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SUCCESS CASE

发电机转子振动随负荷升高而攀升的案例分析

【摘要】:
某厂2×1 000MW超超临界汽轮发电机组由上海电气集团引进西门子公司技术生产,汽轮机型号为N1000-26.25/600/600(TC4F),发电机型号为THDFl25/67,采用水一氢一氢冷却方式。2011-01-26,该厂2号机组首次并网,在带负荷至271 MW时,发电机发生短路事故。

某厂2×1 000MW超超临界汽轮发电机组由上海电气集团引进西门子公司技术生产,汽轮机型号为N1000-26.25/600/600(TC4F),发电机型号为THDFl25/67,采用水一氢一氢冷却方式。2011-01-26,该厂2号机组首次并网,在带负荷至271 MW时,发电机发生短路事故。

 

1、机组轴系简介及故障现象

       该机组轴系由1根高压转子(HP)、1根中压转子(IP)、2根低压转子(LPl,LP2)、l根发电机转子(G)、1根励磁小轴(EX)以及8个支撑轴承组成。该机组的轴系结构如图1所示,各转轴的临界转速如表1所示。

2011-01-26,2号机组首次并网带负荷至271 MW时,在发电机定子出线盒内发生出线端三相短路故障,导致转子绕组出现接地故障。随后,安装单位和制造厂处理故障,其中发电机定子部分在现场修复,转子部分返厂修理,并将所有的线棒都进行了更换。故障处理后,2号机组于2011—04—21开始168 h试运,在试运期间,发电机转子存在振动随负荷的异常升高而异常攀升的现象。

振动特征主要有以下几点:

(1)机组定速或空载时,7,8号轴承的轴振最大值约为70 um;

(2)机组带负荷后,7,8号轴承的轴振在负荷500 MW以上时随着负荷升高而快速提升,最大轴振值分别达到220 um和130 um,在负荷降至500 MW以下时,轴振开始快速回落;

(3)当负荷升至某一工况稳定运行时(转子电流一定),7,8号轴承的轴振仍呈上升趋势,近3 h后,振动才能完全稳定;

(4)发电机各轴承的瓦振较小,且随负荷变化量较小;

(5)发电机各轴承的轴振以工频成分为主;

(6)在振动幅值波动过程中,其相位变化不大,且各工况下的振动具有较好的重复性。

 

2、故障原因分析

根据振动特征可以看出, 发电机转子存在较大的基频热变量。因励磁小轴在事故前平衡状况良好,所以猜测7,8号轴振热变量大的主要原因可能为发电机转予的热弯曲。但因该发电机曾发生过内部短路事故,经历过大量的修复工作,所以对造成转子热不平衡振动的原因存在争议。因此,对可能导致发电机转子热不平衡振动的几种常见原因进行了分析。

2.1冷却系统故障

        对于氢内冷发电机,通风孔是转子热交换的主要风路通道,通风孔变形、杂物堵塞等会引起通风孔通流面积减小,这将破坏冷却的对称性,使转子横截面的温度不对称,进而引起热弯曲。该故障的特点是:随着氢温的升高,发电机转子的冷却效果会变差,但转子不对称冷却程度就相对减小,最终导致热不平衡振动减小。为此,进行了变氢温试验,试验中发现7,8号轴承振动与氢温变化的相关性不大。另外,在2012年2月机组大修时,再次将发电机转子返厂进行检修,也没有发现通风孔有变形、堵塞现象,因此可以判断该转子热不平衡振动并不是由冷却系统故障诱发的。

2.2转子线圈膨胀受阻

        发电机的磁场由转子绕组的励磁电流建立,励磁电流通过绕组并加热线圈,线圈受热后向两端膨胀。如果这种膨胀不受约束,并不会在转子上产生内应力,而在旋转过程中线槽中的铜线承受巨大离心力,使线圈紧贴在槽楔和护环的内壁,导致结合面存在很大的摩擦力,阻碍线圈膨胀;如果有些线槽中的线圈完全膨胀出来,膨胀受阻的线圈将产生一个反作用力,通过槽楔和护环作用在转子上,使转子弯曲。

        该故障的特点是:线圈膨胀量随着转子电流增大而加大,这类振动总体上与电流大小有关。但由于存在一定的摩擦力,线圈受热膨胀及冷却收缩均会受阻,2者都可以引起转子的弯曲。所以当转子电流增加后振动上升,但电流恢复到初始状态时,振动不会完全恢复,往往更高。另外,经过一段时间的运行后,这类故障随着线圈多次膨胀、收缩后,会慢慢消失。而本案例中的转子振动对转子电流跟随性很好,且在运行近1年后仍具有较好的重复性,因此可以判断线圈膨胀受阻不是引发该转子热不平衡振动的主要原因。

2.3转子绕组匝间短路

        因发电机短路,定子膛内被污染,未被彻底清理的污染物可能会进入转子通风槽或其他部位,引起匝问短路。通过以下试验,并与转子修后返回的交接试验进行比对验证,结果如下:

(1)空载特性曲线与交接试验曲线符合陛好;

(2)转子直阻与出厂值比较在合格范围内,且较出厂值略大,如表2所示;

(3)转子绕组静态交流阻抗试验数据正常;

