大型汽輪發(fā)電機(jī)近年來事故原因及防范對策

1、大型汽輪發(fā)電機(jī)近年來事故原因及防范對策馮復(fù)生 ( 華北電力科學(xué)研究院，100045 北京 )國產(chǎn)200MW、300MW汽輪發(fā)電機(jī)的安全運行問題，一直受到廠家及發(fā)電廠的重視。據(jù)不完全統(tǒng)計，19831995年間，在20臺200MW國產(chǎn)汽輪發(fā)電機(jī)中，總共發(fā)生了24臺次的發(fā)電機(jī)定子繞組短路事故。大部分事故發(fā)生在19871992年期間，其中有14臺機(jī)上發(fā)生了18臺次的定子繞組短路事故，占事故總臺次的75%。1992年內(nèi)，最多發(fā)生5臺次短路事故。近年來，國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機(jī)定子事故及故障有所抬頭。多年來，機(jī)械部和能源部領(lǐng)導(dǎo)及工程技術(shù)人員為了提高國產(chǎn)大型汽輪發(fā)電機(jī)的安全水平作了不少努力。1988年初，兩

2、部委托中國電工技術(shù)學(xué)會及中國電機(jī)工程學(xué)會，組織專家組對事故原因作了調(diào)查；1991年35月，原能源部電力司再次組織專家調(diào)查組，1991年6月兩部召開了防止國產(chǎn)大型汽輪發(fā)電機(jī)定子端部短路事故專題討論會。同年9月，原能源部電力司召開了加強(qiáng)大型汽輪發(fā)電機(jī)運行維護(hù)現(xiàn)場經(jīng)驗交流會。根據(jù)當(dāng)時200MW發(fā)電機(jī)運行情況，每次會議針對發(fā)電機(jī)存在缺陷所提出的相應(yīng)對策是有效正確的，發(fā)電廠采取措施是積極主動的，為遏制200MW發(fā)電機(jī)事故的發(fā)生起到了積極作用。同樣，300MW發(fā)電機(jī)事故與故障也受到兩部領(lǐng)導(dǎo)及技術(shù)人員的關(guān)注，有關(guān)單位將采取積極措施以防止事故的重復(fù)發(fā)生。1定子短路事故的主要原因及特點1.1200MW發(fā)電機(jī)根據(jù)

3、調(diào)查分析，200MW定子短路的主要原因從總體上講，系產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理、絕緣施工及端部固定工藝不良、檢驗不嚴(yán)格、銅線焊接工藝差和材料選用不適宜等因素為事故的主導(dǎo)原因，其中以引線手包絕緣整體性差、鼻端絕緣盒填充不滿、絕緣盒與線棒主絕緣末端及引水管搭接處絕緣處理不當(dāng)、綁扎滌玻繩固化不良以及端部固定薄弱(包括引線存在100Hz固有頻率和銅線疲勞斷裂)等問題尤為突出。事故中暴露的問題與兩次調(diào)查組涉及的定子端部線圈設(shè)計、施工工藝與材料選用存在問題及管理不善完全相符。事故機(jī)組普遍存在密封瓦漏油、軸封漏汽及機(jī)內(nèi)氫氣濕度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，甚至機(jī)內(nèi)出現(xiàn)結(jié)露等問題，這些問題使先天有制造缺陷的薄弱部件，其絕緣水平進(jìn)一步降低，

4、引發(fā)了事故。此為事故發(fā)生的外因。1.2300MW發(fā)電機(jī)近年來，國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生故障與事故引起了有關(guān)部門的重視，為防范事故的發(fā)生所采取的措施與經(jīng)驗教訓(xùn)也值得200MW機(jī)組借鑒。根據(jù)電力部安生司關(guān)于國產(chǎn)水氫氫300MW汽輪發(fā)電機(jī)近期幾起短路事故和故障調(diào)查材料表明，定子內(nèi)冷水系統(tǒng)故障與廠家遺留隱患原因較為突出。據(jù)19931995年不完全統(tǒng)計，容量為300MW及以上發(fā)電機(jī)(包括不同冷卻方式的汽輪發(fā)電機(jī)與水輪發(fā)電機(jī))發(fā)生事故及故障總共138臺次，其中發(fā)電機(jī)本體故障為53臺次，勵磁機(jī)系統(tǒng)為45臺次，其它輔助設(shè)備等為40臺次，詳見表1所示。表1300MW及以上機(jī)組事故與故障概況序號 項目 事故總

