沙角A电厂4发电机转子振动异常问题的分析报告

技术分析报告第1页共6页沙角A电厂4#发电机转子振动异常问题的分析报告广东电科院：张征平，涂小涛一．概述沙角A电厂4#发电机是上海汽轮发电机厂（以下简称“上电”）生产的300MW级全氢冷QFN-300-2型汽轮发电机，1991年6月制造，1992年8月投入商业运行，1996年进行了第一次大修。4#发电机自投运起，20多年来就一直存在转子振动不稳定、大修后每次启动时都需反复多次冲转、动平衡调节困难、效果不显著等问题。2012年12月，4#发电机大修期间，经广东电科院有关电气试验结果确认，该发电机转子存在不稳定的匝间短路故障，后该转子返回上电处理。2012年1月13日，该转子经上电处理后，在出厂试验时发现，不稳定的匝间短路故障依然存在。因继续进行处理的条件有限，该转子返回沙角A电厂完成了回装工作。2013年2月8日，4#发电机重新并网投入运行。在启动过程中，该转子的振动出现了一些异常现象。不过在并网运行后，转子的振动值较为平稳。为了分析4#发电机启动过程中转子的异常振动现象，受沙角A电厂委托，我院安生部派出张征平教高、涂小涛博士等人，会同粤电集团、上电厂家、以及西安热工院方面的有关专家、在沙角A电厂生产调度会议室，共同对该问题进行了研讨和分析。二．振动异常情况4#发电机在2013年2月大修后的重新启动过程中，其转子振动主要存在以下几个异常现象：1．转子冲转至3000r/min后，在施加励磁过程中，励磁电流增加，转子振动就增大；但之后将励磁电流减小至零时，转子振动值却并不随之减小。从励磁电流减小后、振动值保持不变的现象来看，这与转子匝间短路故障的特征不相符；2．若将转速降至370r/min以下后，再重新升至额定转速3000r/min时，转子的振动就又可以恢复到冷态启动时的水平；3．4#发电机在空载及带负荷两种状态下，其汽、励两侧的5#、6#瓦的转子轴振（1倍频）幅值和相位的热变量都很大，5#轴振达到120μm以上，6#轴振技术分析报告第2页共6页也达到了90μm以上，相位的变化量则达到了几十度。三．原因分析在研讨会上，大家主要是针对第1种异常现象中的“励磁电流减小后、振动值保持不变”展开了较为深入的分析。由于这种现象与转子匝间短路故障的特征不相符，因此，不少人认为匝间短路故障已经不是主要问题，而是另有其它不平衡因素。因此，有人提出可能有个别转子线圈受热膨胀后，因卡住而无法回复至正常位置；又或者线棒中部可能有上翘现象；又或者某极线圈两端各自的膨胀伸缩量不一样等等。上述各种说法似乎听起来都有一定的道理，但从转子线圈及槽内的结构以及历史情况来看，这些说法都经不起仔细的推敲。首先，转子线圈在两侧端部是悬空的，不存在被卡住的可能。而在直线段，转子线圈与槽衬的形状都非常规整，两者在位置上是完全平行的关系。线圈位于槽衬内，从两侧的出槽口伸出来，没有东西可以卡住线圈。而且考虑到便于转子线圈的膨胀伸缩需要，槽内均考虑有滑移工艺及结构方面的设计。因此，转子线圈受热膨胀后，只要它能从线槽中伸出来，就一定可以缩回去。线圈与槽衬之间可能会有磨擦（因为两者是相互紧挨住的），但这种磨擦力与转子线圈受热膨胀时所产生的张力相比，根本不在同一个数量级上，后者要远远大于前者，因此，线圈是不可能被卡住的。对于会上所提出的转子线棒可能因被卡位而在中部发生上翘的现象，从而导致在将励磁电流降至零后，转子振动也下不来的这一说法，也难以说得通。首先，线圈是一个多匝结构，一匝紧压着一匝，槽顶部是闭口结构，顶部还有又厚又硬的槽楔压住。因此，线棒是不可能从中部发生上翘现象的。另外，即使假设真有上翘现象，这样严重的变形显然是不可能自行恢复的，那又怎么可能在转速降至370r/min以下后，再重新冲转至3000r/min时，转子振动能够恢复到冷态启动时的水平呢。