發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動隨負(fù)荷升高而攀升的案例分析

發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動隨負(fù)荷升高而攀升的案例分析某廠2×1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機組由上海電氣集團引進(jìn)西門子公司技術(shù)生產(chǎn)，汽輪機型號為N1000-26．25／600／600(TC4F)，發(fā)電機型號為THDFl25／67，采用水一氫一氫冷卻方式。2011-01-26，該廠2號機組首次并網(wǎng)，在帶負(fù)荷至271MW時，發(fā)電機發(fā)生短路事故。1、機組軸系簡介及故障現(xiàn)象該機組軸系由1根高壓轉(zhuǎn)子(HP)、1根中壓轉(zhuǎn)子(IP)、2根低壓轉(zhuǎn)子(LPl，LP2)、l根發(fā)電機轉(zhuǎn)子(G)、1根勵磁小軸(EX)以及8個支撐軸承組成。該機組的軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示，各轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速如表1所示。發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動隨負(fù)荷升高而攀升的案例分析2011-01-26，2號機組首次并網(wǎng)帶負(fù)荷至271MW時，在發(fā)電機定子出線盒內(nèi)發(fā)生出線端三相短路故障，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)接地故障。隨后，安裝單位和制造廠處理故障，其中發(fā)電機定子部分在現(xiàn)場修復(fù)，轉(zhuǎn)子部分返廠修理，并將所有的線棒都進(jìn)行了更換。故障處理后，2號機組于2011—04—21開始168h試運，在試運期間，發(fā)電機轉(zhuǎn)子存在振動隨負(fù)荷的異常升高而異常攀升的現(xiàn)象。振動特征主要有以下幾點：(1)機組定速或空載時，7，8號軸承的軸振最大值約為70um；(2)機組帶負(fù)荷后，7，8號軸承的軸振在負(fù)荷500MW以上時隨著負(fù)荷升高而快速提升，最大軸振值分別達(dá)到220um和130um，在負(fù)荷降至500MW以下時，軸振開始快速回落；(3)當(dāng)負(fù)荷升至某一工況穩(wěn)定運行時(轉(zhuǎn)子電流一定)，7，8號軸承的軸振仍呈上升趨勢，近3h后，振動才能完全穩(wěn)定；(4)發(fā)電機各軸承的瓦振較小，且隨負(fù)荷變化量較??；(5)發(fā)電機各軸承的軸振以工頻成分為主；(6)在振動幅值波動過程中，其相位變化不大，且各工況下的振動具有較好的重復(fù)性。2、故障原因分析根據(jù)振動特征可以看出，發(fā)電機轉(zhuǎn)子存在較大的基頻熱變量。因勵磁小軸在事故前平衡狀況良好，所以猜測7，8號軸振熱變量大的主要原因可能為發(fā)電機轉(zhuǎn)予的熱彎曲。但因該發(fā)電機曾發(fā)生過內(nèi)部短路事故，經(jīng)歷過大量的修復(fù)工作，所以對造成轉(zhuǎn)子熱不平衡振動的原因存在爭議。因此，對可能導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)子熱不平衡振動的幾種常見原因進(jìn)行了分析。2．1冷卻系統(tǒng)故障對于氫內(nèi)冷發(fā)電機，通風(fēng)孔是轉(zhuǎn)子熱交換的主要風(fēng)路通道，通風(fēng)孔變形、雜物堵塞等會引起通風(fēng)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(jìn)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(dǎo)致熱不平衡振動減小。為此，進(jìn)行了變氫溫試驗，試驗中發(fā)現(xiàn)7，8號軸承振動與氫溫變化的相關(guān)性不大。另外，在2012年2月機組大修時，再次將發(fā)電機轉(zhuǎn)子返廠進(jìn)行檢修，也沒有發(fā)現(xiàn)通風(fēng)孔有變形、堵塞現(xiàn)象，因此可以判斷該轉(zhuǎn)子熱不平衡振動并不是由冷卻系統(tǒng)故障誘發(fā)的。2．2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(hù)環(huán)的內(nèi)壁，導(dǎo)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(hù)環(huán)作用在轉(zhuǎn)子上，使轉(zhuǎn)子彎曲。該故障的特點是：線圈膨脹量隨著轉(zhuǎn)子電流增大而加大，這類振動總體上與電流大小有關(guān)。但由于存在一定的摩擦力，線圈受熱膨脹及冷卻收縮均會受阻，2者都可以引起轉(zhuǎn)子的彎曲。所以當(dāng)轉(zhuǎn)子電流增加后振動上升，但電流恢復(fù)到初始狀態(tài)時，振動不會完全恢復(fù)，往往更高。另外，經(jīng)過一段時間的運行后，這類故障隨著線圈多次膨脹、收縮后，會慢慢消失。而本案例中的轉(zhuǎn)子振動對轉(zhuǎn)子電流跟隨性很好，且在運行近1年后仍具有較好的重復(fù)性，因此可以判斷線圈膨脹受阻不是引發(fā)該轉(zhuǎn)子熱不平衡振動的主要原因。2．3轉(zhuǎn)子繞組匝間短路因發(fā)電機短路，定子膛內(nèi)被污染，未被徹底清理的污染物可能會進(jìn)入轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽或其他部位，引起匝問短路。