发电机转子导电杆短路缺陷分析

0引言

燃气轮机发电厂的发电机是企业重要主机设备之一,一旦发生定子、转子一次设备较大异常缺陷,都将引发停机或提前大修状况,因此,采取及时有效的组织和技术措施将发电机定子、转子设备数据异常、超标等小缺陷消除或控制在受控范围,是所有发电厂电气检修专业人员工作的重中之重。

调峰发电机组运行环境及涉网系统特殊,发电机日常运维和监测手段受限,高端设备材料、加工及装配工艺要求高,影响环节较多,所以发电机转子一旦发生较大缺陷故障,首先要停机、停盘车、置换氢气,还有检修队伍、工具和技术方案准备,少则半个月,多则两个月,如返厂则厂内修理就需要20~60天甚至更长时间,直接和间接损失不言而喻。

某300 MW级调峰发电机组在正常启机后,准备并网操作过程中,TCS报励磁故障报警跳闸,现场查看励磁系统指示无异常后,再次进行起励仍然失败。通过多轮排查后初步确定转子线圈回路存在短路现象,联系设备厂家到场检查确认为发电机转子回路局部短路故障,给企业造成较大的直接和间接经济损失。

1案例分析

1.1 案例描述

某公司300MW级调峰发电机于某 日02:00停机,05:00再次启机后,准备并网操作过程中,TCS报励磁故障报警跳闸,现场查看励磁系统指示无异常后,再次进行起励仍然失败。公司维护人员仔细排查励磁控制系统均能够正常发出指令,但在后续施加励磁时,励磁电压始终只有3 V左右,而励磁电流则超过180 A。

鉴于以上数据严重异常,已初步判断转子线圈回路存在短路现象,及时协调厂家技术人员赶到现场指导,用电桥法测得转子的直阻为1.81 mΩ,与出厂值相差约50倍,经厂家派遣到现场人员将实测数据反馈回厂内并组织专业团队分析,判断转子绕组回路内部的确存在短路点。为了顺利查找短路点位置,于数日后停盘车状态下用专业工具和材料隔离开导电杆内侧大螺钉[1],然后测得内、外集电环之间直阻为0.126 mΩ,转子绕组直阻为102.541 mΩ,由此判定发电机转子引出导电杆两瓣[1]之间存在直接短路点,需抽出发电机转子检查或返厂修理。

1.2 发电机转子抽出定子外解体、排查故障过程

1)转子励磁端测速法兰盘拆卸时,有较大气压及少量带异味的白色烟雾突出。2)导电杆大螺钉(汽机侧)根部即两瓣之间电工绝缘板双层均存在明显的大面积碳化现象,如图1、图2所示。导电杆大螺钉(汽机侧)根部即两瓣之间电工绝缘板双层均明显碳化,导电杆汽机侧端部短路烧损两瓣间绝缘及铜板,如图3所示。导电杆V型柔性连接示意图如图4所示。3)导电杆汽机侧端部短路烧损两瓣间绝缘及铜板存在明显烧蚀缺肉现象,如图5所示。4)导电杆装配件解体后未发现异物。

1.3 发电转子出厂试验报告

1)转子绕组直流电阻0.098 Ω;温度20℃ 。2)转子绕组绝缘电阻125MΩ;500V挡,温度21 ℃。3)转子绕组交流耐压:电源频率50 Hz,试验电压4 000 V,试验数据正常。4)转子机械超速试验:3 600 r/min持续时间2 min正常。5)转子动平衡(表1)及气密性试验(表2)数据均良好。

2 故障原因排查及分析

1)机组于02:00停机,05:00重新启机后,准备并网操作时跳机,这是并未受到电网冲击、电压波动等外部干扰情况下发生的跳机现象。

2)故障发生后,对现场运行记录、现场巡视和维护记录及后台监控的操作记录等相关启机过程数据进行自查,并经设备供应及制造商专业人员反复检查,均未发现有违反电力系统安全生产规定或产品安装使用说明书中禁止的操作步骤,排除人为误操作等因素。

3)导电杆短路故障发生时间在机组正常的短暂停机后重新启机并网前,3 h内未开展任何检修工作,该发电机停机后盘车工况均正常。

4)故障后在生产厂家技术人员指导下,拆开导电杆励磁侧转速测量用金属法兰盘时,发现有较大气压及带异味的白色烟雾瞬时突出,说明该导电杆安装腔室不存在密封不严或对外吸潮可能,如密封不严则故障两周后再解体不会有压力存在,排除该次故障与现场安装、运行环境等其他工况存在必然联系。

5)导电杆绝缘筒返厂后解体,确认故障原因在于正负极两瓣之间绝缘板已经深度碳化而直接导通。

6)两瓣导电铜板之间电工绝缘板材选型、材料质量及工艺工程控制可能存在瑕疵,在出厂前未及时发现,造成设备投运后绝缘击穿。出厂试验时环境温度21℃ ,用500 V兆欧表测绝缘值125 MΩ,虽然合格但是偏低,而抢修完成后在厂内用500 V兆欧表测绝缘值与原出厂值之间差距近26倍;二次抢修加工绝缘筒后现场未穿入转子前,用1 000 V兆欧表测得正极对地绝缘70.8 GΩ、负极对地绝缘72.5 GΩ,比原出厂值提高电压等级后还要大570倍左右,如表3所示。

