蔡 林，易文平

(珠海深能洪灣電力有限公司，廣東 珠海 519060)

某電廠配置兩套PG9171E型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組于2005年投產(chǎn)，燃氣輪機發(fā)電機為英國BRUSH生產(chǎn)BDAX9- 450ERH空冷型機組，額定容量141 MVA，勵磁系統(tǒng)為無刷勵磁，屬于早起晚停調(diào)峰機組。近期出現(xiàn)燃氣輪機啟動后發(fā)電機投勵時無法建立機端電壓現(xiàn)象，排查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組故障，返廠后解體進一步確認故障點，修復(fù)缺陷部位恢復(fù)正常運行，提出相關(guān)整改措施，防止主機設(shè)備發(fā)生重大缺陷。

1 故障現(xiàn)象

某日，燃氣輪機正常啟動中，轉(zhuǎn)速升至95%額定轉(zhuǎn)速，程序自動投勵合上勵磁斷路器，運行人員發(fā)現(xiàn)發(fā)電機機端一次電壓并沒有因投勵而發(fā)生變化(正常情況投勵后升至額定電壓15 kV)，22 s后報警“勵磁時間過長”，保護動作跳開勵磁斷路器，投勵失敗。檢查燃氣輪機控制系統(tǒng)無其他報警信息，發(fā)電機和勵磁保護裝置除“勵磁時間過長”外無其他報警信息。

2 故障排查

2.1 勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)排查

根據(jù)故障現(xiàn)象和繼電保護裝置動作記錄，初步判斷異常源于勵磁回路。檢查發(fā)電機繼電保護裝置、勵磁變壓器、勵磁斷路器、勵磁調(diào)節(jié)通道、熔斷器、可控硅整流橋等未見異常；在額定轉(zhuǎn)速下進行手動投勵，切換通道投勵，手動投強勵，故障現(xiàn)象未發(fā)生變化。投勵后在勵磁控制柜內(nèi)測量可控硅整流橋輸出直流電壓約12 V(額定空載電壓12.2 V)，發(fā)電機機端TV二次電壓約800 mV，投勵前后機端二次電壓無任何突變。在發(fā)電機勵磁機定子繞組就地端子柜測量進線端子直流電壓也是12 V，發(fā)電機機端就地端子柜TV二次電壓是800 mV，兩次不同位置測量結(jié)果相同。

為縮小排查范圍，做勵磁系統(tǒng)小電流試驗。首先解開整流橋輸出端與發(fā)電機勵磁機定子繞組連接端子，將模擬負載接入整流橋輸出端，手動投勵，錄得模擬負載端電壓及波形均正常，調(diào)節(jié)增減勵磁，負載電壓、電流增減正常。由此證明勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制功能、脈沖觸發(fā)能力、整流橋均完好無異常，初步排除勵磁功率單元、勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障。

檢查測量回路，轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速投勵后，在控制室保護柜、勵磁柜測量TV二次電壓均為800 mV，測量發(fā)電機就地端子柜TV(兩組繞組)二次空開上下端口電壓均為800 mV，且投勵前后電壓并無任何變化，表明測量回路無異常。

綜合上述檢查結(jié)果，可以確定勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)和測量回路沒有異常。機組正常啟動時，投勵前機端TV二次電壓在剩磁的作用下會有1～2 V的感應(yīng)電壓存在，而本次投勵前后測量電壓僅800 mV，且無突變，說明轉(zhuǎn)子勵磁回路無勵磁電流流過，基本可以確定故障存在于發(fā)電機勵磁機或轉(zhuǎn)子繞組。

2.2 發(fā)電機系統(tǒng)排查

發(fā)電機停機降至零轉(zhuǎn)速，測量勵磁機定子繞組、電樞繞組、發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組直流電阻和絕緣電阻，與歷史數(shù)據(jù)對比并無異常。檢查旋轉(zhuǎn)熔斷器無異常，發(fā)現(xiàn)#5旋轉(zhuǎn)二極管在反向54 V電壓時導通。由圖1可以看出，三相橋式整流回路中每相整流橋有兩個二極管并聯(lián)，任一個二極管擊穿將會有很大的反向電流流過，熔斷器會熔斷，剩下一回路設(shè)計有足夠的冗余容量連續(xù)承載全部電流，因此并不影響整流輸出，機組可維持運行。當二極管故障時，勵磁系統(tǒng)通過整流輸出波形的檢測，也會發(fā)出二極管故障信號[1]，實際運行中并未出現(xiàn)此報警信號，因此，二極管故障不是主要原因。