显然，这种假设也是不成立的。至于认为因某极线圈两端各自的膨胀伸缩量不一样，使得一端伸出来多一点，一端伸出来少一点的说法，也难以成立。虽然从理论上说不能排除这种可能，但该转子本次在上电返厂处理时，槽内线圈均没有动过。从拔掉两端护环后对端部线圈的检查情况来看，转子端部线圈的位移情况没有异常现象。可以设想一下，技术分析报告第3页共6页如果该转子线圈存在一端伸缩量大、另一端伸缩量小的问题，那么在运行20多年后，其累积起来的位移量差异该有多么显著。但实际上，尽管经过这20多年来，该转子多次冲转启动时都会反复发生振动难以调整、需要多次调动平衡的情况，而拔护环后经检查两端线圈并未有异常位移现象，那又怎么可能会在本次大修后冲转启动时的短短几天时间内，就发生线圈一端膨胀伸缩量大、另一端伸缩量小的问题呢。因此，这种说法也难以说得过去。如前所述，4#发电机转子本身的匝间短路故障未经消除，就重新并网投入了运行。而从2013年2月12日~3月5日的运行情况（振动波形）来看，转子匝间短路故障依然在影响着转子的振动情况，如图1所示。图14#发电机转子轴振、有功、无功及励磁电流之间的关系曲线从图1中可见，6#轴振与励磁电流之间的相关性在绝大部分时间段内依然存在。也就是说，转子在发生在上面所列举的3种异常振动情况的同时，匝间短路故障也同时在起着作用。先不论上面所列举的3种异常振动现象是否就只是由匝间短路故障引起来的，至少可以这样说，转子发生上述3种异常振动问题时所处的状态，同时也是转子存在匝间短路故障、且匝间短路故障还在不时地影响着转子振动的状态。那么，在这样一种转子本身已处于受到匝间短路故障影响的非正常振动状态下、转子再出现其它异常振动现象（如降低励磁电流时，转子振动保技术分析报告第4页共6页持不变）时，我们是否仍然能够按在机组正常状态下对问题的思考方式，去分析某种单一的异常现象所产生的原因、并且得到正确的分析结论呢？而从上面的各种说法可以看出，它们正是陷入了这样一种认识的误区。那么，4#发电机转子目前出现的这些异常现象，其根源到底是什么呢？首先，4#发电机转子存在不稳定的匝间短路故障，这是一个不争的事实。而且根据4#发电机从1992年投运之初至今的振动表现、以及历次的调动平衡的效果来看，还完全可以推断该匝间短路故障可能早就一直存在。为了更清楚地看到这个问题，表1中给出了4#发电机历次冲转、调动平衡次数以及耗时天数的统计情况。表1沙角A电厂4#发电机转子历年来冲转、配重及耗时统计情况年份冲转次数配重次数耗时天数2000113620011321020025122003137112004412200521169200972720138512从表1中可以看到，历年来4#发电机转子振动调节的工作量有多么的繁重。完全可以设想，正是由于转子匝间短路这一缺陷的存在，导致了这些年来机组多次大修后重新启动时，反反复复地冲转、调动平衡等等大量的工作。其次，转子上述3种异常振动现象，除了“降低励磁电流时，转子振动保持不变”这一现象外，其它都可以很容易地用转子存在不稳定的匝间短路缺陷来解释。因此，实际所要分析的问题的核心是如何解释“降低励磁电流时，转子振动保持不变”这个问题。显然，根据转子匝间短路故障必然会引起转子所受电磁力不平衡理论去解释这一现象，是很困难的。但造成这个问题的原因，不外乎以下两种：第一种原因：这个问题既不是由转子匝间短路故障直接产生的（一次产生），也不是由转子匝间短路故障所引起的其它问题而派生（即二次产生）出来的。也就是说，机组自身还有其它一种独立存在的因素，正是这个因素造成了这个问题。