(4)转子动态交流阻抗试验数据如表3所示;

(5)动态转子绕组RSO脉冲试验显示,正、负2条相应曲线出现了不吻合部分,不吻合部分的电压最大偏差接近250 mV;

(6)用探测线圈波形法诊断出电极B第4号线圈存在疑似匝问短路故障;

(7)静态RSO脉冲试验合格(膛内静态);

(8)极平衡试验合格(膛外静态);

 

(9)匝间电压分布试验合格(膛外静态),匝间电压分布数据如表4所示。

由上述试验结果得知,该转子绕组具备动态匝间短路特征,转子绕组可能存在动态匝间短路。为彻底查明转子绕组是否存在匝间短路,在2012年机组大修时,将2号发电机转子再次返厂检修。在转子全部绕组拆除过程中,未发现匝间绝缘过热发黑、破损和通风孔堵塞现象,线棒也未发现明显过热、放电痕迹,证明转子绕组未发生过金属性匝间短路。另外,从机械振动角度来看,匝间短路产生的高温将使滑动层受损,影响线圈的膨胀,而且还可能产生不均匀的磁拉力。因此,由匝间短路诱发的振动不仅具有线圈膨胀振动特征,而且与励磁电流成正相关性。这些均与该转子的振动特征不符,所以匝问短路不是导致7,8号轴承轴振异常的主要原因。

2.4转子材质不均

       转子材质不均是指转子锻件的气隙、夹杂、鼓泡等使转子径向纤维组织不均匀,导致材料的物理特性存在各向异性。这类问题通常由锻件生产和热处理过程中的缺陷引起。在机组运行中,当材质各向异性的转子受热以后,转轴将会产生不均匀的轴向或径向膨胀,引起转子出现热弯曲,从而导致不平衡振动。转子材质不均导致的故障主要有以下几个特点:

(1)转子电流越大(与机组有功、无功负荷正相关),转子的热弯曲量越大,产生的不平衡振动也就越大;

(2)由于转子材料物理特性的各向异性是一定的,其受热时弯曲的方向不变,所以其振动的相位基本维持不变;

(3)材质不均导致的热弯曲一般具有可逆性,因此其诱发的不平衡振动随转子电流的变化有较好的重复性;

 

(4)由于发电机转子质量大,其对热量的反应具有一定的滞后性,因此振动变化也会滞后于转子电流的变化。可以看出,该发电机7,8号轴承轴振异常现象与转子材质不均的振动特征比较吻合。另外,从发电机转子原始出厂动平衡试验数据(如表5所示)和发电机短路故障返修后再出厂动平衡试验结果(如表6所示)可以看出,2号发电机转子受热后,测点D的振幅变化量达到77“m,存在明显的热弯曲现象。如果计及振动相位的影响,其振动热变量将更大。这也反映了该发电机转子可能存在原始材质不均匀的问题。

2.5定子三相短路对转子热不平衡的影响

        该发电机发生三相短路事故的时间是在首次并网后不久,发电机在事故前并未满负荷运行过,没有相关的振动数据,但短路事故对转子材质的影响不可忽略。短路时机组负荷为271 MW,在差动保护动作、GCB(GeneratorCircuit Breaker,发电机出口断路器)跳开前,电网反送的功率也很高(机端三相短路电流最大时达到225 kA),因此在发电机内部产生了极高的温度,尤其是励端转子直接被高温电弧冲击时。转子经瞬间高温冲击后,其局部材质内部组织结构可能发生变异,使其物理特性存在各向异性,从而导致转子受热后产生轴向或径向不均匀膨胀,引发热弯曲。

 

3、转子现场热态动平衡

 

       在确认诱发2号发电机7,8号轴承轴振异常的主要原因为转子材质不均后,对发电机转子进行了热态动平衡。在热态动平衡方案的计算中,考虑了空载及额定负荷工况下的振动情况,并把定速、空载工况下的振动幅值适当增大、相位拉反,以补偿高负荷工况下的振动热变量。2012-06-22,利用机组调停机会实施了现场热态动平衡试验,在励磁风扇环上135度处加重1 135 g,在励发对轮304度,329。和355度处加重792g,9509和950g。实施热态动平衡后,7,8号轴承的轴振在各负荷下达到了优良水平,同时也较好地兼顾了空载情况下的振动情况,轴振幅值及相位变化如表7所示。

4、结论

(1)引起发电机转子振动的原因很多,需根据振动特点和有关试验情况进行综合分析并逐一排除。在分析转子热致不平衡振动的时候,往往将重点放在转子存在匝间短路上,而忽视了转子存在材质缺陷而导致振动异常的可能。

(2)转子返厂修理后,一定要在制造厂转子试验台上做好热态动平衡试验(模拟满负荷工况下转子运行温度)。

(3)该发电机转子因材质不均而引起较大的原始热弯曲,虽然原始出厂时热态动平衡试验合格,但实际运行情况中存在较大偏差。因此,针对存在较大热弯曲的发电机转子,有关出厂前的热态动平衡试验方法还需进一步研究、改进,以使其尽量符合实际工况。

(4)发电机三相短路的电、热、机械应力对转子的平衡有不利影响,因此应严格执行防止发电机短路的反事故措施,防止发电机短路故障的发生。