9E燃气轮机发电机转子故障分析及处理

张学霖

(惠州深能源丰达电力有限公司， 广东惠州 516001)



9E燃气轮机发电机转子故障分析及处理

张学霖

(惠州深能源丰达电力有限公司， 广东惠州 516001)

针对9E燃气轮机发电机组在启动不到1 000次的情况下出现的发电机转子故障，分析其形成原因及共性问题，介绍发电机转子故障处理方法和工艺材料要求，为具有同类型发电机的电厂提供参考。

燃气轮机； 发电机转子； 故障； 处理措施

PG9171E燃气轮机发电机组部分采用奥地利ELIN发电机公司生产的9A5型发电机，汽轮机发电机采用WX18Z-054LLT型。为满足地区电网的实际需求，9E机组通常作为调峰机组使用，每日两班制运行，形成常态化。

近年来9E燃气轮机部分机组在运行10 000～15 000 h、启动次数不足1 000次就出现一些偶发性或共性的缺陷，笔者将对这些发电机转子缺陷的故障现象进行分析，提出一些处理方法。

1　燃气轮机发电机转子

1.1 故障现象

ELIN发电机公司生产的9A5型发电机为隐极式，容量为136 MW，每个大齿(极)有一绕组，2极(1对极)发电机转子绕组有2组，每组绕组由若干套同心式绕组组成。每槽的转子绕组有数匝组成，匝间由匝间绝缘板绝缘。发电机为水空冷结构，转子为空内冷结构。

2012年1月，某台燃气轮机发电机转子在例行检查时发现励磁机侧端部绕组绝缘块有松脱现象，绝缘块可伸出接触到发电机转子大轴，见图1。

图1　燃气轮机发电机转子绝缘块松脱

现场拔护环检查，转子励磁机侧端部内槽绕组与外槽绕组通过绝缘块进行绝缘和固定，随着槽数的增加，内槽绕组与外槽绕组间安装的绝缘块数量增加，间距增大，见图2。

图2　燃气轮机发电机转子端部绕组结构

绝缘块为环氧层压玻璃布板材质，其上表面安装一块聚酰胺纸，大小刚好覆盖绝缘块表面及一侧绕组表面，两颗铆钉将聚酰胺纸铆固在绝缘块上。转子装配时，将绝缘块固定在转子端部槽绕组间，起到端部绕组间绝缘及定位作用，绝缘块上的聚酰胺纸紧贴住一侧绕组表面，安装完毕后用环氧玻璃布板将端部绕组覆盖，绑扎条将环氧玻璃布板绑扎和固定，热套护环，起到固定转子端部各组件的作用，见图3。

图3　绑扎带绑扎环氧玻璃布板

检查发现，由内往外，第三对槽绕组与第四对槽绕组左侧第一个绝缘块松脱，绝缘块固定点在第三对槽绕组上；第五对槽绕组与第六对槽绕组左侧第一个绝缘块松脱，固定点在第五对槽绕组上。绝缘块脱落原因均是用于固定绝缘块的聚酰胺纸断裂，断裂面与绝缘块和绕组的接触面平齐。由于绝缘块没有固定支点，在运行过程中逐步松脱。

1.2 故障原因

故障原因有:

(1) 转子在运行时高速旋转，转子及转子上装配的各种附件由于离心力而受到很大的机械应力。在不同的转速下，绝缘块受到的离心力与转速平方成正比，与半径成反比，在额定转速下运行时，绝缘块所受到的离心力最大。由于9E机组的调峰特性，机组每日启停，造成燃气轮机发电机转子绝缘块上部的聚酰胺纸应力集中区的应力不断发生变化，加速了聚酰胺纸的老化进程，最终断裂，见图4。