5、臺次 占事故總臺次的百分比/% 事故與故障原因 事故次數(shù) 1 發(fā)電機(jī)本體 53 38.4 發(fā)電機(jī)定子內(nèi)冷水系統(tǒng)斷水、堵塞、引水管破裂等 29 定子繞組空芯導(dǎo)線漏水 4 轉(zhuǎn)子繞組空芯導(dǎo)線漏水 7 定子繞組端部松動 4 定子繞組絕緣不良 2 定子端部線圈存有金屬異物 1 轉(zhuǎn)子繞組嚴(yán)重匝間短路 1 其它 5 2 勵磁系統(tǒng) 45 32.6 MK斷路器掛閘不好，機(jī)械斷裂 4 勵磁調(diào)節(jié)器元件損壞 8 轉(zhuǎn)子滑環(huán)環(huán)火 4 整流柜溫度高 2 主勵振動大，副勵定子絕緣燒損 2 主、副勵磁機(jī)不同心 1 失磁原因不明 14 其它 10 3 其它設(shè)備 40 28.9 因斷路器、互感器、電纜、變壓器等設(shè)備引起的機(jī)組停電

6、40由表1可以看出，發(fā)電機(jī)定子內(nèi)冷水系統(tǒng)的事故與故障較為突出，發(fā)生29次，占發(fā)電機(jī)事故總臺次的54.7%。關(guān)于勵磁機(jī)系統(tǒng)及機(jī)組其它設(shè)備的事故原因本文不作詳細(xì)分析，可見其它專題材料。發(fā)電機(jī)定子水路堵塞造成的事故，有的搶修時間長達(dá)1000h，少發(fā)電量上億千瓦時，給電網(wǎng)帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。典型的事故事例見表2所示。1.1.119931995年300MW及以上發(fā)電機(jī)本體 表2大型汽輪發(fā)電機(jī)定子水路堵塞典型事故發(fā)電廠及機(jī)號 事故時間 定子水路堵塞事故、故障的后果 少發(fā)電量/GWh 機(jī)組停運時間/h A電廠4號機(jī) 1993-07-23 定子引水管堵塞、汽側(cè)第7根線棒過熱流膠，定子溫度達(dá)90 59.60 1

7、99 B電廠1號機(jī) 1993-10-02 定子進(jìn)水濾網(wǎng)破裂，線棒過熱炭化流膠，定子溫度高達(dá)150 36.00 104 C電廠 1994-07-29 定子第7根線棒堵塞過熱 1296.00 432 D電廠1號機(jī) 1994-07-17 槽內(nèi)檢溫計超溫報警，線棒燒熔；在搶修中發(fā)現(xiàn)另三根線棒堵塞 284.31 1053 E電廠1號機(jī) 1994-08-11 定子引水管不銹鋼接頭根部斷裂，漏水引起定子短路 273.60 912 F電廠4號機(jī) 1995-01-07 定子線棒堵塞，定子溫度高達(dá)92.9 18.65 63 G電廠1號機(jī) 1995-06-10 定子線棒堵塞，定子溫度高達(dá)136，絕緣呈粉狀，銅線開裂

8、 / /事故原因分析300MW及以上發(fā)電機(jī)本體事故及故障統(tǒng)計分析如表3所示。表3說明：(1)定子內(nèi)冷水系統(tǒng)事故中斷水事故為14臺次，占發(fā)電機(jī)事故總臺次的26.4%，定子回路堵塞事故為9臺次，占事故總臺次的16.98%。 (2)定子空芯銅線破裂漏水事故在兩臺機(jī)組(QFS-300-2)上共發(fā)生4臺次，其中同一臺機(jī)組19931994年因廠家空芯銅線質(zhì)量問題而發(fā)生3次事故。(3)由于定子端部松動，在3臺機(jī)組上發(fā)生4臺次事故，其中2臺機(jī)組型號為QFS-300-2型，另一臺為按美國西屋公司設(shè)計的QFN-300-2型。(4)定子絕緣事故共2次，一次發(fā)生在型號為QFS-300-2的汽輪發(fā)電機(jī)上，另一次發(fā)生在型