通過以下試驗，并與轉(zhuǎn)子修后返回的交接試驗進(jìn)行比對驗證，結(jié)果如下：(1)空載特性曲線與交接試驗曲線符合陛好；(2)轉(zhuǎn)子直阻與出廠值比較在合格范圍內(nèi)，且較出廠值略大，如表2所示；(3)轉(zhuǎn)子繞組靜態(tài)交流阻抗試驗數(shù)據(jù)正常；(4)轉(zhuǎn)子動態(tài)交流阻抗試驗數(shù)據(jù)如表3所示；(5)動態(tài)轉(zhuǎn)子繞組RSO脈沖試驗顯示，正、負(fù)2條相應(yīng)曲線出現(xiàn)了不吻合部分，不吻合部分的電壓最大偏差接近250mV；(6)用探測線圈波形法診斷出電極B第4號線圈存在疑似匝問短路故障；(7)靜態(tài)RSO脈沖試驗合格(膛內(nèi)靜態(tài))；(8)極平衡試驗合格(膛外靜態(tài))；(9)匝間電壓分布試驗合格(膛外靜態(tài))，匝間電壓分布數(shù)據(jù)如表4所示。由上述試驗結(jié)果得知，該轉(zhuǎn)子繞組具備動態(tài)匝間短路特征，轉(zhuǎn)子繞組可能存在動態(tài)匝間短路。為徹底查明轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路，在2012年機組大修時，將2號發(fā)電機轉(zhuǎn)子再次返廠檢修。在轉(zhuǎn)子全部繞組拆除過程中，未發(fā)現(xiàn)匝間絕緣過熱發(fā)黑、破損和通風(fēng)孔堵塞現(xiàn)象，線棒也未發(fā)現(xiàn)明顯過熱、放電痕跡，證明轉(zhuǎn)子繞組未發(fā)生過金屬性匝間短路。另外，從機械振動角度來看，匝間短路產(chǎn)生的高溫將使滑動層受損，影響線圈的膨脹，而且還可能產(chǎn)生不均勻的磁拉力。因此，由匝間短路誘發(fā)的振動不僅具有線圈膨脹振動特征，而且與勵磁電流成正相關(guān)性。這些均與該轉(zhuǎn)子的振動特征不符，所以匝問短路不是導(dǎo)致7，8號軸承軸振異常的主要原因。2．4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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)致不平衡振動。轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均導(dǎo)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(fù)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)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；(3)材質(zhì)不均導(dǎo)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(fù)性；(4)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?？梢钥闯?，該發(fā)電機7，8號軸承軸振異?，F(xiàn)象與轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均的振動特征比較吻合。另外，從發(fā)電機轉(zhuǎn)子原始出廠動平衡試驗數(shù)據(jù)(如表5所示)和發(fā)電機短路故障返修后再出廠動平衡試驗結(jié)果(如表6所示)可以看出，2號發(fā)電機轉(zhuǎn)子受熱后，測點D的振幅變化量達(dá)到77“m，存在明顯的熱彎曲現(xiàn)象。如果計及振動相位的影響，其振動熱變量將更大。這也反映了該發(fā)電機轉(zhuǎn)子可能存在原始材質(zhì)不均勻的問題。

2．5定子三相短路對轉(zhuǎn)子熱不平衡的影響該發(fā)電機發(fā)生三相短路事故的時間是在首次并網(wǎng)后不久，發(fā)電機在事故前并未滿負(fù)荷運行過，沒有相關(guān)的振動數(shù)據(jù)，但短路事故對轉(zhuǎn)子質(zhì)的影響不可忽略。短路時機組負(fù)荷為271MW，在差動保護(hù)動作、GCB(GeneratorCircuitBreaker，發(fā)電機出口斷路器)跳開前，電網(wǎng)反送的功率也很高(機端三相短路電流最大時達(dá)到225kA)，因此在發(fā)電機內(nèi)部產(chǎn)生了極高的溫度，尤其是勵端轉(zhuǎn)子直接被高溫電弧沖擊時。轉(zhuǎn)子經(jīng)瞬間高溫沖擊后，其局部材質(zhì)內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變異，使其物理特性存在各向異性，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子受熱后產(chǎn)生軸向或徑向不均勻膨脹，引發(fā)熱彎曲。3、轉(zhuǎn)子現(xiàn)場熱態(tài)動平衡在確認(rèn)誘發(fā)2號發(fā)電機7，8號軸承軸振異常的主要原因為轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均后，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子進(jìn)行了熱態(tài)動平衡。在熱態(tài)動平衡方案的計算中，考慮了空載及額定負(fù)荷工況下的振動情況，并把定速、空載工況下的振動幅值適當(dāng)增大、相位拉反，以補償高負(fù)荷工況下的振動熱變量。2012-06-22，利用機組調(diào)停機會實施了現(xiàn)場熱態(tài)動平衡試驗，在勵磁風(fēng)扇環(huán)上135度處加重1135g，在勵發(fā)對輪304度，329。和355度處加重792g，9509和950g。實施熱態(tài)動平衡后，7，8號軸承的軸振在各負(fù)荷下達(dá)到了優(yōu)良水平，同時也較好地兼顧了空載情況下的振動情況，軸振幅值及相位變化如表7所示。4、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(jìn)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(dǎo)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(fù)荷工況下轉(zhuǎn)子運行