汽轮发电机转子引线事故的经验教训

哈尔滨电机厂有限责任公司 王学善

对多达400台的大中型汽轮发电机组在过去的5年运行期间内的运行事故，进行了调查分析。其中涉及到转子励磁绕组线圈引线部件的熔化事故的调查统计结果如下：导电螺栓的熔化事故发生了25次，紧固螺栓熔化事故发生在21根电流母线上；电流引线的熔化事故，发生了19次，紧固螺栓端头断裂发生了7次，导电铜杆螺纹孔内的锥形螺纹熔化发生了2次，转子主轴烧毁发生了5次。研究结果表明，引起转子线圈电流引线铜排部件损坏事故的原因，涉及多种方面，其中包括：电机的型号、螺栓的种类、负荷的性质、运行工况、运行时间、转子振动、结构设计、安装工艺、运行操作、检修经验、定期维护等。

1 事故分析

在过去的5年运行期间内，对多达400台的大中型汽轮发电机组的运行事故进行了调查分析。其中涉及到转子励磁绕组线圈引线部件的熔化和损坏事故的调查统计结果如下：①导电螺栓的熔化事故，平均一年总共发生了25次；② 紧固螺栓熔化事故总共发生了21次；③电流引线的熔化事故，总共发生19次；④紧固螺栓端头熔化或断裂发生了7次；⑤导电铜杆螺纹孔内的锥形螺纹熔化发生了2次；⑥转子主轴烧毁发生了5次。

调查统计与分析研究结果表明，转子励磁电流引线事故的发生原因，与电机的型号、运行的时间、螺栓的种类、负荷的性质等各种因素有关。在已经投入运行的单机容量为120MW及以下的氢气内部冷却型式汽轮发电机中，采用螺栓端头外部表面带有十字花形状凹槽的小号导电螺栓者，大约占3/4。由于这种导电螺栓头部下面用于压紧被连接零件的环形接触面积比较小，它在导电过程中的电流密度就比较大，很容易发生过热，而被熔化。上述产品完成大修以后投入运行的2年内，这种产品中发生小号导电螺栓断裂的就占有66.7%。其中由于疲劳断裂引起的占42.8%，由于微小裂纹引起的占57.2 %。这些微小裂纹在电流引线装配时就已经存在，只是在运行中 受到转轴端部振动增大和集电环温度升高等外部作用力和热负荷作用下而导致断裂。这种早期采用的结构后来已经被逐步更换为螺栓端头外部表面带有“一”字形状凹槽的单槽式大号导电螺栓。

试验研究结果表明，引起转子线圈电流引线铜排部件损坏事故的原因涉及多种方面，其中包括：运行工况、运行时间、转子振动、结构设计、安装工艺、运行操作、检修经验、定期维护等。

1.1 运行工况

电流引线的破坏事故，通常发生在发电机带有负荷运行时。对120MW发电机来说，当有功功率为29.1 %～83.3%时，转子电流引线常常在66.8% 这种功率下发生电流引线事故。由此可见，事故发生以前，发电机是在功率因数接近额定值情况下的无功功率工况下运行。

1.2 运行时间

在运行的一年中，电流引线事故中总数的一半发生在冬季；在一昼夜的运行中，多数事故发生在夜间的22时30分～4时30分这个时间段。分析结果证明：不管是冬季还是夜间，这两个事故高发期都有一个共同的特点，那就是处在发电机负荷比较低的运行时期，此时转子的转速呈现某种程度的增加，因而离心力便增加在，这种比较大的离心力作用下，电流引线紧固部件的压紧力便被减小，从而使通过接触表面的电流阻力增加和电流密度增大，最终导致紧固零件熔化。

1.3 引线结构

在转子励磁绕组线圈回路的一条支路中，如果转子电流引线采用两个平行导电铜杆的结构设计时，它的紧固零件从来就没有发生过熔化现象。实践证明了这种引线结构的引线可靠性。

1.4 操作失误

当紧固零件熔化和励磁电流中断时，保护装置便自行动作，并在信号盘上自动显示出“欠励工况”字样，然而操作人员竟然没有判断出来发电机运行中断的原因，反而增大了励磁电流，促使事故进一步恶化。