9、號為TS1260/200-48的水輪發(fā)電機(jī)上。這表明300MW汽輪發(fā)電機(jī)的絕緣事故率有明顯下降。1.1.2定子內(nèi)冷水系統(tǒng)事故的原因分析(1)定子內(nèi)冷水堵塞事故原因1)內(nèi)冷水過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理，造成過濾網(wǎng)破裂，使雜物進(jìn)入定子水路引起堵塞； 表319931995年300MW及以上發(fā)電機(jī)本體事故統(tǒng)計項目 事故臺次 占發(fā)電機(jī)本體事故總臺次的百分比/% 定子水回路斷水 14 26.40 定子水回路堵塞 9 16.98 定子引水管破裂等 5 9.43 定子空芯銅線中殘留水引起絕緣漲裂 1 1.88 定子空芯銅線斷裂漏水 4 7.54 轉(zhuǎn)子空芯銅線漏水 7 13.20 定子繞組絕緣不良 2 3.77 定子端部

10、固定松動 4 7.54 定子端部存在異物 1 1.88 其它 6 11.302)廠家管理不嚴(yán)，做線棒分相水壓試驗時，橡皮封堵遺留在進(jìn)水三通內(nèi)，造成水路嚴(yán)重堵塞；3)安裝及檢修中，沒有及時清除過濾網(wǎng)后面的雜物而引起定子內(nèi)冷水堵塞；4)內(nèi)冷水過濾網(wǎng)清掃不及時，造成過濾網(wǎng)上因雜物而堵塞內(nèi)冷水；5)內(nèi)冷水pH值不合格，造成因氧化銅而堵塞水流。(2)定子內(nèi)冷水?dāng)嗨鹿试?)運行維護(hù)不當(dāng)，造成水箱水位過低，使定子內(nèi)冷水流量偏小，運行中發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)動作停機(jī)；2)運行中水量波動大，造成斷水保護(hù)動作；3)定子內(nèi)冷水泵無安全閥，水路汽化中止流量；4)定子水泵振動大，水泵輔助接觸器不良而引起斷水；5)定子引水管

11、相碰破裂；6)定子斷水保護(hù)壓力取樣點因設(shè)計錯誤造成機(jī)組人為斷水。(3)定子引水管破裂原因1)引水管之間相碰或引水管與外殼相碰，運行中因振動而造成引水管破裂；2)制造中因檢驗不嚴(yán)，將部分有質(zhì)量問題的引水管(如有沙眼隱患)用于機(jī)組上；3)制造、安裝及檢修時，工作不慎致使引水管受外傷，造成發(fā)電機(jī)運行時破裂。 2轉(zhuǎn)子磁化及產(chǎn)生軸電壓的原因大型汽輪發(fā)電機(jī)在運行中發(fā)生軸電壓及磁化是常見的故障，該類故障的發(fā)生給設(shè)備造成損壞，有時為了消除缺陷而迫使大型機(jī)組長期停運。隨著大機(jī)組的投入，軸電壓與軸電流危及設(shè)備安全運行的事故也會頻繁發(fā)生。例如某廠4號機(jī)組(200MW)，在1993年5月28日7時55分，運行中6號、

