淺析發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動故障的診斷及處理

顧凱凱

摘要：大型發(fā)電機振動故障有很多類型，熱彎曲是比較常見的振動故障，其主要原因包括材質(zhì)問題、冷卻系統(tǒng)故障、轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻、匝間短路等。本文以某1000MW汽輪發(fā)電機為例，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動故障的診斷及處理進行分析探討。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機；轉(zhuǎn)子；振動故障；診斷；處理

1機組簡介

某廠2×1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機組由上海發(fā)電機廠與德國西門子公司聯(lián)合設(shè)計生產(chǎn)。發(fā)電機型號為THDF125/67，采用水—氫—氫冷卻方式。勵磁系統(tǒng)采用靜態(tài)勵磁和無刷勵磁2種方式。機組軸系由5個徑向橢圓軸承支撐，高壓轉(zhuǎn)子為雙支撐結(jié)構(gòu)，中壓和低壓轉(zhuǎn)子為單支撐結(jié)構(gòu)，發(fā)電機轉(zhuǎn)子和勵端小軸為三支承結(jié)構(gòu)，各轉(zhuǎn)子間均用剛性聯(lián)軸器連接，其軸系布置如見圖1所示。

2發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動故障的診斷及處理

2.1振動現(xiàn)象

機組自投入生產(chǎn)以來，發(fā)電機在整個沖轉(zhuǎn)過程中，振動良好，無異常振動特征。發(fā)電機在機組初定速以及初帶負荷的時候，5號瓦、6號瓦振動均小于80μm且振動穩(wěn)定；但隨著機組負荷逐漸升高，5號瓦、6號瓦振動也隨之升高，當機組升至滿負荷時，5號瓦、6號瓦振動最大為150μm；當機組負荷下降時，5號、6號瓦振動也隨之下降。

2.2可能導致發(fā)電機轉(zhuǎn)子熱不平衡振動的幾種常見原因

（1）冷卻系統(tǒng)故障。對于氫內(nèi)冷發(fā)電機，通風孔是轉(zhuǎn)子熱交換的主要風路通道，通風孔變形、雜物堵塞等會引起通風孔通流面積減小，這將破壞冷卻的對稱性，使轉(zhuǎn)子橫截面的溫度不對稱，進而引起熱彎曲。該故障的特點是：隨著氫溫的升高，發(fā)電機轉(zhuǎn)子的冷卻效果會變差，但轉(zhuǎn)子不對稱冷卻程度就相對減小，最終導致熱不平衡振動減小。

（2）轉(zhuǎn)子繞組匝間短路。由于發(fā)電機短路，定子膛內(nèi)被污染，沒有被徹底清理的污染物可能會進入轉(zhuǎn)子通風槽或其他部位，從而引起匝間短路。

（3）轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均。轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均是指轉(zhuǎn)子鍛件的氣隙、夾雜、鼓泡等使轉(zhuǎn)子徑向纖維組織不均勻，導致材料的物理特性存在各向異性。這類問題通常由鍛件生產(chǎn)和熱處理過程中的缺陷引起。在機組運行中，當材質(zhì)各向異性的轉(zhuǎn)子受熱以后，轉(zhuǎn)軸將會產(chǎn)生不均勻的軸向或徑向膨脹，引起轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲，從而導致不平衡振動。轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均導致的故障主要有以下幾個特點：①轉(zhuǎn)子電流越大（與機組有功、無功負荷正相關(guān)），轉(zhuǎn)子的熱彎曲量越大，產(chǎn)生的不平衡振動也就越大；②材質(zhì)不均導致的熱彎曲一般具有可逆性，因此其誘發(fā)的不平衡振動隨轉(zhuǎn)子電流的變化有較好的重復性；③由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量大，其對熱量的反應(yīng)具有一定的滯后性，因此振動變化也會滯后于轉(zhuǎn)子電流的變化；④由于轉(zhuǎn)子材料物理特性的各向異性是一定的，其受熱時彎曲的方向不變，所以其振動的相位基本維持不變。

