一起发电机内部异响故障的问题探究

苏晓亮

0 引言

南方某电厂2#发电机是哈尔滨动力设备有限公司生产的330MW全氢冷型汽轮发电机，2009年3月投入商业运行。在第一次大修完成后的启机过程中，当转子转速较低时，发电机内部出现“咚、咚”的响声。

1 异响问题的特征

现场对2#发电机进行了启机时的升速及打闸后的降速试验，转子绕组均未施加励磁，因此处于空转状态。期间仔细侦听了2#发电机内部的异常响声。该异响问题的发展过程可归纳如下：

（1）盘车状态下，发电机内部无异响。

（2）启机升速至30～260r/min范围时，发电机内部开始出现“咚、咚”的异响，且异响发生的频率与转子的转速一致，即转子每转动一圈，异响就发生一次。

（3）当转速高于300r/min时，异响消失。

（4）转速继续升高到500～700r/min时，异响没有出现；当转速继续升高到700～3000r/min时，异响也没有出现。

（5）汽机打闸后，发电机转速开始下降。当转速降至260～30r/min时，异响又开始出现。

（6）当转速低于30r/min时，异响消失，直至盘车状态，异响也没有出现。

从声音的响度来看，当转速处于150～180r/min范围内时，声音最响；其他转速下，声音较弱；而在异响刚开始出现或即将消失时，声音最弱。当侦听部位从励端向汽端移动时，发现异响声明显变弱，说明汽端的异响声从是励端传过去的，因此，发出异响的部位在发电机励侧[1]。

2 异响原因分析

根据现场侦听到的情况来分析，认为造成异响的原因是转子励端护环下方转子端部绕组的某一楔块发生了松动。这种楔块松动的现象在广东省内不少大型发电机上都曾经出现过，如某电厂的2#发电机（600MW），当时转子也未施加励磁、处于空转状态，当转速低于300r/min时，转子励端就会发出这种异响声，其发声频率也与转子的转速一致，后拔掉护环检查，发现是一楔块松脱所致。从发生异响的情况来看，两者具有高度的相似性。另外，在其他类似电厂也曾经发现转子护环内部有楔块掉出来落到发电机定子膛内的现象。因此，发电机内部出现这种异响现象并不罕见。

那么，除了因转子护环下方的楔块松动造成异响外，还有没有其他原因也会造成异响呢？2009年4月，湛江某电厂2#发电机（300MW）在正常带负荷运行时，就曾因铁芯外部与定子外壳之间的通氢管道松脱而发出异响。2#发电机只要运行在210～230MW区间内，发电机内部就会出现“咣当、咣当”的金属碰撞声；而一旦偏离这一负荷区间，异响声就会自行消失。后经分析，这种异响问题是由于当发电机运行在这一特定的负荷区间内时，电磁力以及各种应力的综合作用使得松脱的通氢管道发生共振而产生了异响。这种异响的频率与转子的转速不一致，它是一种频率很低的碰撞声，远低于转子3000r/min的转速。因此，这种现象显然与本厂2#发电机内部的异响情况不一样。即便本电厂2#发电机内部有松动的部件，由于转子还处于空转状态，尚未施加励磁，各种部件未受到任何电磁力的作用，因此不会造成共振而发出异响。如果是因为转子转动时因机械应力的传递而产生共振，它也不可能会在30～260r/min这么宽的转速范围内发生共振。况且，电厂方面已对2#发电机内部进行过仔细检查，未见任何松动的部件。因此，对于本厂2#发电机而言，完全可以排除因此类部件松脱造成异响的可能性。

