350 MW汽轮发电机定子故障分析及改进对策
2018-07-05沈杰
沈 杰
（宝山钢铁股份有限公司电厂，上海 200941）
前言
宝钢电厂3#汽轮发电机额定容量为350 MW，发电机冷却方式为全氢内冷，由日本三菱电机公司制造，随新建机组项目于1999年投入运行。自2009年4月首次发生发电机定子槽楔脱落以来，在2010年5月、2012年3月及2013年7月总计共4次都发生了槽楔松动脱落的故障，其中2013年7月发生的故障最为严重，造成停机抢修35天、发电量约2亿多千瓦时的经济损失。
在前3次故障发生后，尽管都采取了相应的对策措施，但是都未能彻底解决问题，说明在处理对策上存在偏差；同时也反映出原因之复杂，处理之困难。2013年7月故障发生后，中日双方开展了高层会谈，都认识到了解决问题的难度及需要付出的代价；双方通过后续多次讨论，于2014年3月提出了一个旨在彻底解决问题的改造方案，并在2014年12月实施了该改造项目方案。
以2013年7月发生的故障为案例，说明检查情况，分析原因，介绍后续改进方案及实施效果。
1 事件经过
2013年7月25日12:26,宝钢电厂3#机组正常运行中突然发生发电机定子接地保护64G3动作，发电机保护出口动作，机组故障跳闸。
64G3动作后，检查发电机保护装置内部动作记录，确认64G3的95%及100%电机定子接地保护均动作；查阅故障录波器，确认保护动作时有较大的零序电压波形记录；测量发电机的绝缘电阻，确认发电机定子-主变-厂高变主回路对地绝缘电阻为零。发电机排氢后，打开汽侧发电机人口门进入内部检查，发现发电机端部有槽楔和绝缘物脱落；拆除发电机出线与分相封闭母线的软连接线后测得发电机定子绕组绝缘电阻为零。由此最终确认是发电机故障，需要开展抢修工作。
2 设备检查情况
7月31日，发电机转子抽出，开始对发电机进行检查，8月2日，完成相关检查。主要情况如下。
2.1 故障部位
图1为发电机结构简图，确认故障接地点在汽侧端部线圈，为图中框内部位。图2显示为故障部位定子绕组端部局部意示图。
图1 发电机结构简图
图2 故障部位定子绕组端部局部图
检查确认汽侧端部第30槽和第29槽内的线棒绝缘层严重损坏，如图3所示，其中30槽上部线棒绝缘损坏最严重，有铜裸露；第30槽和第29槽出口隔板脱落，第 1、2、8、9、18、19 槽出口隔板出现轻微松动；第21、30槽口的槽楔止挡块脱落。
2.2 定子槽楔松动检查
图3 线圈绝缘损坏图
用人工锤击槽楔听声音的传统方法，对发电机定子槽楔松动情况进行检查，表1列出了检查结果。表中，从汽机侧看，将正中（12点钟位置）偏左第一个线槽编号为第1列，逆时针依次编号至30；轴向从励磁机侧至汽机侧槽楔块依次编号从1到34。槽楔总计1020块，其中汽侧和励侧各为510块。从表1中可以看出，在汽机侧，已经有187块槽楔松动（标出深色框），占汽侧的37%；在励侧槽楔基本无松动。由此说明汽侧的槽楔松动较严重，存在重大隐患。
表1 发电机定子槽楔松动检查结果表
2.3 模态试验
为判断发电机定子绕组端部是否存在94～115 Hz之间的固有频率和有害的振型（椭圆振型），在发电机抽出转子后实施了绕组和铁芯模态试验。
对定子绕组端部进行振型模态试验，其中汽侧定子绕组端部固有频率 (椭圆振型)为80 Hz，励侧定子绕组端部固有频率 (椭圆振型)为79 Hz，与上次2012年相比，数据基本相同，满足国标确定的要求。