（4）轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻。發(fā)電機的磁場由轉(zhuǎn)子繞組的勵磁電流建立，勵磁電流通過繞組并加熱線圈，線圈受熱后向兩端膨脹。如果這種膨脹不受約束，并不會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而在旋轉(zhuǎn)過程中線槽中的銅線承受巨大離心力，使線圈緊貼在槽楔和護環(huán)的內(nèi)壁，導致結(jié)合面存在很大的摩擦力，阻礙線圈膨脹；如果有些線槽中的線圈完全膨脹出來，膨脹受阻的線圈將產(chǎn)生一個反作用力，通過槽楔和護環(huán)作用在轉(zhuǎn)子上，使轉(zhuǎn)子彎曲。

2.3振動相關(guān)試驗

為了進一步查明根本原因，對機組先后進行了變氫溫試驗、變密封油試驗、變有功試驗、變無功試驗。在變氫溫試驗、變密封油溫試驗、變無功試驗過程中，5號、6號、7號瓦振動幅值和角度均無明顯變化，振動基本保持穩(wěn)定。在進行變有功功率試驗時，隨負荷增加5號、6號、7號瓦軸承出現(xiàn)明顯爬升，試驗測試數(shù)據(jù)見表1。

變氫溫試驗、變密封油溫試驗、變無功試驗的結(jié)果表明：試驗對5號瓦、6號瓦、7號瓦振動無明顯影響，基本可以排除冷卻系統(tǒng)故障、線圈膨脹受阻、匝間短路等故障。根據(jù)軸系布置圖，5號瓦為低壓缸后軸承，6號瓦、7號瓦為發(fā)電機前后軸承，隨著機組負荷升至高負荷時，5號瓦、6號瓦振動上升幅度較大，6號瓦、7號瓦相位增大。根據(jù)這些振動特點，判斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均、受熱不均勻，導致轉(zhuǎn)子熱彎曲和低發(fā)對輪中心產(chǎn)生偏差的可能性較大。

2.4振動處理措施

根據(jù)以上診斷結(jié)果，決定在機組停機之后，對其進行汽發(fā)對輪中心重新校正對中，并在汽發(fā)對輪上進行現(xiàn)場動平衡。經(jīng)計算，在汽發(fā)對輪上加重1.04kg逆轉(zhuǎn)向120°的平衡塊，降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子在高負荷時熱彎曲的振動，兼顧發(fā)電機空載時的振動，同時根據(jù)廠家要求對汽發(fā)對輪中心等安裝參數(shù)重新進行調(diào)整和對中。經(jīng)過現(xiàn)場動平衡和汽發(fā)對輪中心調(diào)整后，機組再次啟動，空載時，機組發(fā)電機前后軸振均小于60μm，振動處于優(yōu)良水平；機組逐漸帶至高負荷，5號、6號、7號瓦振動平穩(wěn)，未出現(xiàn)振動異常波動，振動問題得到解決。

3結(jié)論

（1）引起發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動的原因很多，需根據(jù)振動特點和有關(guān)試驗情況進行綜合分析并逐一排除。在分析轉(zhuǎn)子熱致不平衡振動的時候，往往將重點放在轉(zhuǎn)子存在匝間短路上，而忽視了轉(zhuǎn)子存在材質(zhì)缺陷而導致振動異常的可能。（2）轉(zhuǎn)子返廠修理后，一定要在制造廠轉(zhuǎn)子試驗臺上做好熱態(tài)動平衡試驗（模擬滿負荷工況下轉(zhuǎn)子運行溫度）。（3）該發(fā)電機轉(zhuǎn)子因材質(zhì)不均而引起較大的原始熱彎曲，雖然原始出廠時熱態(tài)動平衡試驗合格，但實際運行情況中存在較大偏差。因此，針對存在較大熱彎曲的發(fā)電機轉(zhuǎn)子，有關(guān)出廠前的熱態(tài)動平衡試驗方法還需進一步研究、改進，以使其盡量符合實際工況。（4）發(fā)電機三相短路的電、熱、機械應(yīng)力對轉(zhuǎn)子的平衡有不利影響，因此應(yīng)嚴格執(zhí)行防止發(fā)電機短路的反事故措施，防止發(fā)電機短路故障的發(fā)生。

參考文獻：

[1]某電廠發(fā)電機振動故障診斷及處理[J].劉樹鵬，葛祥.大電機技術(shù).2016（03）.

[2]某電廠2號機組發(fā)電機轉(zhuǎn)子熱彎曲故障診斷[J].孔祥渠，王帥，楊承剛.科技風.2014（04）.

（作者單位：中機國能電力工程有限公司）