12、7號、9號軸承振動大(超出200m)，9時05分振動超出300m，被迫降負(fù)荷至170MW后，振動才逐漸減小至170m。同時在同樣工況下，轉(zhuǎn)子電流有明顯增大，振動隨無功大小而變化。拔下護(hù)環(huán)，發(fā)現(xiàn)19號、20號大包線圈短路，槽間梯形絕緣墊塊及環(huán)氧瓦塊燒壞，檢修停運119.92h，少發(fā)電量23.98GWh。又例如，某廠4臺300MW中有3臺機(jī)組大軸嚴(yán)重磁化，其中1、2號發(fā)電機(jī)因轉(zhuǎn)子嚴(yán)重匝間短路而燒壞護(hù)環(huán)，1號機(jī)因護(hù)環(huán)燒損嚴(yán)重而作了更換。4號機(jī)在安裝調(diào)試中，又發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子大軸嚴(yán)重磁化，該機(jī)未經(jīng)運行，磁化原因?qū)儆趶S家在制造過程中引起。再例如某廠2臺320MW進(jìn)口機(jī)組，投運6000h以后，因接地裝置損壞及采用

13、靜態(tài)勵磁，使大軸靜電電荷積累產(chǎn)生電壓高達(dá)130V160V，造成調(diào)速系統(tǒng)振動，發(fā)電機(jī)大軸、調(diào)速器蝸母輪、軸承、密封瓦等處被電弧灼傷，機(jī)組長時間不能穩(wěn)定運行。大機(jī)組容易發(fā)生該類故障的主要原因是大機(jī)組在設(shè)計中有較大氣隙磁通、結(jié)構(gòu)上的不對稱(包括定子凹凸不平等因素)、磁場中有較高的三次諧波分量而造成鐵芯易飽和以及采用靜態(tài)勵磁裝置等，因而使得大型機(jī)組通常便有較高的軸電壓，因此機(jī)組在投產(chǎn)前后以及運行中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視，采取必要的防范措施以防止軸電壓(或軸電流)損傷設(shè)備。2.1磁路不平衡引起的軸電壓在發(fā)電機(jī)中，由大軸、軸承和基礎(chǔ)底座組成了電和磁的回路。構(gòu)成回路的這些部件均屬導(dǎo)電和導(dǎo)磁性材料。當(dāng)回路中存在交變磁通時

14、，大軸中將產(chǎn)生軸電壓，回路中將產(chǎn)生軸電流。發(fā)電機(jī)大軸可以看作一根導(dǎo)線，它與外面軸承、底座等構(gòu)成回路。當(dāng)磁路對稱時，回路中磁通總和等于零。對于有接縫的鐵芯，當(dāng)接縫數(shù)/極對數(shù)的最小公約數(shù)的分子為奇數(shù)時，總會存在軸電壓。而轉(zhuǎn)子產(chǎn)生偏心的后果如同鐵芯增加接縫一樣，會產(chǎn)生軸電壓。因此一般可分析其軸電壓的頻率及大小來判斷其故障的性質(zhì)。2.2轉(zhuǎn)子繞組匝間短路引起的單極電動勢單極電動勢一般是由于轉(zhuǎn)子繞組安匝數(shù)不平衡所引起。產(chǎn)生單極電動勢的磁通方向是隨大軸軸向的。若上述磁路不平衡，則產(chǎn)生的磁通方向也不同。單極電動勢具有下列特點：(1)單極電動勢出現(xiàn)在每個軸承兩端。所以單極電流經(jīng)過軸承兩端，軸電流有時高達(dá)數(shù)百安培

15、，使軸瓦烏金燒壞。單極電動勢的大小取決于Uk.n式中k為常數(shù)；為磁通；n為轉(zhuǎn)數(shù)。單極電動勢有時高達(dá)十幾伏。(2)產(chǎn)生單極電動勢的磁通，是從大軸的一端進(jìn)入而從另一端出去，進(jìn)出磁通大小相等方向相反，12，故大軸總的電壓接近于零。對于這類故障，采用改進(jìn)大軸的接地電刷或監(jiān)視大軸對地電壓已無濟(jì)于事。2.3靜態(tài)勵磁引起的軸電壓運行中當(dāng)快速投入靜態(tài)勵磁時，由于磁場等值回路相當(dāng)于一個分布電感、電容和電導(dǎo)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，勵磁電流的脈沖會在發(fā)電機(jī)磁場中依次造成脈沖。若上述磁場不對稱，則會產(chǎn)生與這些脈沖相同性質(zhì)的軸電壓。靜態(tài)勵磁引起的軸電壓具有以下特點：(1)滿負(fù)荷下，產(chǎn)生的軸電壓低于輕負(fù)荷時的軸電壓。(2)靜態(tài)勵磁引