图4　聚酰胺纸应力集中区

(2) 由于紧固环氧树脂板上的绑扎力不足，聚酰胺纸不能完全与表面的环氧树脂板牢固结合，造成转子额定转速运行时聚酰胺纸受力不均匀。

(3) 聚酰胺纸强度不足，不能完全承受机组每日启停造成的应力变化。

基于上述三条原因，致使转子端部绕组绝缘块出现松脱等故障现象。

1.3 故障处理

燃气轮机发电机转子现场处理要求较严格，需在现场装设防雨棚及相应的隔离措施，供发电机转子抽出后放置。转子处理步骤：

(1) 处理前电气试验，进行发电机转子绝缘、交流阻抗、直流耐压及直流电阻测试。

(2) 发电机转子抽出；拆下两端风扇叶片，拆下转子两端风扇环。

(3) 工频感应加热器加热护环，拔出护环，拆除护环绝缘。

(4) 护环清理检查及端部绕组绝缘块清理。

(5) 对绝缘块重新安装，处理脱落的绝缘块，更新已断裂的聚酰胺纸，采用同一材质且厚度略有增加的聚酰胺纸以增强其牢固度。

(6) 装护环绝缘，安装环氧玻璃布板时，注意绑扎均匀，使固定绝缘块的聚酰胺纸与绕组、环氧玻璃布板牢固接触。

(7) 电气试验，发电机转子绝缘合格。

(8) 热套护环、安装风扇环，安装风扇叶片等均按照规范要求装复紧固。

(9) 电气试验，发电机转子绝缘、交流阻抗及直流耐压测试合格。

(10) 清理护环并检查无异常。

(11) 发电机转子顺利回装，完好。

2　汽轮机发电机转子处理

2.1 故障现象

某厂3号机组和4号机组为WX18Z-054LLT空冷型发电机，容量为63 MW。2013年11月，专业技术人员对3号发电机转子端部进行孔探检查，发现转子端部绕组绝缘块有部分位移现象，其中励磁机端有10个绝缘块移位(共16个)，汽轮机端有6个绝缘块移位(共16个)。绕组端部绝缘块由两部分组成，安装在最下部固定块通过涤玻绳绑定在最下部的4个匝条(下层绕组)上，上部的切向楔开口卡在固定块上，通过固定块固定，见图5。

图5　汽轮机发电机端部绝缘块结构

切向楔起着固定两侧绕组的作用，保证绕组间相互不窜位。在孔探照片中可以看出，用于紧固固定块的涤玻绳出现松动移位，导致固定块和切向楔均发生移位，见图6。

图6　端部固定块移位

由于4号发电机与3号发电机运行方式、运行时间及生产日期等较为一致，属于同批次产品。2014年1月专业人员对4号发电机转子端部绕组进行检查，在对励磁机侧孔探检查过程中，除了发现8个绝缘块存在移位现象外，还发现两处存在涤玻绳断裂导致固定块脱落的现象。经检查，所有的绝缘块均向转子中心侧位移。

2.2 故障原因

故障原因有：

(1) 与燃气轮机发电机运行工况相似，联合循环汽轮机发电机启停频繁，绕组由于热胀冷缩的原因，使绝缘块整体受力产生位移，固定块的涤玻绳造成反复扯拉导致磨损，长期运行后导致涤玻绳松动，最终断裂。而固定块由于缺少了涤玻绳的固定而出现松动脱落，无法对切向楔进行定位，造成切向楔移位。

(2) 涤玻绳耐磨性不足，不能耐受发电机频繁启停而导致绕组热胀冷缩产生的磨损。

(3) 所有的绝缘块都是向内侧(转子中心侧)移动，原因是发电机风叶旋转时外端是负压，向内抽风，经过长时间积累逐步形成绝缘块向转子中心内移。

2.3 故障处理

发电机转子对环境清洁度要求较高，转子处理过程改动较大，修复后需高速动平衡测试，电厂不具备高速动平衡测试平台，发电机转子需抽出返厂维修。

发电机转子返厂维修实施过程：

(1) 拆开整流盘与电枢间的连接螺栓及三相连接引线。

(2) 中频加热扒下整流盘。

(3) 拆下两端风扇叶片，扒下转子两端风扇环及护环。

(4) 清洁转子端部绕组。

(5) 局部清洗转子本体后按制造标准涂漆。

(6) 对切向楔进行开槽强化固定，设计制作端部绝缘挡块支撑架。

按照图7在切向楔上部开贯穿型槽，尺寸为8 mm×15 mm。

图7　切向楔加工

支撑板与切向楔采用同一种材料(EPGC3，环氧层压玻璃布板)，长度与转子本体及另一侧转子绕组距离向匹配。在支撑板上开槽，深度15 mm，宽度与切向楔相匹配。支撑板两侧开通风孔，见图8。