1.5 检修失误

在一台120MW发电机上发生的电流母线挠性铜排熔化事故的部位，是在铜排与其相邻接的导电螺栓接触表面之间。事故原因是在大修时检修，人员在导电螺栓接触表面与锁紧垫圈之间装设了一块金属板。在固定紧固螺栓以后，导致接触压力的重新分布，减小了电流通过的截面，并使电流密度增大了将近7倍，导致铜排局部过热并最终造成熔化事故。

1.6 通孔错位

在一次大修中更换导电螺栓与固螺栓时，发现母线铜排与导电螺栓上的通孔不符。为了使紧固螺栓能够插入导电螺栓的孔中予以拧紧，检修人员采用扁铲凿孔，使母线铜排上的开孔延长成为椭圆形。然而却使母线铜排开孔的边缘局部增厚，导致了母线铜排与导电螺栓之间接触压力的重新分布，引起了局部励磁电流的增大和母线铜排的局部温度升高。由此曾经导致下述两种后果：①在转子轴上轴向凹槽内，发热的母线铜排在发电机高速旋转的离心力作用下被压紧时，甚至出现了屈服现象。在发电机停机和母线铜排冷却以后，发现母线铜排长度已经被缩短了12mm。②最终造成与导电螺栓接触处母线铜排的熔化事故。

1.7 螺栓倾斜

由于装在转子轴上的凹槽内和导电铜杆的锥形螺纹孔中的导电螺栓倾斜， 就会导致母线铜排熔化，这种故障带有普遍性。在预防事故的调查报告中，已经明确指出：用于线圈电流引线的导电铜杆中的锥形螺纹孔中，出现任何椭圆或多边形状的变形，都会导致导电螺栓固定的松动和在转子轴上凹槽内扭曲，以及它们相互之间接触紧密程度的破坏。

1.8 螺栓振动

用于导通励磁电流的导电铜杆的螺纹孔变形，是因为导电螺栓振动引起的。引起的原因主要有以下两个方面：①在安装时，如果导电螺栓相对于转子轴上轴向凹槽的中心线错位，而使导电螺栓的安装位置紧贴在槽壁上；②加工螺纹时的攻丝深度不够，也会引起它的振动。当发电机运行中转子以高速旋转时，在重力的作用下，转子中心线会有些弯曲，当电流引线的母线铜排和导电螺栓的安装、固定为正常的情况下，是不会发生导电螺栓振动和导电铜杆螺纹孔损坏的。如果转子轴上轴向凹槽内的母线铜排，没有采用槽楔予以紧密固定，导电螺栓便会以50Hz的频率振动，并引起摩擦腐蚀，并最终导致母线铜排折断。

1.9 螺纹扭曲

如果导电螺栓扭曲，就会引起母线铜排的不均匀拉伸，使母线铜排端头的直角变成11°斜角，并使紧固螺栓与导电螺栓一起倾斜。由于导电螺栓的倾斜，便使导电铜杆孔中的螺纹产生局部弯曲和扭曲，并导致缺陷部位的电流密度增大和导电螺栓及其螺纹的异常发热。在将导电螺栓插入导电铜杆的螺纹孔中时，如果它们不同心，就会使转子轴上凹槽内的导电螺栓紧紧贴在槽壁上，并使导电螺栓被扭曲。

1.10 夹紧程度

采用导电螺栓将母线铜排压紧时，导致其间压紧密度降低的主要原因如下：①紧固螺栓的长度与导电螺栓端头上的钻孔深度不相符；②紧固螺栓过分扭曲和过度拉伸；③在大修期间, 更换和安装新的紧固螺栓和导电螺栓时，没有达到与其螺纹孔的配合紧密，又没有予以校正，有时与导电螺栓相配合的钻孔深度不足，竟然超过7mm以上。在将导电螺栓插入导电铜杆的螺纹孔中时，导电螺栓的端头接触表面会出现凹凸不平，突起部分会高达 2.5mm，引起突起部位的接触压力增加、电流密度增大；而非突起部位的接触压力则减小，甚至减小到零。由于电流密度增大和发热增加，最终导致母线铜排熔化。

1.11 凹槽变形

为了避免或减小导电螺栓上的圆形头部外表面上的（十字花形的双槽式或“一”字形的单槽式）凹槽内部变形，必须采用刃口完好的螺丝刀子类扳手。如果这种凹槽的几何形状出现变形，就会减小螺丝刀子类扳手与凹槽内部表面的接触面积，在拧紧过程中可能会进一步损坏导电螺栓，所以必须采用新的导电螺栓予以更换。检修人员不得采取诸如使用锤子并通过冲子敲击，来打扁突起部分那类维修方法，因为打落的铜屑，会落在母线铜排平坦的接触表面上，形成新的突起不平，会再次导致事故发生 。

