有約1～2 mm間隙，見圖4。由于機組頻繁啟停，工況不斷變化，造成線棒熱脹冷縮，絕緣層與轉軸發生碰撞磨損，絕緣層磨出粉末，粉末逐漸從勵磁線棒預留孔中冒出。

圖4 燃機發電機D形線棒結構

1.1.2 故障原因分析

(1) 9E機組由于電網調峰要求，基本上每天兩班制運行。機組運行期間，由于轉子高速旋轉，D形線棒在離心力作用下，與轉子轉軸的接觸面貼緊，線棒絕緣層和轉軸沒有相對運動，不會造成線棒表面絕緣材料的磨損。在夜間盤車運行期間，由于盤車轉速較低，離心力不足，D形線棒旋轉到低位時貼緊轉子轉軸，旋轉至高位時在自身重力的影響下與上部的轉子轉軸形成間隙，造成線棒表面的絕緣層碰撞磨損，形成粉末。

(2) 粉末易進入勵磁機繞組漆包線縫隙中。由于機組運行時間已超過10 a，繞組漆包線絕緣逐漸老化，表面絕緣層破裂，粉末等雜質依附在表面上。如粉末受潮粘附，易造成繞組匝間短路。

1.1.3 故障處理

燃機發電機勵磁機故障處理要求較嚴格，現場不具備條件，須將勵磁機返維修廠進行維修。勵磁機處理方案：

(1) 勵磁機轉子加熱，從轉軸上拔出。

(2) 勵磁機修前動平衡測試。

(3) 勵磁機電樞繞組與整流盤隔離，拆除勵磁機電樞繞組兩側無緯帶，拆除勵磁機電樞繞組。

(4) 清洗劑清理槽內殘余絕緣和污穢。

(5) 修復損壞的硅鋼片，并對表面絕緣進行修復。

(6) 按照勵磁機容量要求進行修復，采用H級絕緣高強度漆包線進行繞線，材料采用H級絕緣。

(7) 勵磁機端部纏繞無緯帶。

(9) 電樞繞組三相直流電阻測量、絕緣試驗、交流耐壓試驗。

(10) 發電機表面噴防護漆。

(11) 勵磁機電樞繞組和整流盤裝配，進行動平衡測試，試驗數據應與修前數據匹配。

(12) 勵磁機加熱套入轉子，并進行固定。

1.2 汽機發電機勵磁機

1.2.1 故障現象

2017年3月，對3號發電機WBF8-5G勵磁機端部進行孔探檢查，發現勵磁機電樞繞組端部與連接環接頭相連的3個并頭套出現移位，其中移位最大的并頭套約相對移動5 mm，用于防護固定的綁扎繩也被拉斷，見圖5。對勵磁機電樞三相直流電阻進行測量，直流電阻平衡。

圖5 汽機發電機勵磁機并頭套連接缺陷

WBF8-5G型勵磁機工作原理與KATO勵磁機原理相似。勵磁機為交流無刷勵磁，是八極轉樞式交流發電機，由定子直流勵磁繞組、三相轉子繞組及旋轉整流橋組成。三相轉子繞組切割磁場后通過并頭套分別連接不同的A、B、C、N相連接環，連接環與整流盤相連進行整流，見圖6。

圖6 汽機發電機勵磁機并頭套連接圖

故障的并頭套連接勵磁機電樞繞組與連接環接頭，起到電路導通作用，材質為優質銅。并頭套安裝時將其套入電樞端部繞組和連接環接頭處，將銅條分別敲擊塞入并頭套的間隙中，使其固定牢靠，并有效增加接觸面。加熱裝置對并頭套兩端進行加熱，將錫焊條慢慢融入并頭套與其他連接件的間隙中，降低接觸電阻。

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1.2.2 故障原因分析

(1) 連接環和并頭套本身強度不足，材質均為優質銅材，硬度不足。在高速運行中，設備流過較大電流，銅質材料發熱變軟，在離心力作用下，連接環接頭產生徑向向外的作用力。在盤車狀態下，離心力消失，連接環接頭逐漸冷卻回位。機組每天兩班制運行造成并頭套被不斷拉扯變形。

(2) 錫焊工藝強度較低。錫焊熔點約200 ℃，并頭套在不斷拉扯變形過程中易形成焊錫脫落，造成并頭套與連接件接觸電阻增大，在導通大電流作用下發熱程度會增加，進一步加快焊錫脫落速度。

