390H发电机转子导电螺钉故障分析

顾青，俞华峰

（江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏 常州 213011）

390H发电机转子导电螺钉故障分析

顾青，俞华峰

（江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏 常州 213011）

390H发电机在国内投入运行后，转子导电螺钉出现故障的几率较高。结合现场鉴定、检修等工作，介绍了390H发电机集电环导电螺钉、主引线导电螺钉的结构特征，分析了故障原因，提出了具体的检修维护建议。

390H发电机；转子导电螺钉；故障分析

0 引言

江苏华电戚墅堰发电有限公司（以下简称戚墅堰发电公司）＃1和＃2机组为390MW S109FA型单轴燃气-蒸汽联合循环（GTCC）机组，配套GE公司390H型发电机，分别于2005年11月、12月投入商业运行。投入运行后，转子导电螺钉出现故障的几率较高，本文针对该问题进行分析。

1 390H发电机概述

390H型发电机主要参数：冷却方式，转子直接氢冷，定子氢外冷；外形结构，单端驱动，端盖轴承；额定转速，3 000 r／min；输出功率，398 MW；功率因数，0.85；额定容量，468MV·A；额定电压，19 kV；额定频率，50Hz；氢压，413.8 kPa；效率，99.02%；绝缘等级，转子F级，定子F级以上；温升，B级标准；励磁系统，母线供电静止励磁；冷却方式，全氢冷；定子质量，267.0 t；转子质量，64.4 t；机组总质量，

367.0 t。

390H型发电机采用隐极式转子，由整段高强度、高导磁性合金钢锻制加工而成，全长约12 m。转子护环由非磁性高机械性能合金钢锻制而成，热套于转子本体及中心环上，与转子本体和中心环之间均有环键固定。中心环是从转轴锻件上加工下来的，为悬挂式结构，对护环起着固定、支撑和使其保持与转轴同心的作用，同时防止转子端部绕组轴向位移。

390H发电机转子额定励磁电流2 019 A，额定励磁电压750V，励磁绕组额定最高温度120℃。线圈采用辅槽通风冷却，与常见的气隙取气斜流通风方式不同，转子端部线圈处铣通风沟，进风沿线圈至径向通风孔排出。

转子每极有9组线圈，每圈12匝，线圈由含银铜线冷拉并弯制成的C型线棒焊接而成，通过中频焊焊接形成1匝。接头焊接形式为直面对接，与常见的燕尾式接头或Ω接头有所不同，对焊接合缝面的间隙要求较高，熔合面积必须大于75%。转子整体采用全阻尼结构，槽楔下的阻尼条与转子两端的阻尼瓦连为整体阻尼笼，提高正常运行及机组启动时发电机作电动机运行时由静态启动装置（LCI）变频驱动的抗负序电流能力。

390H发电机集电环用耐磨锻钢制成，直径400 mm，环宽170 mm，有表面螺纹斜槽（每极9槽螺纹），与绝缘筒共同热套在转子励端。集电环电刷每极7组，每组4个，型号为228C7434P01。

EX2100静态励磁装置提供的励磁电流通过碳刷实现转子动静部分的能量输入，励磁电流通过集电环导入。集电环与转子绕组通过装配在转子锻件中心孔内的半圆形正、负极导电杆进行电连接。每根导电杆两侧通过主引线导电螺钉、集电环导电螺钉分别与转子绕组和集电环相连。导电螺钉在空间上互呈180°对称装配在转轴径向孔中。

2 发电机转子集电环导电螺钉故障分析

由于燃气轮机机组主要以调峰方式运行，发电机转子导电螺钉不仅在频繁的机组启、停中受到径向剪切力的影响，还受到转轴中心孔导电杆轴向热胀冷缩的作用。截至2012年年初，全球59台由GE公司制造的390H型发电机中，主引线导电螺钉松脱造成转子接地的案例有4起，其中3起在中国，分别发生在望亭电厂、珠江电厂和半山电厂。

2.1 集电环导电螺钉与导电杆螺纹连接处闪络

390H型发电机采用双密封结构集电环导电螺钉，除负责输送集电环与中心孔导电杆之间的励磁电流外，还担负着运行中发电机转子对外的氢气密封（另有一处中心孔堵板），其结构如图1所示。

