大型汽轮发电机转子烧损的经验教训

于旭东

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

某发电厂350 MW汽轮发电机组停机检修，拆卸汽轮发电机并抽出转子以后进行检验时，发现转子表面有多处烧损情况。检查结果表明，它们主要发生在转子槽楔相互之间的结合面处、槽楔与转子本体的结合面处、转子表面与槽楔实施洋冲锁紧的槽楔与槽楔连接处，这些烧损部位共有38处之多。根据经验判断，这是一种典型的、也是一种长见的负序电流烧损案例。当电力系统发生不对称短路或负荷三相不对称时，所产生的负序电流可能使发电机转子严重受损，甚至导致转子报废[1]。本文介绍引起这种损伤的原因、负序电流的危害、负序电流的限值、损伤的修复方法以及应当吸取的经验教训。

1 负序电流的危害

当发电机转子的旋转方向和旋转速度与三相正序对称电流所形成的正向旋转磁场的转向和转速一致时，即转子的转动与正序旋转磁场之间没有无相对运动，便处于同步状态。当电力系统发生不对称短路或三相负荷不对称(比如接有电力机车、电弧炉等单相负荷)时，便在发电机定子绕组中产生负序电流。该负序电流在发电机气隙中产生反向旋转磁场(与正序电流产生的正向旋转磁场相反)，它相对于转子来说具有2倍的同步转速，因此在转子中就会感应出频率为100 Hz的电流。该倍频电流主要流经转子本体、槽楔和阻尼条，而在转子端部附近沿周向形成闭合回路，这就使得转子端部、护环内表面、槽楔和小齿等的接触面部位，就会出现就像电焊施工那样的局部烧熔，严重时会使转子护环受热膨胀、甚至松脱，导致灾难性后果[2]。在负序(反向)气隙旋转磁场与转子电流之间，正序(正向)气隙旋转磁场与定子负序电流之间所产生的频率100 Hz交变电磁力矩将同时作用于转子大轴和定子机座上，引起频率为100 Hz的倍频振动。

2 负序电流的限值

为了预防这类事故的发生，发电机都具有一定的负序电流的承受能力，这主要取决于转子的负序电流发热条件(即负序电流的平方与其持续时间的乘积)，而不是发生的振动。

按照国家标准规定，发电机应能承受一定数量的稳态和瞬态负序电流。当三相负载不对称时，每相电流均不得超过额定定子电流(IN)，而且其负序电流分量(I2)与额定定子电流(IN)之比I2/IN值必须符合GB/T 7064—2008的规定才能连续运行。当发生三相负载不对称的故障运行时，其负序电流分量(I2)与额定定子电流(IN)之比的平方(I2/IN)2与持续运行时间t的乘积(I2/IN)2t，也应符合该标准的规定(见表1)。

3 负序电流的安全保护

从现场的保护设备记录数据查询结果表明，发电设备长期运行中发出保护报警信号时的负序电流保护整定值设定为960 A。然而，在机组两年多的运行期间里，并没有出现过负序电流过大的报警信号，也没有查询到其它报警信号。至于机组运行数据的查询，由于故障录波器没有记录下发生故障时的相关数据，只能通过查阅大量的现场机组运行数据来查找负序电流的大小。

表1 电网负荷不平衡时汽轮发电机的负序电流承受能力(限值)

查询结果表明，在该机组两年的所有运行数据中，查到的最大负序电流为304.69 A(相当于2.56%的IN)。虽然在这段期间曾经发生过几次事故，如电网事故、变电站变压器事故、励磁设备事故(甚至引起转子接地报警)等，但是其负序电流都远未超过保护整定值960 A。

4 转子烧损的原因

查询结果表明，在机组运行过程中，电网曾出现过负荷不平衡的情况，尤其是单相负荷的投入或切除时，会使得负序电流迅速陡变。负序电流曾经在短时间内(1～2 s内)从140 A左右突然升到276.45 A。这种引起负序电流迅速加倍增大的结果会引起稳态负序电流过大或者暂态负序电流(I2/IN)2t超限，在转子上感应出2倍工频(100 Hz)交变电流[3]。由于集肤效应的作用，倍频交变电流主要在转子表层流通，经转子本体、槽楔和阻尼条，使得转轴表层和转子槽楔等零部件的接触面处发生焦耳效应、引起火花放电而烧损。这是本机故障的主要原因。

5 转子烧损的修复方法

(1) 拔下转子两端护环，拆除全部转子绕组以后，对护环、转子线圈、转子下线槽以及转子槽楔等进行彻底清理(必要时对其进行探伤检验)，全部清理干净以后重新装配，恢复原状。

(2) 所有槽楔灼伤处全部打磨修理并清理干净后回用，复测相邻槽楔对接处的高差；更换所有导电连接块，调整其配合尺寸，增大其接触压力，保证其在运行中的可靠接触，最后将回装后的转子进出风槽楔调整到正常位置，用洋冲重新锁住槽楔，以保证转子通风风路畅通不被槽楔挡住。

回装完毕后按标准要求进行对该转子直流电阻、绝缘电阻、交流阻抗、耐压试验[4]。

6 经验教训

由于负载的复杂多变，包括电网在内的任何电力系统，尽管都普遍装设了电力系统稳定装置(PPS)，但还是很难完全避免出现三相负载不平衡状态下的运行工况。所以，发电厂应当采取自我保护措施，装设负序电流安全保护装置。但是其整定值不应当设定太高，以免即使转子烧毁了而保护装置却没有动作，未能发挥安全保护作用；同时也不能设定太低，转子没有损伤而保护装置动作，断电跳闸，使发电厂蒙受经济损失，同时又使电网承受负载不平衡的第二次冲击。所以，负序电流安全保护装置限值的设定，必须结合实际情况进行优选，而且要满足国家标准的要求。这就是经历这次损伤事件应当吸取的经验教训。

7 结论

(1) 由于电力系统负载的复杂多变，很难完全避免出现不平衡的运行工况，要求发电机必须具备符合国家标准规定的负序电流承受能力。

(2) 作为电力系统的电网部门在装设电力系统稳定装置的同时，仍然要采取更多的有效措施来防止负载的不平衡和动荡。

(3) 发电厂的负序电流安全保护装置的动作限值，应当联系实际情况经过优选来设定，杜绝那种已经发生转子烧损而保护装置因设定偏高而不作为的现象。

[1] 汪耕.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，2012.

[2] 张学延.汽轮发电机组振动诊断[M].北京：中国电力出版社，2008.

[3] 张征平.大型发电机转子故障分析与诊断[M].北京：中国电力出版社，2011.

[4] 李永刚.发电机转子绕组匝间短路故障特性分析与识别[M].北京：中国电力出版社，2009.