圖1 發(fā)電機勵磁回路示意圖

對轉(zhuǎn)子做靜態(tài)RSO(轉(zhuǎn)子匝間絕緣重復(fù)脈沖)和轉(zhuǎn)子靜態(tài)交流阻抗及功率損耗試驗，試驗結(jié)果如表1所示，與歷史曲線和數(shù)據(jù)對比無異常。

表1 零轉(zhuǎn)速時交流阻抗測量數(shù)據(jù)

在靜態(tài)條件下，各項試驗和檢查均未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，結(jié)合之前現(xiàn)象，故障極有可能出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，因此必須進行動態(tài)試驗。由于此型發(fā)電機為無刷勵磁，沒有可外接的試驗接口，需臨時加工試驗滑環(huán)，將勵磁機旋轉(zhuǎn)二極管整流輸出端與發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組正負極引出導電桿解開，滑環(huán)分別單獨連接在轉(zhuǎn)子繞組正負極導電桿上，并在盤車轉(zhuǎn)速、高速盤車轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速下對轉(zhuǎn)子繞組做動態(tài)試驗。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)在盤車轉(zhuǎn)速(約120 r/min)和高速盤車轉(zhuǎn)速(約750 r/min)下試驗結(jié)論與靜態(tài)零轉(zhuǎn)速下幾乎沒有任何差異，但在額定轉(zhuǎn)速(3 000 r/min)下做轉(zhuǎn)子動態(tài)交流阻抗及功率損耗試驗，試驗結(jié)果如表2所示。除在電壓60 V時轉(zhuǎn)子繞組短時通過6.56 A電流外，其他各等級電壓下流過繞組的電流幾乎為零，說明轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部出現(xiàn)開路故障，開路狀態(tài)不穩(wěn)定，且與轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系。

表2 額定轉(zhuǎn)速時交流阻抗測量數(shù)據(jù)

動態(tài)試驗后在額定轉(zhuǎn)速下測量轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣電阻為0 Ω，當轉(zhuǎn)速降至0 r/min后測量轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣電阻同樣為0 Ω，轉(zhuǎn)子直流電阻則為無窮大開路，相比動態(tài)試驗前轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣和直流電阻均出現(xiàn)明顯變化。由此推斷，額定轉(zhuǎn)速下故障點繞組在離心力作用下出現(xiàn)時斷時合不穩(wěn)定現(xiàn)象，當試驗電壓逐漸升高到一定值時，由于故障點斷開距離很小，電壓將斷口空氣絕緣擊穿出現(xiàn)拉弧放電，導致轉(zhuǎn)子繞組接地，接地點應(yīng)該就是轉(zhuǎn)子繞組斷口處。做轉(zhuǎn)子繞組極間電壓測試，分別向正負極通直流電流，測量兩極對地電壓絕對值幾乎相等，初步可以判斷故障點應(yīng)該在轉(zhuǎn)子繞組中點或非?？拷悬c位置，具體位置須要打開護環(huán)后才能進一步確認。

3 故障處理

3.1 轉(zhuǎn)子拆解檢查

由于發(fā)電機在英國制造，不具備返原廠條件，綜合考慮實際情況以及技術(shù)、工期等因素，選擇國內(nèi)發(fā)電機制造維修廠家進行拆解修復(fù)。由于原廠并沒有提供轉(zhuǎn)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和拆解過程方法相關(guān)資料，需要維修廠家根據(jù)自身經(jīng)驗和儀器檢測來確定拆解維修方案，特別是轉(zhuǎn)子風扇環(huán)材質(zhì)為鋁合金(不導磁)，拆解時采用多種加熱方式才得以成功拆下，以便順利拆下端部護環(huán)。

拆開勵端護環(huán)后可看到，正負兩極各有7組繞組(由內(nèi)到外分別為1～7號)，每組由數(shù)圈串聯(lián)繞成，而每圈則有兩匝線圈并聯(lián)，正極最外第7號兩匝線圈分別從上下半周對稱位置與負極第7號線圈串聯(lián)，從而形成整個轉(zhuǎn)子繞組。檢查發(fā)現(xiàn)，勵端端部繞組共有兩處斷裂點(圖2)，恰好是正負極間第7號線圈連接處，處于對稱位置的兩匝連接處均已完全斷裂，從而導致整組線圈開路，且斷裂位置的極間連接線圓角區(qū)域變形嚴重，其他地方?jīng)]有發(fā)現(xiàn)異常。