图1 集电环导电螺钉的剖面结构

2007-04-13 T 11：58，半山电厂＃1燃气轮机离线水洗作业进入第10次漂洗时，控制系统发出“转子接地”报警，燃气轮机水洗程序中断。故障发生后，GE公司派专家现场检查，发现故障发生在负极集电环导电螺钉与导电杆的接触面上，由于电弧引起集电环与转子绕组之间的导电连接处损坏，造成转子一点接地。

2007年4月27日，发电机转子抽出并送维修工厂维修。9月20日，返回半山电厂现场回装。整个检修工作于9月30日结束，机组启动并网发电，并网后运行正常。

2007年11月16日，GE公司通报＃1发电机转子接地故障分析结果，认为该发电机转子在制造过程中存在质量问题而导致故障，可能原因如下：导电螺纹表面质量不佳；安装时力矩不正确，造成导电螺丝松动；导电螺丝在安装时未拧到位；以上问题是明显的装配不当造成的。

由于GE公司认为此类故障在同类燃气轮机中发生的概率小于0.1%，所以不建议对其他机组进行同类检查。

作者认为：由于集电环导电螺杆与导电杆通过螺纹连接，同时需兼顾氢气密封，安装时精度要求较高（扭矩87.9～108.2N·m），故在怀疑集电环导电螺钉接触不良时，用木锤或胶锤轻击导电螺钉看直流电阻有无变化（注意：敲击时切勿击打导电螺钉顶部气密试验用沉头螺丝）。

2.2 集电环导电螺钉漏氢

2010年5月4日中班，戚墅堰发电公司运行人员在＃2发电机启动前的巡检中，偶然发现手持式检漏仪检测集电环罩壳内部时有报警，后多次在机组启动及带负荷状态下检查，检漏仪均未报警。经检修人员仔细查找，确认氢气出自内环极集电环导电螺钉，但发电机膛内氢压无下跌且3个集电环罩壳危险气体探头无报警。

鉴于发电机氢压无下跌趋势，机组直至当年9月25日才进行消缺。9月25日10：00，将退出盘车并完成氢置换的＃2发电机膛内充仪用压缩气体升至0.4MPa，在渗氢缺陷部位拆掉分流环及内、外铜螺母、钢螺母后进行气密检漏。灌入无水乙醇，发现气体从导电螺钉的本体部位逸出，证明导电螺钉本体或密封件确有渗氢现象。

剔除导电螺钉四周白色硅橡胶，灌入无水乙醇仅淹没到密封圈上部，未发现气泡，证明密封件没有渗氢现象。再次灌入无水乙醇淹没到导电螺钉本体绝缘上部，发现气泡，判断导电螺钉本体导电部分与绝缘套脱壳。

更换导电螺钉及其密封件后，立即进行了导电螺钉的气密试验。拆开导电螺钉顶部的气密试验用沉头螺钉，充压0.55MPa，保持45min未见变化，即试验合格。经过消缺后，＃2发电机至今运行良好。

3 发电机转子主引线导电螺钉故障分析

3.1 主引线导电螺钉松动故障

继国内3家109FA燃气轮机电厂发生转子主引线导电螺钉松动问题之后，2012年12月华兴电厂＃2发电机、2013年1月戚墅堰发电公司＃1发电机相继在检修中发现相同问题。390H发电机护环下主引线导电螺钉的剖面结构如图2所示。

图2 主引线导电螺钉的剖面结构

2011年9月10日，珠江天然气发电厂＃2发电机在盘车状态下出现发电机转子接地故障。拔出励端护环后发现内环极主引线导电螺钉能略微晃动，焊开其与＃1线圈底匝的连接后，晃动幅度明显增大，螺钉的锁紧螺母能旋转2／3圈，径向可向下移动一两毫米。拆下的主引线导电螺钉及导电杆连接处有明显的磨损痕迹，导电螺钉外侧覆盖有铁质黑粉。

由于内环极主引线导电螺钉的锁紧螺母没有拧紧，在发电机启停中导电螺钉左右晃动，长时间的盘车使导电螺钉与导电杆、锁紧螺母间摩擦产生金属粉末，弥漫并覆盖在主引线导电螺钉的绝缘层上，使导电螺钉与转轴短接，造成接地故障。