1.12 扭力过大

用于制造紧固螺栓的铜材力学性能如下：屈服极限为60MPa～70MPa，抗张强度（通常取为屈服极限的1/3）为20MPa～23.3MPa。如果按照某些技术文件的规定，采用55N-m的扭转力矩，则紧固螺栓的拉伸应力大约为92.7MPa，当量应力为 116.4MPa。与铜材强度相比它几乎比屈服极限大了一倍，但是却比瞬时抗张强度小了一半。如果规定采用40～44N-m的扭转力矩，紧固螺栓就达到了材料的屈服极限，螺纹部分就会产生塑性变形，并使母线铜排上紧固螺栓紧靠导电螺栓端头的压紧力减小大约2/3。如果接触表面状态正常，这种紧固螺栓压紧力的减小就不会引起接触表面的过热；如果接触表面存在缺陷，其间的接触电阻和温度就会明显增大。由于压紧力不足，而继续增加扭转力矩，不但不会使压紧力增加，反而会使紧固螺栓被拉伸延长，最终导致紧固螺栓的端头断掉。

采用的紧固螺栓不是标准件，它的螺纹是直接从零件上车削出来的。计算结果表明紧固螺栓螺纹的切向应力，小于铜材的屈服极限。进行的验证试验结果表明：它的切断与挤压应力，没有超过切断与挤压应力容许值。它的螺纹丝扣切断应力也在切断应力的容许范围内。但是，在拧紧紧固螺栓时，用力过大或扭矩过度时，就会由于超过材料的屈服极限，而导致锥形螺纹丝扣切断。

2 经验教训

根据事故分析调查报告，必须吸取下述几方面的经验教训。

2.1 采用两对螺栓

在转子励磁绕组线圈电气回路的一个支路中，如果采用设置有两对平行的导电螺栓的引线结构，它的运行安全可靠性要比只有两个导电螺栓的引线结构高得多。在过去的5年运行期间，采用前者结构的汽轮发电机，一次也没有发生过其转子线圈引线接触零件熔化的事故，而后者却发生了19次这种事故。

2.2 采用单槽螺栓

采用单槽式结构的导电螺栓时，引线部件结构的运行安全可靠性要比双槽式结构高得多。引起转子线圈电流引线铜排熔化的原因，主要是因为用于压紧铜排的导电螺栓与铜排之间的接触面积，如同双槽式结构那样被局部减小，从而导致接触部位的电流密度增大，并使引线铜排熔化。

2.3 校正裂纹丝扣

有些汽轮发电机转子线圈引线上导电螺栓和导电铜杆的螺纹被熔化，那是因为导电铜杆螺纹孔中的导电螺栓扭曲，从而使接头处的接触面积被局部减小和电流密度增大引起的。

2.4 接触表面要平

如果汇流母线铜排表面上用于紧固导电螺栓的接触表面不平，而把铜排放在导电螺栓的端头上予以固定，这是不允许的。因为这样做就会使导电螺栓熔化。不仅要保证接触表面的平整，还要确保两个接触表面之间的平行度。在将导电螺栓旋入导电铜杆上的螺纹孔内以后，如果发现导电螺栓与转子轴上的凹槽不同心，就要测量导电螺栓与转子轴表面之间的不平行度。如果这个不平行度大于5°，就要拧出导电螺栓，并修理导电铜杆上的螺纹孔。

2.5 扭力不要过大

在旋紧连接螺栓和导电螺栓时，不要用力过大，以至超过规定的扭转力矩。 最好采用专用的力矩扳手。

3 结论

在大中型汽轮发电机运行事故的调查报告中，发生转子线圈电流引线铜排损坏事故的比率相当高，经济损失也很大，必须引起高度重视。

引起转子线圈电流引线铜排部件损坏事故的原因涉及多种方面，其中包括：运行工况、运行时间、转子振动、结构设计、安装工艺、运行操作、检修经验、定期维护等。

本文提供的经验教训来自于运行实践，付出了很大代价，对于相关部门会有重大启发。