汽轮发电机转子典型故障机理分析及诊断方法

刘志岩

摘 要：目前电力工业生产中汽轮发电机组的转子故障成为影响机组安全稳定运行的重要缺陷，一旦发电機转子产生故障，将直接影响机组安全运行，甚至将导致机组非停。因此分析汽轮发电机转子的典型故障，并提出诊断方法和解决方案成为电力生产中不得不面对的问题。

关键词：偏心；不对称；摩擦力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.047

0 引言

由汽轮发电机转子常见故障入手，分析了常见故障的机理成因，故障造成的危害，在此基础上提出了偏心故障的诊断方法，不对称冷却的预防措施和不对称摩擦的诊断方法，为发电子转子日常维护提供了理论依据。

1 定转子间气隙偏心

1.1 偏心故障机理及其成因

发电机转子的三个中心包括定子中心、转子中心、转子旋转中心，这三个中心是发电机定转子通过气隙磁场耦合形成的。发电机正常运行时电磁力均匀对称的分别在转子上，发电机间气隙分别均匀，三个中心重合。若由于某种原因造成气隙偏心，即三个中心不重合时，将形成动态偏心和静态偏心两种气隙偏心。

动态偏心是由于轴承磨损、转轴弯曲挠度、安装不规范等原因造成的转子中心与旋转中心不吻合。最小间隙是随着空间和时间而变化，不在是静止的。这样由于静止部件和主轴之间的摩擦产生的高热，主轴就会因高热而膨胀，造成主轴弯曲。静态偏心是导轴承中心从定子中心向某个方向偏移，使得转子气隙变化，转子相对于定子偏心。致使发电机转子的旋转中心与定子中心不吻合。静态偏心一般不随转子旋转而改变，它会在某一固定位置，一般是由于装配不合格或加工精度的原因造成的。

1.2 偏心故障的危害

一般动态偏心会造成磁通分布不对称，转子很可能会产生单极效应，导致轴电压的产生，甚至可能会导致轴承油膜击穿，形成的轴电流烧损轴瓦。静态偏差同样会引起发电机定转子振动，恶化轴承工作状况，使线棒磨损严重，甚至危及到发电机的正常运行。可见不管是动态偏心还是静态偏心都会加剧转子弯曲，一旦转子弯曲严重将会引起转动部件和静止部件的摩擦，甚至会造成设备损坏，可见偏心对于旋转机械而言是衡量旋转机械性能的重要指标。

1.3 偏心故障的诊断方法

现有的针对汽轮发电机偏心的诊断方法一般是根据发电机转子的振动特征进行判断，但是在偏心的故障下会引起发电机定子和转子同时振动。常规的诊断方法是根据发电机转子的振动特征，但是造成转子振动的原因有很多，诸如碰撞、摩擦、质量不平衡等等。若同时结合发电机定子在故障态时的振动特征，可以更全面的了解发电机偏心的原因。结合工程实践，不同的偏心故障以及正常运行状况下发电机定转子的组合振动特征都是唯一的。

2 发电机转子不对称冷却

2.1 转子不对称冷却成因

汽轮发电机转子产生不对称冷却故障的原因一般是由于通风道堵塞，导致绕组的冷却程度存在偏差，使得转子两次存在温差，进而造成转子弯曲变形。笔者对汽轮发电机组多年的维护经验得知造成转子不对称冷却的原因大多包括：槽底垫条错位，压制槽衬用的脱模薄膜堵塞了通风道，楔下垫条错位，楔下垫条未开孔，匝间绝缘未开孔、半开孔或错位，杂物堵塞通风道，导线侧面铣槽的转子通风结构存在设计问题，起动或停机时通风道堵塞。

2.2 转子不对称冷却的危害

转子不对称冷却将导致励磁绕组局部温度过高，使得励磁绕组绝缘过早老化，降低励磁绕组的使用寿命；转子不对称冷却还使得转子产生工频振动，加剧励磁绕组的磨损，严重时甚至会烧损励磁绕组。另外，发电机转子不对称冷却使转子在单一方向受力，长时间单方向受力将导致转子永久性的弯曲变形。

2.3 转子不对称冷却的预防

目前针对转子不对称的诊断方法大多是根据温度传感器结合进出风口两侧温差来判断，有些诊断方法还会结合转子振动。为避免转子不对称冷却，目前主要的采取以下预防措施：

1）在生产制造转子绕组时，可要求生产厂家优化端部的冷却方式，将单路通风改为双路通风。2）可将转子的侧面铣孔的冷却方式优化为中间铣孔的冷却方式。3）有目的有计划的进行发电机转子温升试验，将温升试验作为定期工作，以此掌握发电机转子的温升变化。4）在发电机定子加装热风区间、冷风区间的气隙隔板，以此降低转子绕组温度。加装冷热风区间气隙隔板可有效防止未经冷却的热风进入定子出口，以此加强转子绕组冷却。

3 励磁绕组与转子本体及护环不对称摩擦

（1）不对称摩擦成因。转子转动时，因离心力产生的摩擦力，在绕组线匝上产生其沿轴向伸长的摩擦应力，对于汽轮发电机，当转子转速为 3000r/min 时，任一线匝的离心力 F 为，其中为线匝的旋转半径，为导体截面积，为导体长度。随着励磁电流的增大，线圈被不断加热，使线圈膨胀。由于中心环与励磁绕组的间隙较小，使轴向膨胀受阻，这样轴向不均匀的作用力使机组在高速旋转下本体与护环联接力降低，护环发生变形，从而导致转子的不平衡振动。

（2）不对称摩擦的危害。由于转子本体与绕组及护环的不对称摩擦力将导致绕组受不平衡的作用力向一边拉扯，很可能使励磁绕组绝缘磨损，从而发生接地或短路故障。由于不平衡摩擦力的存在，励磁的绕组线棒将产生变形，变形线匝在失掉垫块的状态下由离心力作用将产生位移。另外，绕组在长期不对称摩擦力下很可能使线棒达到材料疲惫极限，给设备造成不可挽回的损失。

（3）不对称摩擦的诊断。将励磁电流增大，若基频振动随着励磁电流的增大而增大，则说明系统存在不对称摩擦；查看发电机转子振动的频谱图，若存在不对称摩擦则频谱图中的基频振动较正常情况下会明显增大；降低励磁电流，若存在不对称的摩擦力，发电机转子基频不会明显地随着励磁电流的减小而减小。

4 结论

本文分析了汽轮发电机组转子在运行过程几种常见的故障，包括定转子间气隙偏心，转子不对称冷却，绕组与转子本体及护环不对称摩擦；并在此基础上提出了这几种故障产生的原因和危害，提出故障的诊断方法，为相似的工程提供了借鉴。

参考文献：

[1]郑茂.汽轮发电机转子故障分析与诊断专家系统研发[D].保定：华北电力大学，2009.

[2]李伟清.汽轮发电机故障检查分析及预防[M].北京：中国电力出版社，2002.