透平发电机故障诊断沈梁伟.docx
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透平发电机故障诊断沈梁伟
透平发电机故障诊断
前言
在线与离线监测是故障诊断的基础，故障诊断是在故障发生后往往需要发电机停机解体来判断事故原因，制订修复方案寻找反事故措施，所谓专家系统是将各种故障诊断知识，因果关系汇编成逻辑关系供故障诊断参考。
三者有联系但又是独立的三个分支。
本文以大型氢水冷却发电机为例根据故障类型分析可能原因寻找处理对策。
1故障诊断
从运行中总结经验，分析故障原因找出对策，推广实施以避免同类故障重复发生这是提高可靠性的重要一环。
从以往经验看，故障原因属设计制造方面的约占1/2，属安装和运行的各占1/4。
属设计制造问题的应力争将问题解决在产品出厂前制造厂内。
故障诊断是项很复杂的工作，特别是对综合性故障,需要组织有经验的专家到现场进行分析，既要掌握方向排除干扰又要注意细节，找出故障特征、故障始发点，根据运行记录、故障记录、故障分类推测故障原因，有时需要现场试验、物理模拟、数值计算等佐证。
发电机保护只能避免事故扩大很难避免事故的产生，发电机容量越大，电磁负荷就越高，一旦定、转子烧损，定子铁心烧损发生的时间虽很短而需要修复的时间却较长，并且有的在电厂现场很难处理，停机时间长事故损失较大。
对制造厂因设计、工艺问题而引起的群发性重大事故应采取类似“汽车召回制”之类的应急措施，通知相关用户分期分批作好停机待修的准备，使损失控制到最小程度。
历史上，TQC系列空内冷转子绕组变形堵塞；QFN—100—2机液压定子线棒因形状差引起的线棒振动磨损，转子线圈因侧面铣槽引起的过热堵塞；国产200MW发电机定子绕组短路；QFS系列转子水内冷引线断裂……等都属于这种群发性典型事故，其教训是深刻的。
历年来我国有关部门对发电机事故作了大量的统计工作，有按年份的事故率统计；有按容量档次分类统计；有按制造厂统计；有按发电机事故部位的分类统计；有按事故原因的分类统计。
这些资料都从不同角度给出了事故与其相关因素的关系。
从故障诊断视角应着力于故障模式（故障分类）分析。
从异常现象→可能原因→反事故措施。
表1为事故统计的一个示例。
1.1定子故障模式分析
表2为定子常见故障分析（主要对水氢氢冷却的发电机）
表11993-1995年300MW发电机事故与故障概况
序
号
项目
故障
总数
占事故总数的
百分比（%）
事故与故障的原因
事故次数
1
发电机
本休
53
定子占29%
（1）发电机定子内冷水系统问题（断水、堵塞、引水管破裂等）
（2）定子绕组空心导线漏水
（3）定子端部线圈存有金属异物
（4）定子绕组端部松动、磨损
（5）定子绕组绝缘不良
29
4
1
4
2
转子占6%
（6）转子绕组空心导线及绝缘引水管漏水
（7）转子绕组严重匝间短路
7
2
3.4%
（8）其它
5
2
励磁
系统
45
32.6
（1）MK断路器挂闸不好，机械断裂
（2）励磁调节器元件损坏
（3）转子滑环环火
（4）整流柜温度高
（5）主励振动大、副励定子绝缘烧损
（6）主副励磁机不同心
（7）失磁
（8）其它
4
8
4
2
2
1
14
10
3
其它
设备
40
28.9
因封闭母线、断路器、互感器、电缆、变压器等设备引起的机组停电
40
表2定子常见故障分析
机理
异常现象
查找可能原因
处理指南
机
械
过热→线棒变形→短路或烧断拉弧
A、定子槽内检温计温差超过8℃或温度超过90℃
B、定子进出水压差增加
C、各支路水流量差20%以上
D、长期运行PH值小于7
E、长期水的导电率不合格
F、断水保护动作
A、有异物堵塞
B、是否铜腐蚀堵塞
C、或气堵（定子引线水流量低）
D、查定子水泵
A、先降负荷