图8　支撑板与切向楔安装

(7) 安装支撑板，固定绝缘块，做紧密度等测试。

(8) 热套护环及风扇环，装风扇叶片，热套励磁机转子。

(9) 清理励磁机电枢绕组间的灰尘及油污后重新浸漆、烘干。

(10) 整流盘组件检查及组装。

(11) 整流盘整体加热后套装至电枢上并连接引线及螺栓。

(12) 发电机转子整体外涂DK222树脂绝缘漆。

(13) 试验：①转子整体做动平衡试验及超速试验(3 360 r/min)；②动态交流阻抗试验合格(0～3 000 r/min)；③测量励磁机转子绕组及整个励磁回路所连接的设备绝缘电阻；④测量转子绕组绝缘电阻；⑤转子绕组交流耐压试验或标准允许的同类型试验；⑥测量转子绕组和励磁机转子绕组的直流电阻。

上述维修方案在厂家得到了如同出产新品一样的严格实施，其中的试验也全部合格。

3　故障的危害及措施

3.1 故障的危害

上述提及的燃气轮机发电机及汽轮机发电机，均属于水空冷型发电机，转子绕组材料均采用含低银合金的冷拉铜线，虽然含银铜导线比一般的紫铜线的疲劳极限高[1]，但由于转子端部绕组并未镶嵌入转子铁芯齿中，又没有铁芯和槽楔的固定，而只是依靠绝缘块进行固定，而且端部绕组均有圆弧部分，强度比直线部分有所减弱。当绝缘块脱落或移位时，很有可能导致绕组间支撑力不足，引发绕组变形。当变形情况恶化，绕组间间隙小于绕组间电压击穿间隙时，就会发生绕组匝间短路，由此可能导致励磁电流激增，严重时烧坏绕组。绕组变形也可能会引起转子中心的偏移，而出现振动异常等故障现象。

WX18Z-054LLT型发电机绕组为槽内通风冷却，设计转子绕组每匝的通风口靠近转子转轴端部，见图9，当固定块涤玻绳松脱后，导致切向楔存在移动的可能，在运行时由于高速旋转及风叶导流的作用，往转子中心侧移动。当切向楔移动受导流作用移动至转子转轴端部时，会堵住绕组通风口，严重影响转子绕组的冷却，会导致绕组过热，加剧绕组的热蠕变和转子绕组匝间绝缘的老化。

图9　汽轮机发电机转子绕组通风口

3.2 故障的预防措施

预防措施有：

(1) 发电机制造厂未充分考虑到9E燃气轮机组的调峰特性，GB/T 7064—2008 《隐形同步发电机技术要求》 中提及在转子的寿命期限中，应能承受启动次数不少于3 000次，对两班制调峰运行的电机，转子在使用寿命期限内，应能承受不少于10 000次的启动次数。出现问题的发电机远未达到这些限制的启动次数。用户应在合同中强调发电机的制造工艺应满足调峰的需求。

(2) 加强孔探检查，充分利用机组大小修的检修时机对转子端部绕组结构进行检查，发现绝缘固定块异常或绕组变形等情况及时处理。

(3) 在条件允许的情况下，可定期进行发电机转子匝间短路测试、直流电阻、绝缘电阻、交流阻抗测试及极间电压测试等，均合格后方可运行。

4　结语

通过对9E燃气轮机9A5及WX18Z-054LLT型发电机转子结构的介绍和对出现故障的分析，结果表明：由于9E机组的调峰特性，需要机组频繁启动，发电机转子绕组端部的绝缘和固定是一个薄弱环节，均需要对上述两种型号的发电机在结构和材料上优化才能减少和消除类似故障，满足发电机频繁启动的要求。

[1] 汪耕, 李希明. 大型汽轮发电机设计、制造与运行[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 2012.

Fault Analysis and Troubleshooting of the Rotor in a 9E Gas Turbine Generator

Zhang Xuelin

(Huizhou SEC Fengda Electric Power Co., Ltd., Huizhou 516025, Guangdong Province, China)

To clear the faults occurring within 1 000 times of starts in the generator rotor of a 9E gas turbine generator set, the formation causes and common problems are analyzed, and subsequently corresponding countermeasures as well as technological and material requirements are proposed for troubleshooting of the generator rotor, which may serve as a reference for troubleshooting of similar problems.

gas turbine; generator rotor; fault; troubleshooting measures

2015-12-04

张学霖(1983—)，男，工程师，主要从事电厂电气技术和管理工作。

E-mail: 13719649599@163.com

TM314.3

A

1671-086X(2016)04-0285-04