对定子铁芯进行振型模态试验，按照图4按轴向划分的铁芯区域图，实施的定子铁芯模态试验结果见表2所示。
表2 定子铁芯背部(斜面激振）固有频率(椭圆振型)Hz
表2中，铁芯背部固有频率尽管不在94～115 Hz区间，但是本次与2012年试验数据相比，在汽侧区域（1区，2区，3区）频率有一定的减少，说明汽侧铁芯的刚度有明显降低。
2.4 螺栓残余力矩测量
为判断铁芯螺栓和穿心螺栓松动情况，检查测试了汽机侧和励磁侧各8个铁芯螺栓、8个穿心螺栓的残余力矩，并分别取其平均值，结果如表3所示。结果表明，本次与2012年数据相比，汽侧的紧固力矩下降较多，其中铁芯螺栓力矩平均下降51%，穿心螺栓力矩平均下降28%，由此说明汽侧铁芯松动严重。
表3 螺栓残余力矩
2.5 定子铁芯长度的变化
为判断定子铁芯的紧固情况，测量了定子铁芯紧固前和紧固后铁芯长度（L1和L2），测得相关数据如表4所示，并与制造厂最初的制造厂出厂数据L0进行比较。测量结果对比表明，本次定子铁芯长度平均值紧固后比紧固前缩短3 mm，紧固后比出厂时缩短5.5 mm，由此说明铁芯收缩明显，存在松动。
图4 定子铁芯分区图
表4 定子铁芯长度的变化
3 故障原因分析
3.1 铁芯振动数据分析
图5为抢修完成并网运行两周后，发电机在线监测装置于2013年9月13日录取的5个测点的定子铁芯径向振动幅值(峰-峰值）趋势图，图6为2个测点的定子端部线圈径向振动幅值(峰-峰值）趋势图。从图5中看出，励侧铁芯径向振动幅值小于40 μm（曲线1），从励侧到汽侧铁芯径向振动逐渐增大，其中曲线5（测点距离汽侧端部约2 m锅炉方向3点钟位置）振动幅值到达140 μm，超过厂家合格标准的17%。从图6中看出，励侧端部线圈径向振动较小，幅值稳定维持在30 μm左右；而汽侧端部线圈径向振动较大，且有逐步上升趋势，幅值超过70 μm。
图5 定子铁芯径向振动幅值(峰-峰值）趋势图
图6 定子端部线圈径向振动幅值(峰-峰值）趋势图
按照制造厂确定的氢冷发电机定子铁芯径向振动运行状态评估分级标准，当Dc（定子铁芯径向振动幅值μm，p-p值@100 Hz）≦70时，状态为优良；当70
3.2 故障原因分析
根据上述对槽楔松动检查、螺栓紧固力矩检查、模态试验、铁芯长度的变化及振动实测值，可以确认槽楔松动引发的原因是发电机靠汽侧的定子铁芯松动。分析认为，铁芯松动得原因有两种可能：
（1）发电机经过数年运行，铁芯硅钢片表面绝缘漆受运行温度的影响发生不均匀收缩，定子铁芯紧力减小、螺栓松动，铁芯刚度下降，并进一步引起铁芯振动加剧，最终导致定子槽楔松动、引发槽楔脱落故障。
（2）第二种可能是制造质量问题引起，例如制造工艺出现问题，制造厂在定子铁芯叠压的热压温度、压力、热压次数等因素，都会引起铁芯松动。
考虑到本发电机首次出现故障前已稳定运行10年，因此双方认为，故障原因属于第一种的可能性较大。
4 改进对策
本次故障发生后，经研究，决定采取两个阶段分步实施改进对策：（1）短期对策；（2）制定并实施彻底解决问题的改进方案。
4.1 短期对策
在彻底解决措施或方案实施之前，中日双方确定并实施了以下短期对策：
（1）实施修复工作
抽出故障线棒，进行了绝缘修复并回装处理；将定子槽楔全部敲出，重新安装，更换汽机侧定子槽楔及绝缘垫片、弹性波纹板；对定子铁芯螺栓和穿芯螺栓采用120%力矩进行了紧固；进行定子绕组电气试验；进行了发电机短路试验、开路试验。
（2）实施在线监测
为实现在线监测，新增安装一套在线检测装置，装置能实施对发电机运行中在线监测铁芯振动、线圈振动、线圈局部放电数据，为状态分析工作提供有效依据。