B、后反冲洗
C、反冲洗不行则要取出被
堵线棒
D、若铜腐蚀就要酸洗
漏水→短路
定子水箱内含氢量超标
A、定子水接头焊接处泄漏
B、定子空心导线裂纹
C、定子绕组振幅过大接头振裂
D、法兰连接、水接头连接松弛
E、波纹管裂纹
A、打水压或气密试验找出
漏点补焊
B、若与振动大有关应减振
绝缘磨损或断线→短路
A、定子绕组振幅超标导致绝缘磨损
B、电接头振断拉弧烧损
A、定子端部绕组椭圆型固有振动频率不
合格引起共振
B、绕组固定不好
A、做模态试验采取措施改变频率降低振幅
B、加固
铁心松动→噪声大→铁芯短路
A、铁心有异常噪声
B、进风温度与噪声大小有关
C、端部断齿
A、铁心松动特别是定子两端铁心
B、某些结构铁心夹紧环松
A、重新压紧铁心
B、做铁心发热试验消除热
点
机座共振
机座噪声大
振动与转速有关
机座共振
A、改变机座固有振动频率
B、调整压紧定子底脚垫片
电
气
局部放电→严重烧损
有表面放电痕迹明显通道
耐压试验时放电严重
A、手包绝缘处质量不合格
B、定子端部受潮或出厂固化不好
C、线棒端部防晕处理有问题
D、机内氢气湿度超标
找正原因对症下药
电蛀虫效应→短路
异物钻透主绝缘
槽部或绕组端部有铁磁物质
加强清洁度
1）定子内冷水系统堵塞
定子水路堵塞引起的破坏机理是堵塞→线棒过热→出槽口R处变形→主绝缘开裂、铜线裂纹→短路烧损。
堵塞有三种不同原因：
（1）异物堵塞：
如定子水路中法兰橡皮垫龟裂、焊料、过滤网破裂、水接头铜垫圈……等等这些都是制造或检修过程中误入的。
（2）由定子铜线氧化积垢而引起的堵塞主要是水质有问题。
GB/T7064中有水导电率为0.5~2.0μs/cm要求，它通过旁路10%的水流过离子树脂处理装置来实现。
要求PH（25℃）8.0~9.0，它通过加碱装置来实现，如图3所示PH值对氧化铜生成是至关重要的。
另外水中含铜量要≤20.0mg/L，这三项规定都是防氧化铜积垢的措施。
当然能以不锈钢管代铜更好是比较彻底的解决办法。
发电机长期停机时要将定子水系统吹干，否则残水会腐蚀铜线引起堵塞。
若定子线棒制造过程中需要水压和流量试验则要将残存的自来水吹干，否则也会腐蚀堵塞。
（3）由气堵发生的过热和烧损事故已在大机组上多次发生，有的甚至整台定子线圈需在工地重绕，修复工期长达数月。
气堵主要特点是新机带满负荷几百小时内在励端最长环形引线最高处绕毁。
以600MW发电机为例可将外45mm/φ内19mm粗的引线烧掉数百毫米之多，过烧的范围和程度与定子接地保护动作时间长短有关。
气堵与定子线棒水路结构有关。
以国产优化型600MW汽轮发电机为例：
该发电机定子为42槽，上
水中含氧量PPb
图3铜管的平均腐蚀率
下层各42根线棒，从励端汇流管经84根定子绝缘引水管分别向定子上、下层定子线棒供水后再流入汽端汇流管从顶部导出。
另一路从励端汇流管流经12根环形引线后并成6路再与主引线、出线瓷套管内导电杆（对于3个中性点瓷瓶还经过中性点母线板）串联，最后通过6根绝缘引水管流入出线盒内的小汇水管,励端小汇水管通过机外的外接管再将水流到汽端汇流管从上面导出，见图4。
定子线棒、定子引线的进水压头是相同的，电流密度也采取相接近的值,所选流道截面使线棒和引线的温升相接近。
虽然长短引线并联，但各环形引线的流量根据实测相差不超过10%在允许的范围内，因此，在水路正常时，环形引线的水温不会超过20K，运行是安全的。
从多次事故分析中发现，气堵是引起环形引线过热的元凶，发生气堵的原因如下：
·图4中可拆式短管未折除。
为将定子线棒、引线和绝缘引水管中的剩水放尽并彻底吹干，因此有必要设置一段可拆式短管供定子绕组水路排水和吹干用，机组投运前必须将此段管道拆除，否则它会使出线盒小汇流管流量减少。