转子端部绕组的楔块松动后，为什么会产生异响呢？我们可以用下面的图1来做一简要说明。

图1 转子护环内部端部绕组及楔块相互之间的位置关系示意图

从图1中可见，楔块插在两个线圈端部绕组之间，对两个线圈端部绕组起着紧固作用[2]，防止端部绕组在运行中发生不对称的位移以及匝间绝缘垫条移位。正常情况下，楔块夹在两个线圈之间，与两个线圈之间有一定的紧力。但由于线圈在制造厂嵌入下线时，每两个线圈之间的间隔并非完全一样宽，而楔块的厚度却是同样的，因此，每个楔块在两个线圈之间受到的紧力就不一样，有的较紧，而有的却较松，这都是正常现象。

当转子转动时，楔块不仅受到本身重力以及两个线圈对它的紧力的作用，而且还受到甩向外部的离心力的作用。当楔块转动到图1中的A点时，重力和离心力的方向一致。当楔块随转子转到C点时，楔块的重力与离心力方向相反。当转子转速不高时（例如转速低于30r/min），无论在A点还是C点，紧力均大于离心力与重力的合力，因此，楔块仍将固定在两个线圈之间，不会发生移动。当转子转速在一定范围内时（例如处于30～260r/min），离心力的作用开始增大。当转子转到A点时，若紧力小于楔块的重力和离心力之和，楔块将向护环及其下方的绝缘层移动并发生撞击声。当转子转到C点时，由于离心力尚小于重力，楔块将脱离护环并回落至原来的位置。当转子再次转到A点时，楔块又将重复上一次在A点的运动形式，与护环发生撞击。因此，撞击声的频率与转子转速相吻合。当转子转速继续增大时（例如大于260r/min），离心力大于楔块的重力，即便在C点位置，楔块也不能自动回落到原来的位置，而是继续贴紧在护环内表面。这时，楔块将不再与护环内表面发生撞击，因此，撞击声就消失了。

3 对运行的影响

由于转子通常工作在额定转速下，松动的楔块在离心力的作用下，紧贴在护环内表面，不会来回发生撞击，因此，并不会影响发电机带负荷运行。但对于调峰运行的燃气轮发电机来说，情况比较特殊，这主要是因为燃气轮发电机每天启机、停机各一次，松动的楔块在两个线圈之间来回移动的次数要远远高于普通的汽轮发电机（以每次启机或停机各发出异响100次来计算，楔块在一年内将发生100×2×365=73000次）。因此，楔块很容易发生磨损。若楔块发生严重磨损，对发电机的运行主要有以下两点不利影响：

（1）可能由于楔块发生严重磨损，造成两个线圈端部之间的间隙太大。当线圈端部失去紧力支撑后，在运行中就可能发生不对称的位移，并可能逐渐发生匝间短路故障，引起发电机转子异常振动等其他一系列问题。

（2）在发电机启机、停机过程中，转子护环下方松动的楔块可能掉出来，落到发电机定子端部绕组上，并随着发电机定子绕组的端部振动而振动。如果落下的楔块紧贴住定子绕组端部线棒，在振动中与线棒表面的绝缘层发生碰磨，那么随着时间的推移，将逐渐磨穿线棒表面的绝缘层，并最终导致定子短路接地故障[3]。

4 结语

在机组实际运行中，工况复杂多变，基于上述考虑，对2#发电机的后续运行提出以下建议：

（1）在每次启机或停机时，应尽量缩短转子在30～260r/min转速区间运行的时间，从而有效减少楔块与线圈之间的摩擦次数。

（2）在每次启机或停机时（甚至在发电机带负荷运行时），均应安排专人对异响声进行监听，以便及时发现异响声的变化情况。

（3）一旦发现异响声消失，可能说明楔块已从转子护环中掉了出来。根据上述分析，脱落的楔块可能成为威胁发电机安全运行的隐患。因此，应及时予以排查，消除隐患。

［参考文献］

[1]吴希再.电力工程[M].武汉：华中理工大学出版社，2003.

[2]熊信银.发电厂电气部分[M].3版.北京：中国电力出版社，2004.

[3]刘介才.工厂供电[M].北京：机械工业出版社，2004.