由于主引线导电螺钉的软连接（鹅脖）与转子＃1线圈焊接固定，长时间的螺钉摆动造成软连接与螺钉本体衔接的根部发生疲劳断裂。

由于390H型发电机中主引线导电螺钉松脱造成转子接地的案例在国内发生4起，GE公司紧急出台了TIL1836《Generator Field Main Terminal Inspection》。技术通报中要求在390H发电机定期大修或小修期间执行下列电气试验：转子绕组直流电阻测量；转子绕组对地绝缘电阻的测试；当试验数据异常或随转子旋转而发生偏差时，应进行导电螺钉的外观检查，包括护环底部、转子中心孔区域的内窥镜检查。同时，要求将详细的检验报告（包括照片和测试结果）提交到GE公司。

作者认为：在实际检修中，转子中心孔区域的内窥镜检查不适用于390H型发电机。

3.2 主引线导电螺钉导电接触面的对比和结构改进

2012年 2月及 5月，戚墅堰发电公司根据TIL1836技术通报，在＃1和＃2机组检修中对2台390H发电机的主引线导电螺钉进行了重点检查，包括内窥镜检查主引线螺钉鹅脖是否有疲劳性裂纹，盘车后主引线导电螺钉锁紧螺母处是否存在金属粉末，检测转子绕组在每盘动转子30°（后GE公司推荐为每隔45°）下直流电阻、绝缘电阻的变化，均正常。

2013年1月21日，发现＃1发电机修前试验数据不合格，主要表现为转子绕组直流电阻值异常。盘动转子各角度下，每次测试直流电阻发现有超过2%的变化，其相互间最大差值达4.72%，并在同一位置前后两次测得的直流电阻值不一致，总体直流电阻在269.1～281.8mΩ之间，而绝缘电阻则在合格范围内。

2013年1月24日，发电机转子抽出，在两个主引线导电螺钉处目视检查均无金属粉末痕迹。为了进一步判断故障点，在转子绕组直阻测试中轻击内、外环极主引线导电螺钉，在内环极导电螺钉触碰时直流电阻有明显变化，确定该主引线导电螺钉松动。

2013年1月28日，各项准备工作处置妥当后拉转子励侧护环，经过2天抢修将两个主引线导电螺钉更换完毕。1月31日电气试验合格，同日完成了发电机穿转子工作。

在本次检修中，戚墅堰发电公司更换了GE公司2012年下半年推出的带防松结构的改进版主引线导电螺钉，主要体现在锁紧螺母的螺纹处增加了径向开槽，并增加了2个螺纹锁紧钉，通过减少锁紧螺母的牙距达到增强主引线导电螺钉锁紧程度的目的，防止发电机在调峰运行方式下频繁启停导致主引线螺钉松动。

4 结论

根据GE公司TIL1836发电机转子主引线导电螺钉检查的技术通报：1台机组已经累计盘车超过1000 h或启动800次（先到者为准），如果检查没问题，机组可重新恢复到机组操作维护手册上的常规停机检查范围和进度表。

戚墅堰发电公司＃1发电机在2012年2月检修时累计盘车时间已超过1 000 h，转子不同角度的直阻测试没有发现问题。2013年1月9日，检修中发现主引线导电螺钉松动的华兴电厂＃2发电机，在2011年11月底的直流电阻测试中也检查良好。2台发电机暴露的问题证明，TIL1836的部分通报内容已不适用于现场实际。珠江天然气发电厂检修中发现的接地故障，早期未必能在内窥镜检测中发现。因此，建议有390H型发电机的电厂仍要定期进行发电机转子不同角度下直流电阻的测量，并做好相关备品、备件的采购和更换准备工作。

［1］汪耕，李希明.大型汽轮发电机设计、制造与运行［M］.上海：上海科学技术出版社，2000.

［2］张道纲，曹广恩，朱松健.大功率汽轮发电机及其运行［M］.北京：水利电力出版社，1986.

［3］刘财碧.600MW发电机转子匝间短路及接地故障分析［J］.华电技术，2011，33（9）：61-64.

［4］王忠明，郭卫军，章震国.390H型发电机一次转子接地故障的分析和处理［J］.华电技术，2012，34（12）：46-48.

［5］李锋，刘海霞.转子一点接地故障原因分析及处理措施［J］.华电技术，2013，35（80）：41-42.

（本文责编：白银雷）

TM 307

：B

：1674-1951（2015）04-0055-03

顾青（1979—），男，江苏无锡人，助理工程师，从事燃机电厂电气设备的检修、技改及管理工作（E-mail：gqie＠163. com）。

2014-07-10；

2015-03-20