1.2.3 故障處理

電廠不具備發電機勵磁機的維修條件，須送維修廠進行維修。為方便發電機轉子動平衡測試，將發電機轉子和勵磁機抽出返維修廠處理。

維修廠汽機發電機勵磁機處理方案：

(1) 中頻加熱將勵磁機電樞繞組和整流盤從轉子中拔出。

(2) 測量勵磁機電樞直流電阻。

(3) 將勵磁機電樞繞組和整流盤脫離。

(4) 拆除電樞繞組兩端無緯帶。

(5) 加熱連接勵磁機電樞繞組和連接環接頭的并頭套，將其拆除；加熱連接勵磁機電樞繞組跨接并頭套，將其拆除；清理勵磁機端部電樞繞組，清除殘余錫塊。

(6) 拆除A、B、C、N相連接環。

(7) 安裝新連接環。

(8) 在勵磁機電樞繞組和連接環接頭安裝并頭套；在勵磁機電樞繞組跨接處安裝并頭套；并頭套與連接環接頭連接處采用銀銅焊方式焊接，銀銅焊焊接硬度較大，且熔點比錫焊熔點有較大提升，達到600 ℃[3]；并頭套與勵磁機電樞繞組連接處采用錫焊方式焊接；電樞繞組間跨接并頭套采用錫焊方式焊接，見圖7。

圖7 汽機發電機勵磁機并頭套連接圖

(9) 在無電氣連接的并頭套間安裝絕緣板；在連接環接頭和勵磁機端部繞組間綁扎較厚的絕緣麻繩，見圖8。

圖8 汽機發電機勵磁機并頭套綁扎結構

(10) 勵磁機電樞繞組真空浸漆，并烘干固化；絕緣麻繩經浸漆固化后有較強的硬度，起到固定并頭套的作用。

(11) 整流盤試驗，測量整流盤電容、電阻。

(12) 裝配整流盤和勵磁機電樞繞組。

(13) 中頻加熱整流盤和電樞繞組，套入發電機轉子。

(14) 發電機轉子整體外涂DK222樹脂絕緣漆。

(15) 最終試驗：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(0～3 000 r/min)；③測量勵磁機轉子繞組及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電樞繞組的直流電阻。

2 預防措施

(1) 勵磁機故障均發生在旋轉部分，主要是因為發電機制造廠未充分考慮到9E燃機機組的調峰特性，GB/T 7064—2008 《隱形同步發電機

技術要求》中提及在轉子整體的壽命期限中，應能承受啟動次數不少于3 000次；對兩班制調峰運行的發電機，轉子整體在使用壽命期限內，應能承受不少于10 000次的啟動次數。出現問題的勵磁機遠未達到限制的啟動次數。用戶應在合同中強調發電機的制造工藝應滿足兩班制運行的需求。

(2) 加強勵磁機的保養。KATO勵磁機電樞繞組采用漆包線，絕緣強度取決于其表面的絕緣漆。與金屬材料不同，絕緣材料的性能相當容易隨時間延長而變化[4]。經過長時間的運行后，絕緣漆老化造成絕緣下降，用戶可考慮對勵磁機定轉子繞組進行真空浸漆，加強繞組絕緣。

(3) 改進勵磁機薄弱結構和加強孔探檢查。WBF8-5G型勵磁機電樞繞組跨接并頭套、連接端部繞組與連接環接頭并頭套強度不足，可使用銀銅焊替代錫焊形式，并利用機組大小修的檢修空間對并頭套進行檢查，發現移位或變形等情況及時處理。

(4) 加強勵磁機常規的電氣試驗。在條件滿足的情況下，可定期對勵磁機進行直流電阻、絕緣電阻測試。

3 結語

交流無刷勵磁機普遍應用于9E燃機發電機組，為發電機提供勵磁電源，是發電機重要的輔助系統。9A5型發電機勵磁機絕緣材料和裝配結構上存在一定的安全隱患，WX18Z-054LLT型發電機勵磁機在焊接工藝上存在缺陷，均不能滿足頻繁啟停的要求。對上述兩種型號的發電機均應針對性地在制造和裝配等工藝上進行優化，才能減少和消除類似故障，滿足發電機頻繁啟動的要求。