16、起的軸電壓具有快速上升的時間特性，因而對軸承油膜更具有破壞性。通常采取加強(qiáng)軸承絕緣的方法以減輕這些脈沖電壓的危害，因為該部分絕緣作為阻抗極低的電容，對油膜保護(hù)作用甚微。(3)大軸通常出現(xiàn)均等分的(如六等分)的電弧燒傷痕跡。2.4靜電荷引起的軸電壓在汽輪機(jī)內(nèi)由于蒸汽和汽機(jī)葉片之間摩擦而產(chǎn)生的靜電電荷，電荷產(chǎn)生靜電場而導(dǎo)致產(chǎn)生軸電壓值有時可高達(dá)500V700V。3采取的防范技術(shù)措施近年來，通過兩部有關(guān)單位的共同努力，使國產(chǎn)200MW發(fā)電機(jī)的制造質(zhì)量、運行水平有所提高。有關(guān)涉及定子繞組端部固定、加強(qiáng)端部手包引線絕緣及接頭鼻部絕緣、改善烘焙工藝、注意接頭銅線焊接質(zhì)量、防止密封瓦漏油和氫氣濕度過高，以及

17、防止機(jī)內(nèi)遺留金屬雜物等措施，在貫徹中千萬不能放松。近年來大型汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)出現(xiàn)的故障及制造質(zhì)量新問題，也應(yīng)采取必要的對策。3.1防止汽輪發(fā)電機(jī)定子內(nèi)冷水系統(tǒng)故障的措施(1)對于容量為300MW及以上定子采用水內(nèi)冷冷卻方式的汽輪發(fā)電機(jī)，在制造廠出廠試驗與安裝交接試驗時，建議進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子內(nèi)冷水系統(tǒng)熱水流試驗。(2)定子各部分測溫元件，大修時應(yīng)認(rèn)真校驗，保證測溫元件的準(zhǔn)確性；值班人員要定時監(jiān)盤并作好記錄。當(dāng)槽內(nèi)線棒間溫度指示發(fā)生異常時，首先判斷測溫元件及引線有無虛接、短路、斷線等現(xiàn)象。而當(dāng)測溫元件指示溫度偏高時，可采取降低負(fù)荷的方式來作出判斷。堵塞嚴(yán)重的發(fā)電機(jī)，除測溫元件溫度出現(xiàn)異常外，有時

18、還伴隨定子接地、絕緣膨脹過熱流膠，致使“絕緣熱報警裝置”動作。對于QFS-300-2型雙水冷卻發(fā)電機(jī)，有時還能聞到絕緣過熱后的糊焦味等異常現(xiàn)象。運行中定子線棒間溫差經(jīng)檢查確定達(dá)到8時應(yīng)引起重視，當(dāng)溫差確定達(dá)到12且槽內(nèi)測溫元件溫度超過90時，應(yīng)立即停機(jī)檢查。(3)發(fā)電機(jī)運行時，定子測溫元件應(yīng)接到具有巡測、打印與報警的計算機(jī)上。(4)新機(jī)出廠前，廠家應(yīng)配兩套槽內(nèi)測溫元件，其中一套作為備用。為了保證測溫元件的質(zhì)量，制造廠應(yīng)選用由專業(yè)廠生產(chǎn)的性能可靠的測溫元件。(5)制造、安裝及大修中，措施要認(rèn)真，防止雜物(特別是過濾網(wǎng)后面的雜物)進(jìn)入內(nèi)冷水系統(tǒng)。當(dāng)拆裝水路中法蘭對接處的密封墊和引水管口的密封墊時，