另一方面停机停泵后会使空气进入,容易在长引线的顶部积聚空气堵塞水路，某电厂1台740MW发电机因此出了事故。
·外接水管管径必须按原设计配置。
有些电厂不了解外接管的作用将φ45×2.5（DN40）外接管接成φ25×2.5（DN20）至使各引线的水流量大为减少影响冷却效果，另一方面流量减少不能将水中的气体带走，更易形成气堵过热烧毁。
表3为某电厂两种不同外接管管径时引线水流量的变化。
修复前（外接管DN20）线棒出水平均温度比出线出水平均温度低6.4℃。
修复后（外接管改为DN40）线棒出水平均温度比出线出水平均温度高3℃。
按设计规定,正常时线棒出水平均温度应该比出线出水温度高。
·小汇流管这股水路排气困难是造成气堵的另一个原因。
某电厂一台740MW发电机大修中对定子水系统进行了反冲洗，总的水流量增加了5%，但小汇流管这一路水流量反比大修前减少约10%，初步分析认为这一水路存在着气堵现象，后将小汇流管出水流量计处管道拆开排气，使流量从150L/min提高到194L/min，因此停机、停泵后初次通水就应十分注意小汇流水路的排气问题。
预防引线气堵的主要措施是：
·在外接管上装一个流量计，监视小汇流管这路水的流量是否正常，见图4项8。
·在外接管上装一外跑风阀，在起机作排空之用，见项10。
·外接管内径要严格按图配置。
·运行前要将项9拆除，并检查反冲洗阀是否关闭。
以上三个原因所造成的堵塞都不是突然发生的而是渐进的过程。
因此，一旦发现定子槽内检温计超标并排除了检温计误报的可能性以后，首先采取的措施就是降负荷待适时停机反冲洗或作其它处理。
由水泵或水箱液面波动引起的断水，断水保护装置会按图5的程序报警或跳闸。
图4定子绕组水路示意图
1—励端汇流管2—环形引线3—小汇流管4—瓷套管内导电杆5—定子线棒
6—外接管7—汽端汇流管8—流量计9—可拆式短管10—跑风阀
表3用超声波流量计测试出线部流量
小汇流管外接φ25×2.5管的流量记录（水压0.36MPa）
引线编号
流量（升/分）
W1
17.05
W2
20.15
V1
18.81
V2
18.25
U1
17.86
U2
17.18
φ25×2.5管流量
98.6
小汇流管外接φ45×2.5管流量记录（水压0.31MPa）
引线编号
流量（升/分）
W1
26.58
W2
29.21
V1
28.01
V2
27.42
U1
31.16
4
28.37
φ45×2.5管流量
189.2
图5发电机断水保护逻辑图
2）泄漏是定子内冷水系统另一种常见的故障。
定子线棒渗漏水分静态与动态两种。
静态指定子水接头把合密封不严，焊缝质量不好，空心铜线有缺陷，定子绝缘引水管有伤等等。
发电机在进行密封性试验时就可以发现这种静态渗漏而加以修补。
动态泄漏指发电机运行后有的甚至运行相当长时间后由于动应力、热应力或水冲蚀而造成的渗漏水。
200-300MW发电机定子空心导线单独抽出、水接头焊接面积较小、补焊成功率较高见图6a，而600MW及以上的机组采用的如图6b的水电接头万一焊缝处漏水就很难补焊，只能更换线棒，工作量就很大。
在氢、水冷却发电机中因氢压高于水压，定子水箱中含氢量增加就是漏水的信号，微量渗漏使线棒潮湿发热到一定程度就会发生线棒对地或相间突然短路。
圄6a空心导线单独抽出的定子线圈水接头
绝缘引水管接头
电连接
水盒
下层线圈
上层线圈
图6b直接套在线棒端头上的定子线圈接头
运行中若定子水箱内含氢量（体积含量）超过10%或漏氢量大于5Nm3/d时应立即停机处理，很多台发电机由此避免了故障的扩大和事故的发生。
过去制造厂内用水压试验检查水路的严密性由于它的灵敏度不够，现已被气密试验代替，另外制造厂内不通水对定子运输时防止线棒内积水而造成绝缘冻裂也是很有益的。
3）绕组振幅过大
