大型汽轮发电机线棒磨损原因分析与预防

沈德华

(华电内蒙古能源有限公司包头发电分公司，内蒙古包头 014013)

0 引言

某发电厂#1发电机额定容量为600 MW，2007年2月投入正式运行，型号为QFSN-600-2YH。发电机的基本参数如下。

发电机型号：QFSN-600-2YH

额定容量SN：667 MVA

额定功率PN：600 MW

最大连续输出功率GMCR：654或与汽机匹配

额定功率因数cosφN：0.9(滞后)

定子额定电压UN：20 kV

定子额定电流IN：19 245 A

额定频率fN：50 Hz

额定转速nN：3 000 r/min

励磁绕组时间常数Tdo：8.724 s

出品日期：2006年6月

冷却方式：水、氢、氢

定子线棒数量：上层42根，下层42根

励磁方式：静止励磁

定子绕组绝缘等级：F级

1 问题描述

2020年6月30日，#1发电机大修抽转子后，在定子膛内发现，发电机励侧拉紧楔(12点位置)脱落，相邻左侧拉紧楔松动，绝缘螺杆甩到励侧端部3点半渐开线位置(径向支撑环内侧41与42槽上层线棒之间，造成42槽线棒有1个宽约14 mm深7 mm的三角口)；发现33号槽上层线圈表面有磨损现象(3 mm 深)。

检查汽、励两端端部绝缘紧固件，可调环把合气隙隔板与绝缘螺杆，发现励端三根、汽端四根绝缘螺杆断裂。气隙隔板一块脱层，两个绝缘螺钉脱落。检查汽、励两端端部，励、汽端槽口块与线棒接触面发现黑色油泥，励端最里道绑环与线棒、适型材料处存在黑色油泥，汽、励两端下层线棒与适型材料处存在黑色油泥。发现A相引线夹板绝缘螺杆松动，第二根螺杆与手包绝缘接触磨损，第三根绝缘螺杆松动，励端C相手包绝缘下夹板螺丝松动。检查汽、励端端部拉紧楔，发现汽、励端全部拉紧楔垫圈间隙超差(用0.10 mm的塞尺检查，允许插入宽度不超过拉紧楔宽度的1/3范围)，励端12点钟方向拉紧楔脱落，9点钟方向拉紧楔存在大量黄色油泥。检查发电机定子膛内铁心松紧度，汽端项号片松动。

图1 绝缘螺杆位置

图2 深度7 mm的三角口

图3 脱落紧楔位置

2 原因分析

大型汽轮发电机在机组运行时，定子端部会受到热膨胀载荷、机械载荷和电磁载荷的综合作用，使端部线棒处于复杂的振动环境中。线棒每匝线圈的端部都向铁心的外圆侧倾斜，按渐开线形式展开处于悬空状态，其结构类似悬臂梁，端部线棒相比槽内线棒更加难以固定，而且端部线棒层与层之间，线棒与紧固件之间常常发生相对运动导致绝缘被破坏，为此发电机定子端部的振动是导致线圈绝缘磨损、绕组疲劳断裂、结构件脱落、定子槽楔松动，进而引发事故的主要因素。此类事故具有突发性，难以预测，难以简单修复等特点，且事故发生所造成的危害和损失都较为严重，所以近年来定子端部松动的问题受到广泛关注。

2.1 现场异常分析

(1) 由于发电机高负荷运行时端部振动较大，造成励侧端部内侧可调绑环上部拉紧楔的螺孔螺纹损伤、螺孔端部磨成喇叭口，导致螺杆与螺孔不能充分接触，定子端部处于悬垂状态，螺杆逐渐松动，造成螺杆磨损脱落后拉紧楔子在长期振动下也脱落并掉入出线罩中，绝缘螺杆被甩到励侧端部3点半渐开线位置(径向支撑环内侧41与42槽上层线棒之间)由于转子的摩擦造成42槽线棒有1个宽约14 mm深7 mm的三角口。

(2) 紧固件振动引起线棒绝缘和绑扎绳、绝缘块相互微动摩擦，产生黑泥和黄粉。

(3) 发电机定子端部在运行过程中长期受到来源于转子不平衡力作用的频振动和电磁载荷作用产生的倍频振动，导致A、C相引线夹板绝缘螺杆松动，引线夹板螺栓、拉紧楔绝缘螺栓松动。