19、更應(yīng)細(xì)致，不要將密封墊伸出過多，嚴(yán)防由于脫落的橡皮等雜物的堵塞而引起繞組過熱。對于老化的橡皮墊大修時應(yīng)更換；在保證密封良好的前提下，應(yīng)取消橡皮墊，而用聚四氟乙烯等材料替代。(6)為了防止過濾網(wǎng)破損雜質(zhì)進(jìn)入內(nèi)冷水系統(tǒng)，應(yīng)采用不銹鋼的過濾網(wǎng)。機(jī)組在安裝起動時必須采用專門的清洗過濾網(wǎng)。每次大修中除檢查過濾網(wǎng)有無破損外，還應(yīng)及時清除過濾網(wǎng)上的雜質(zhì)以保證水路的暢通。(7)機(jī)組若無反沖洗裝置，則應(yīng)盡快配置。有裝置的則應(yīng)充分利用，做到大小修時及時進(jìn)行反沖洗。(8)基建和大修中每當(dāng)定子水回路通水時，要及時通過定子排污管排氣，確保定子引水管內(nèi)不殘留氣體，以防止定子引水管汽化過熱燒損。(9)運行中嚴(yán)格控制定子內(nèi)冷

20、水的pH值，以防止定子內(nèi)冷水銅管中產(chǎn)生氧化銅堵塞水路。(10)在制造、安裝及大修時，要確保定子引水管不與機(jī)殼相碰，引水管之間不硬碰，防止工作不慎而造成因引水管外傷而破損。定子引水管出廠時要認(rèn)真按工藝要求進(jìn)行檢驗，防止有質(zhì)量缺陷的引水管用于機(jī)組上。(11)加強(qiáng)定子內(nèi)冷水泵的運行維護(hù)，備用水泵要求處在正常狀態(tài)，防止切換過程中因備用水泵故障而造成定子水回路斷水。同時運行中要嚴(yán)防水箱水位過低或水量波動而發(fā)生斷水故障。3.2進(jìn)一步貫徹兩部提出的改進(jìn)措施實踐證明，兩部電發(fā)199187號文關(guān)于防止200MW、300MW汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部發(fā)生短路的技術(shù)改進(jìn)措施，是及時的、全面的，對防止當(dāng)時大型汽輪發(fā)電機(jī)的

21、頻繁性定子短路事故起到了積極作用。僅表面電位檢查試驗一項，據(jù)電力部安生司與科技司1995年聯(lián)合發(fā)文(安生技函1995年29號)的調(diào)查結(jié)果表明，該方法對檢測定子接頭絕緣及漏水缺陷十分有效。函調(diào)中據(jù)15個網(wǎng)省局與3個電廠的統(tǒng)計，實測發(fā)電機(jī)總臺數(shù)為84臺，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)缺陷機(jī)組有81臺，占被測機(jī)組總數(shù)的96.4%；發(fā)現(xiàn)缺陷總共970處。據(jù)現(xiàn)場反應(yīng)主要缺陷是手包絕緣松弛、絕緣盒與模壓絕緣及引水管處搭接不良、手包絕緣不按工藝施工且太薄、盒內(nèi)環(huán)氧泥充填不實、絕緣層內(nèi)有油有水、絕緣固化不好而有放電現(xiàn)象以及空芯銅線漏水等。3.3預(yù)防軸電壓(軸電流)及磁化的技術(shù)對策(1)保證滑環(huán)側(cè)軸承密封、氫封及勵磁機(jī)對地絕緣良好。(2)對于采用靜態(tài)勵磁的機(jī)組，應(yīng)在回路上增加電容元件等抑制措施。采用靜態(tài)勵磁時對于交變軸電壓起限制作用的不是電阻而是容抗。例如一臺150MW機(jī)組，油膜和軸承絕緣等效容抗僅8，而絕緣電阻為40M左右，說明此時提高軸承絕緣水平并不是防止勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖電壓的唯一有效措施。(3)大軸運行中應(yīng)可靠接地。(4)防止設(shè)計不良及運行中漏油而造成轉(zhuǎn)子嚴(yán)重匝間短路。運行中應(yīng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)子電流及機(jī)組振動的監(jiān)視。對于300MW及以上機(jī)組應(yīng)采取動態(tài)匝間短路探測方法。大軸磁化后，應(yīng)及時采取退磁措施。為了消除缺陷，轉(zhuǎn)子可抽出后退磁，此時對于