圖2 端部繞組斷裂點

兩處斷裂點位于兩極連接中間，因跨接原因，無法完全綁扎固定，由于7號線圈是最外層線圈，護環(huán)內(nèi)部絕緣墊塊沒有完全將其頂緊，留有一定空間；轉(zhuǎn)子繞組線棒是沿軸向布置，線圈發(fā)熱產(chǎn)生的膨脹量只能集中在軸向，從而使線圈圓角成為吸收軸向膨脹量的主要部位。當機組運行時，線圈圓角隨應(yīng)力變化，同時溫度升高導致極間連接線的圓角線圈出現(xiàn)塑性變形[2]，致使圓角區(qū)域出現(xiàn)斷裂。從斷口裂紋能夠看出，兩匝是先后斷開，其中一匝先斷裂，另一匝承受電流倍增，發(fā)熱量升高，軸向膨脹量增大，圓角線圈出現(xiàn)不可逆變形，最終致使圓角區(qū)域完全斷裂。

3.2 故障處理

針對護環(huán)拆開后發(fā)現(xiàn)的故障點及異常情況，修復(fù)過程主要有以下幾點：

1) 拆除斷裂的兩極極間連接線，重新配做后更換，新的焊接頭在線圈軸向直線段，避免其承受離心張力。

2) 因拔護環(huán)時加熱時間長、溫度較高，端部頂匝線圈絕緣受到破壞，為保證絕緣強度，重新對頂匝線圈繞包絕緣，清理可見位置的線圈表面及各回裝的部件，提升轉(zhuǎn)子清潔度，并對拆下的絕緣墊塊重新綁扎刷漆。

3) 優(yōu)化端部線圈最外側(cè)墊塊結(jié)構(gòu)，在墊塊與中心環(huán)之間加裝彈簧板，墊塊外側(cè)沿圓周均勻設(shè)置四個彈簧板，每個板有兩個獨立腔室，彈簧板兩端分別安裝在腔室內(nèi)，腔室空間滿足彈簧板伸縮(如圖3所示)，其作用是配合圓角線圈吸收運行過程中轉(zhuǎn)子線圈的軸向膨脹量，讓轉(zhuǎn)子線圈能夠在不同工況下自由伸縮。

圖3 彈簧板示意圖

處理完后對護環(huán)做超聲波探傷，風扇環(huán)熱套面做滲透探傷，做轉(zhuǎn)子極平衡、RSO(轉(zhuǎn)子匝間絕緣重復(fù)脈沖)、靜態(tài)交流阻抗、直流電阻、絕緣電阻等試驗，試驗數(shù)據(jù)均正常，回裝轉(zhuǎn)子各部件；回裝后再次重復(fù)上述試驗，以保證回裝過程對轉(zhuǎn)子無任何損傷。做轉(zhuǎn)子超速、動平衡試驗，重新配重，最后完成轉(zhuǎn)子校調(diào)后噴漆晾干、包裝出廠。

回廠后做相關(guān)交接試驗，立即進行回穿轉(zhuǎn)子作業(yè)，安裝完畢后按要求對定子、轉(zhuǎn)子做相關(guān)試驗，驗收合格。啟動燃氣輪機至空載滿速，勵磁系統(tǒng)投勵正常，機端電壓正常，振動正常，并網(wǎng)后逐步帶負荷正常，機組恢復(fù)備用。

4 結(jié)語

通過此次修理過程，機組在穩(wěn)定運行時線圈并沒有出現(xiàn)斷裂，繞組斷裂是發(fā)生在本次啟動或上次停機過程中，故障并未造成不良影響。燃氣輪機作為調(diào)峰機組，需要經(jīng)常變工況運行，不同工況下轉(zhuǎn)子所承受的動態(tài)扭矩是不同的[3]。頻繁啟停和深度調(diào)峰使線圈所受的熱應(yīng)力、機械應(yīng)力也在逐漸增大，繞組線棒金屬出現(xiàn)疲勞，失去彈性，溫度升高增加蠕變速率，使線圈出線變形[4]，同時在高速旋轉(zhuǎn)的離心力、電磁力多方作用下造成繞組斷裂，說明變工況對繞組受力的影響重大。

對于此類運行方式的機組，除了常規(guī)檢查維護，還可通過儀器(如孔探儀)對端部繞組定期進行檢查，以發(fā)現(xiàn)可能的變形、松動等異常，運行時加強振動、軸電壓、軸電流監(jiān)測，必要時對端部墊塊結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改造，以限制繞組變形，保證機組在各類工況下都能安全穩(wěn)定運行，延長機組壽命。