2.2 端部固有频率和振型分析

大型汽轮发电机在稳态运行时，定子端部绕组的振动主要由两部分组成。最主要的是有载电流绕组在端部磁场中受到电磁力的作用，从而激发两倍系统频率(100 Hz)的振动。另外，还有绕组随定子铁心承受转子磁拉力而引起的振动，该振动的频率仍以两倍系统频率为主。可见，若定子绕组端部的固有频率接近于100 Hz将会在运行中产生共振现象或比较大的振动。调取定子端部出厂试验结果和大修时现场试验结果，报告中端部固有频率和振型试验数据如表2所示。

表2 出厂和大修固有频率和振型试验数据统计表

依据GB/T 20140—2016《隐极同步发电机定子绕组端部动态特性和振动测量方法及评定》，规定整体椭圆振型固有频率避开范围为≤95 Hz，≥110 Hz。以上检测数据均符合规程要求，未落入易产生电磁振动的椭圆振型范围。排除电磁力共振产生线棒磨损，但是与出厂模态分析试验报告的固有频率比较，椭圆频率均有所降低，表明端部整体刚度有所下降，可能是由于端部的支撑紧固件或绑扎结构已经存在松动或位移等现象。

3 现场问题的处理方法

3.1 针对磨损的线棒采取的处理方案：更换#33槽、#42槽上层线圈，部分绝缘引水管的铜夹子，部分硅橡胶套和其它绝缘材料，部分上下层线圈连接股线及固定股线的L型块用锁片和螺栓，部分槽内侧面半导体垫条，部分槽口块，部分径向通道预留带及其安装用的绑带。

3.2 针对绝缘螺杆断裂，气隙隔板一块脱层，两个绝缘螺钉脱落采取处理方案：更换损坏的气隙隔板把合螺杆及配套的螺母、垫片，灌胶固化。

3.3 针对两端端部，励端、汽端槽口块与线棒接触面发现黑色油泥采取的处理方案：彻底清理端部线棒，并更换污染和有磨损的紧固件。

3.4 针对A相引线夹板绝缘螺杆松动，第二根螺杆与手包绝缘接触磨损，第三根绝缘螺杆松动，励端C相手包绝缘下夹板螺丝松动采取的处理方案：更换新的绝缘螺杆回装并把紧，修复磨损的手包绝缘。

3.5 针对汽端励端全部拉紧楔垫圈间隙超差采取的处理方案：汽、励两侧全台拉紧楔更换，配拉紧楔块和装拉紧楔块时，要检查接触面间隙，用0.10 mm的塞尺检查，允许插入宽度不超过拉紧楔宽度的1/3范围，并且间隙不能在一侧。如果间隙超差，可以扩大宽度方向倒角处理。如果间隙在一侧，重新配拉紧楔。

4 预防措施

4.1 在#1发电机端部加装在线测振装置，全面监测发电机端部的整体振动情况，并重点关注励端曾产生故障的维修点，实时监测发电机端部的通频和倍频位移峰峰值[4]。依据GB/T 20140—2016《隐极同步发电机定子绕组端部动态特性和振动测量方法及评定》判断其振动状况，通过装置实时采集的数据利用振动软件分析端部振动主要原因，同时还要监测不同负荷情况下轴系振动情况是否在合格范围内。

4.2 每次停机时打开发电机氢冷器的人孔钻入发电机汽、励两端进行端部检查，检查端部拉紧楔、绝缘螺杆及引线夹板绝缘螺杆有无松动，对发现的黄泥、黑泥或粉末要进行分析研究，必要时联系厂家处理。

4.3 利用大、小修机会，联系哈尔滨电机厂的技术人员检查发电机定子铁心的紧量，紧量不合格时要对定子铁心的穿心螺栓和定位螺栓进行拉伸紧固处理。

4.4 发电机停运后和起动前按照试验标准进行电气预防性试验。

4.5 大修时通过端部振型模态试验认真评估发电机端部振动特性(固有频率、振型、阻尼)，避开端部整体模态频率在95 Hz～112 Hz范围之内，且振型不为椭圆。

4.6 严格检查定子绕组端部线圈夹缝、上下层渐开线线棒间隙等部位，防止安装和检修时在定子内部遗留锯条、螺钉、螺母等金属异物。

5 结论

本文对出现的问题进行分析研究，并找到了有效的解决方法，采取有针对性的预防措施并在定子端部加装在线监测装置。利用端部振动在线诊断系统对发电机定子绕组端部振动状态进行实时监测，从振动变化趋势上识别某些潜在或者发展中的故障及时发现隐患。若运行时端部振动突然发生异常情况，运行人员即可根据振动情况及时调整发电机运行状态，并及时采取有效解决措施，保证发电机长期可靠安全运行。