4.2 彻底改进对策
4.2.1 改进方案要点
对于发电机定子铁芯的松动问题，处理的基本思路是，设法增加铁芯的整体刚度，并对螺栓进行紧固。汽轮发电机定子铁芯通常是在制造厂分段叠装后用大型油压装置进行压紧，但在发电厂现场不具备采用这种方式对铁芯进行压紧的条件，通常只能用常规方法紧固。在本次故障前已对铁芯螺栓进行常规紧固数次，但结果表明，常规紧固后短期内铁芯很快又发生松动。经过与制造厂多次讨论，最终提出处理方案是：一方面，先将发电机定子铁芯穿心螺栓由标准螺栓改为用液压螺栓，再用液压装置对液压穿心螺栓进行紧固；另一方面，采用灌入环氧树脂粘结剂以加强铁芯叠片之间的粘结强度。主要步骤：
（1）前期准备工作
①准备好液压装置、液压穿芯螺栓和螺母,发电机顶升工具。
②定做一套特殊的铁芯环氧树脂注入工具，如图7所示。
（2）机组停机后先拆除所有定子线棒。
（3）更换全部常规的定子铁芯穿芯螺栓螺母。
原有的定子铁芯穿芯螺栓螺母为标准的六角螺母，无法用液压装置进行紧固，因此首先必须将标准穿芯螺栓螺母为液压螺栓螺母。由于有7个穿芯螺栓在发电机平台水平线以下，无法直接更换，所以需要把发电机用千斤顶进行顶升到一定高度才可把穿芯螺栓更换。
图7 环氧树脂注入特殊工具示意图
（4）用高精度的液压装置紧固铁芯穿芯螺栓。
穿芯螺栓更换好后，使用液压装置，按预先设定好的压力同时紧固所有的穿芯螺栓，如图8所示，这样做的好处是，可以保持所有的螺栓预紧力均匀相同，铁芯均匀受力，铁芯垫片间绝缘不会损坏。
图8 用液压装置同时紧固液压螺母
（5）采用灌入环氧树脂粘结剂以加强铁芯叠片之间的粘结强度。
①启动环氧注入泵，从励侧将环氧由注入棒插入定子铁芯通风孔，如图9所示，环氧树脂可通过铁芯通风孔渗透进入各铁芯表面。
②环氧注入工作结束后，立即用干燥的空气吹扫铁芯通风孔，如图10所示,将通风孔内的环氧清理干净。
4.2.2 实施效果
2014年年12月，按上述改进方案要点开始实施改造，2015年2月完成了改造。改造取得了明显效果，体现在以下两方面：
（1）定子铁芯刚度提高
改造后进行了定子铁芯模态试验，测试数据如表5所示。测试结果表明，1区-3区汽侧固有频率比之前有明显提高，而且汽侧固有频率与励侧固有频率基本一致，远离100 Hz。说明改造后，定子铁芯刚度明显增加，各区域趋于一致。
图9 环氧树脂渗透进入各铁芯表面
图10 空气吹扫铁芯通风孔
表5 定子铁芯背部（斜面激振）固有频率（椭圆振型）Hz
（2）定子铁芯振动明显降低
改造后测量了发电机定子铁芯振动。在2015年2月8日～2月11日期间，测得机组从启动、并网至带负载运行阶段的定子径向振动及端部线圈振动数据，从中可以看出，在启动初期，铁芯最大径向振动幅值为49 μm；在带负载正常运行中，铁芯最大径向振动幅值为35 μm；端部线圈径向振动幅值最大为11 μm。显然，铁芯振动明显降低，处于优良状态。
5 结语
本案通过对故障发电机进行全面的检查和测试，分析故障原因，与制造厂深入讨论整改方案，最终方案从两方面来实施改进，一方面，先将发电机定子铁芯穿心螺栓由标准螺栓改为用液压螺栓，再用液压装置对液压穿心螺栓进行紧固；另一方面，采用灌入环氧树脂粘结剂以加强铁芯叠片之间的粘结强度。通过实测运行振动数据，对比分析，验证了对策的有效性。需要引起注意的是，本对策是否能长期保持铁芯紧度有效，避免重复故障发生，还有待于进一步长期跟踪和观测。