那么，要能科学、正确地解释这个问题、找到这个原因，前提应该是一定要在消技术分析报告第5页共6页除转子匝间短路故障、完全排除这一因素的影响后，也就是说，要在一种无其它因素影响的条件下，才有利于进行原因分析并可能得到正确的结论。否则，各种异常因素交织在一起，相互影响，是很难进行准确的分析的。第二种原因：这个问题不是由转子匝间短路故障直接产生的，但它是由转子匝间短路故障所引起的其它问题而派生出来的结果。例如，在转子处于3000r/min状态下进行励磁后，由于转子匝间短路故障引起了转子轴振异常增大，这种振动可能使转轴、轴瓦、轴承座、密封油间隙、密封油温等整个轴系处于某种特定的平衡状态。那么在这种平衡状态下，振动可能受不平衡电磁力的影响很小。因此，当励磁电流下降甚至为零时，转子振动几乎不受影响。而如果改变密封油的油温，就会打破这一平衡状态，从而显著改变转子的振动情况。如果是这种情况，那么，我们仍然可以说，这个问题仍然是由转子匝间短路故障造成的，只不过由于它是间接派生出来的，因此，难以直接用转子匝间短路故障去解释它。这样的事例有很多，如果每一种异常现象都必须找到直接的、准确的原因，有时会难免走入迷途，而且最终可能也找不到这种直接的原因。例如，东部电厂的2#发电机转子，在出现异常振动后，正是由于一些现象与转子匝间短路故障的关联度不高，用转子匝间短路故障去解释时总有一些难以解释之处，因此，电厂与东电方面花费了大量的时间、精力和财力，进行调动平衡、检查轴瓦、调标高等等，效果不明显，也没能找到问题的原因。经过半年后，才发现转子存在匝间短路故障，在将该故障处理后重新投运，其它问题都自行消除了。还有惠来靖海电厂的1#发电机，2007年7月份出现异常振动后，前后邀请了高校、热工院、电科院等众多专家进行分析，均认为引起转子异常振动的各种可能性原因都存在，其中也包括转子存在匝间短路故障的可能性，但又有一些现象是转子匝间短路故障所无法解释的，而机务方面存在问题的可能性也比较大。因此，当时对转子进行了多次配重、调动平衡等工作，花了几个多月的时间，好不容易将转子振幅值压下去了，可没过几天振动情况可能又上来了，甚至还更加恶化了。2007年10月份，该转子经电气检查发现存在匝间短路故障。将转子返厂处理后重新投入运行，消除了转子振动异常的现象，转子恢复了正常运行，而且以前一些与转子匝间短路故障关联度不高的异常现象，也没有再出现了。根据这些故障处理的实际案例经验，针对上面所提到的两种原因分析，我们技术分析报告第6页共6页更趋向于第二种原因。四．转子带缺陷运行的风险分析应该指出的是，在转子存在匝间短路故障的情况下，发电机继续运行可能存在如下一些弊端：1.转子振动可能继续恶化（但也可能自行消除），迫使发电机降负荷运行，以便降低转子的振动幅值。长期运行下去，可能会使电厂方面产生巨额的电量损失；2.轴瓦可能因转子异常振动而磨损或损坏；3.转子轴颈可能磁化，加剧转子的异常振动；4.由于匝间短路故障处存在异常高温过热现象，这有可能进一步破坏匝间绝缘或其他绝缘，进而可能造成转子接地故障；5.匝间短路故障部位可能增多，故障向着扩大化方向发展。五．建议目前4#发电机正常带负荷运行，为了确保发电机的安全运行，做好风险预控，建议采取以下措施：1.有针对性地制定运行措施，加强对转子轴振的监视，防止转子轴振发生明显的快速爬升的现象；2.在满足运行要求的范围内，适当降低氢温，以便适当降低转子匝间短路点的高温发热状况；3.适当调节密封油油温，从而有效降低转子的振动幅值；4.在条件允许时，不妨适当降低4#发电机的无功负荷，这样对降低发电机转子运行中的振动幅值是有益的；5.联系上电厂家方面，请对方根据其转子结构的具体特点，书面提出风险控制措施。2013-3-17