7)导电杆大、小螺钉设计,装配工艺存在异常阻力或工艺瑕疵,没有装配是否到位的深度值参考标准及工艺要求,只有力矩值要求,即存在不合理性,会造成螺钉与导电杆之间装配时因某种外部原因形成异常阻力,误判为螺钉已拧紧。误投运后,在大电流、日启停调峰模式下,铜排与螺钉接触根部虚接而异常发热,使导电杆两极间绝缘垫板逐渐碳化至击穿引发事故。在该发电机抢修中,复装小螺钉时在螺栓紧固至合格力矩等全部工序完成后,发现小螺钉外裸露高度有异常,复检及综合评估后再往里面拧进深度达6 mm。

8)在导电杆装配、组装环境下或清洁等工艺中,细小异物或导电颗粒物进入导电杆绝缘筒内,造成两瓣铜排之间绝缘板在调峰运行、振动中到达绝缘值临界点而瞬时击穿引发跳机事故。

3 故障抢修

3.1 故障件拆除困难

1)为尽量缩短检修工期,在不影响机修专业拆卸联轴器及盘动转子工作的情况下,利用机务专业复查中心、拆卸联轴器及发电机两侧端盖工作间隙,及时沟通、协调设备制造商专业工装人员3次进入发电机励端内部,均未将大螺钉锁紧螺母松动。仔细查阅图纸、琢磨细节,结合现场实际,制作异形专用工具3套,辅助原装专用工具才顺利拆除了大螺钉锁紧螺母,比原计划提前2天发现并解决了导致拆卸困难的其中一个问题。2)次日上午,再次协助厂家进入发电机内部,将2个大螺钉用专用绝缘纸隔离,在转子抽出前就确认了导电杆正负极间的确有短路点,准确地将故障点范围大幅缩小。3)次日晚上,抢修队伍及相关人员连班,将该发电机转子抽出放至专用支架。连夜使用原厂专用工具,增加加力杆长度近一倍,扳坏2套力矩扳手受力头及2套备用改制工具头,均未松动导电杆大、小螺钉。4)通过认真思考和仔细琢磨,临时采购急件将原配工具受力孔由12 mm改为20 mm,分别焊接一套专用改装工具,在导电杆励端小螺钉上尝试未能成功。综合分析后,改到导电杆汽端大螺钉上尝试,比较轻松地拆除了正负两极大螺钉,再返回拆励端正负两极小螺钉,此时原来无法松动的小螺钉可以比较轻松地拆除,说明之前分析的故障原因第7条某种异常阻力或瑕疵问题的确存在。

5)若不是前期及时提议改装原配专用工具后多次尝试,受异常阻力的大、小螺钉接口根本无法在现场顺利拆除,只能将转子整体包装返厂,因原计划转子抽出只允许在现场停留一天,现场无法拆解则直接将转子整体返厂检修,重达70余t、长达16 m的转子,在春运期长距离往返,再加返厂后检修时间,工期根本无法保障,对迎峰度冬保供电关键时期的企业生产压力非常大。

3.2 故障件修复过程

1)完成导电杆全部解体和故障点确认工作后连班装车,连夜专车将300 kg导电杆整体送达设备制造厂,破坏性拆除后更换新绝缘筒、处理大小螺钉密封面,一周后深夜随专用电动支架一同专车返回抢修现场,待试验合格后回装。2)次日在电厂及生产厂家技术人员共同见证下,现场开箱清理、封堵单侧大小螺钉装配孔间隙后,10:00翻转180O又发现另一侧励端绝缘筒大小螺钉装配孔边缘轴向全开裂缝长达超70 mm。3)发现绝缘筒开裂后,厂家现场技术人员答复只能返厂再维修,现场达不到厂家技术要求和加工条件,电厂技术人员通过及时与设备制造商技术人员沟通方案及技术要求,提出现场保障措施后,当日15:00厂家同意在现场工装人员监护下只给一天现场修复时间,否则再次返厂维修。4)为节约时间,减少一次中心调整,在毛坯加工完成后,直接在车床上利用专用胶和绑固带仔细交替缠绕数层,通宵烘烤至次日07:00再精加工至合格尺寸,试验合格后顺利复装,为抢修节约往返等时间至少两天。

4 结束语

基于本次发电机转子故障分析、原因排查及抢修应急措施应用的效果综合分析,及时安排对状态检修完成才5个月的另一台发电机转子重新进行排查,防范和杜绝同类缺陷重复发生或扩大事故,通过排查未发现同类缺陷存在。

为了确保修后发电机组安全、可靠及经济运行,运维人员还连续监测日常参数变化趋势,定期和利用较长停机机会检测该发电机的直流电阻及交流阻抗值,已经五年累计运行超过12000 h未见异常,证明数据分析正确且抢修及时,已经彻底消除了隐患。

设备运维中出现的缺陷,不论大小均要认真分析、举一反三,发现0.1%的疑惑就要付出100%的努力去排查,这样才能杜绝因小失大、重复故障、欠修或过度检修,从本质上提高设备健康水平,确保所辖设备安全、经济运行。

[参考文献]

[1]胡德剑,令红兵,王拯元,等.一种发电机转子导电杆的柔性连接装置:CN202495849U[P].2012—10—17.

《机电信息》2025年第17期第17篇