结构弱点→定子绕组振幅过大→绝缘磨损或水接头泄漏或电连接疲劳断裂→突然短路。
所谓结构上有弱点包括：
定子绕组固定不良，端部绕组固有振动频率不合格……等等。
定子绕组端部由压板、绑扎、支架、线棒、压环等零件组成，刚度、材质均不相同是一个非匀质系统要计算它的固有振动频率很困难。
JB/T20140“透平型发电机定子绕组端部动态特性测试方法及评定”规定了定子绕组冷态整体椭圆型固有振动频率应避开94-115HZ即热态避开激振频率±10%，由于工艺分散性大该项已列为检查项目。
定子绕组通水（热态65℃）测得的固有振频比冷态（室温）绑扎结构约下降5~8HZ，压板结构下降1~2HZ。
端部引线的固有振频也应避开94~115HZ，试验采用锤击法进行。
在型式试验时在定子绕组端部装振动传感器以测量端部振幅。
新机的测试值应≤100μm。
在线监测时振幅（峰-峰值）≥250μm应报警减负荷，振幅（峰-峰值）≥400μm应立即停机。
由于定子绕组端部大量绝缘件会受热收缩而且绕组在寿命期内会受到来自系统扰动的各种冲击因此大机组的定子端部绕组要有重新紧固的可能性。
在处理定子端部绕组松动问题上不分析原因，盲目加固是无用的，在处理定子绕组松动的同时，对定子铁芯也要仔细检查，必要时首先要解决铁芯松动问题。
4）常见的定子铁芯故障
有片间绝缘损坏、有效铁芯变松、铁芯端部压指偏、绕组两点接地引起定子铁芯损坏等几种情况。
定子铁芯用厚度为0.35~0.5mm的扇形硅钢片迭成，每片有漆膜绝缘。
冲片叠装在鸽尾筋上，通过鸽尾筋本身彼此连接，如果铁芯硅钢片绝缘损坏，就形成了闭合回路，该电流产生的损耗能达到很大的数值，引起很高的温度甚至会使铁芯熔化。
铁芯松动叠片振动是冲片绝缘损坏的主要原因。
有效铁芯松动的主要特征是靠通风道硅钢片齿部弹开，使通风道“闭眼睛”，硅钢片由于接触腐蚀引起锈班，铁心电磁噪音增加。
定子边段铁芯已松动断裂的硅钢片会刺破定子线棒绝缘引起短路击穿造成事故停机。
及时地检出定子冲片绝缘损坏是提高发电机运行可靠性的主要措施之一。
发电机在交接试验、局部或全部更换定子绕组前后及发现定子铁芯有缺陷时应该进行铁损试验按相关标准规定，定子铁芯损耗发热试验时应该在1.4T进行，历时大于45min。
相同部位铁芯温差≤15K，铁心最大温升≤25K为合格。
加热分段加压、端部铁芯阶梯形段粘接、保证通风槽钢质量，减少硅钢片漆膜收缩率、减小冲片毛刺是制造厂提高铁芯装压质量的主要措施。
当发电机出现一点接地时，如果电容电流和持续时间超过一定数值就可能引起定子铁芯烧损，大机组接地电流允许值已减至1A。
定子一点接地要求保护自动跳闸否则发展到两点接地就会烧损定子铁心。
5）局部放电
大机组定子额定电压高，定子端部电场形状复杂容易产生局部放电，局放发展结果使绝缘碳化逐步导致短路击穿事故。
手包绝缘不良，手包绝缘与模压主绝缘搭接处脱节加之机内氢气湿度大或适形垫条固化不好就易引起局部放电。
另外线棒端部防晕处理不好，电场过份集中，整机起晕电压低也易从电晕放电发展成局部放电。
控制和测试手包绝缘直流泄漏电流，20KV相间≤8mA，非相间≤12mA，以确保手包绝缘质量。
DL/T651规定氢冷电机在运行氢压下的氢气允许湿度露点应为-25℃≤td≤0℃，补氢用的新鲜氢气常压下的允许湿度td≤-50℃，要做到这一点对定子绕组水内冷发电机应在定子水箱内装设加温装置，停机时继续保持定子冷却水循环，必要时可配置有单独循环风机的氢气干燥器以在发电机停机时仍能运行。
机内氢气湿度与密封油中含水量有关，密封油中水含量的合格标准是不产生游离水，见图7，它是油温和氢气湿度的函数。
图7不产生游离水时油中含水量
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