大型汽轮发电机近年来事故原因及防范对策

大型汽轮发电机近年来事故原因及防范对策大型汽轮发电机近年来事故原因及防范对策 冯复生 ( 华北电力科学研究院，100045 北京 ) 国产 200 MW、300 MW 汽轮发电机的安全运行问题，一直受到厂家及发电厂的重 视。据不完全统计，19831995 年间，在 20 台 200 MW 国产汽轮发电机中，总共发 生了 24 台次的发电机定子绕组短路事故。大部分事故发生在 19871992 年期间，其中 有 14 台机上发生了 18 台次的定子绕组短路事故，占事故总台次的 75%。1992 年内，最 多发生 5 台次短路事故。近年来，国产 300 MW 汽轮发电机定子事故及故障有所抬头。 多年来，机械部和能源部领导及工程技术人员为了提高国产大型汽轮发电机的安全 水平作了不少努力。1988 年初，两部委托中国电工技术学会及中国电机工程学会，组织 专家组对事故原因作了调查；1991 年 35 月，原能源部电力司再次组织专家调查组， 1991 年 6 月两部召开了防止国产大型汽轮发电机定子端部短路事故专题讨论会。同年 9 月，原能源部电力司召开了加强大型汽轮发电机运行维护现场经验交流会。根据当时 200 MW 发电机运行情况，每次会议针对发电机存在缺陷所提出的相应对策是有效正 确的，发电厂采取措施是积极主动的，为遏制 200 MW 发电机事故的发生起到了积极 作用。同样，300 MW 发电机事故与故障也受到两部领导及技术人员的关注，有关单 位将采取积极措施以防止事故的重复发生。 1 1 定子短路事故的主要原因及特点定子短路事故的主要原因及特点 1.11.1 200200 MWMW 发电机发电机 根据调查分析，200 MW 定子短路的主要原因从总体上讲，系产品结构不合理、 绝缘施工及端部固定工艺不良、检验不严格、铜线焊接工艺差和材料选用不适宜等因素 为事故的主导原因，其中以引线手包绝缘整体性差、鼻端绝缘盒填充不满、绝缘盒与线 棒主绝缘末端及引水管搭接处绝缘处理不当、绑扎涤玻绳固化不良以及端部固定薄弱(包 括引线存在 100 Hz 固有频率和铜线疲劳断裂)等问题尤为突出。事故中暴露的问题与 两次调查组涉及的定子端部线圈设计、施工工艺与材料选用存在问题及管理不善完全相 符。 事故机组普遍存在密封瓦漏油、轴封漏汽及机内氢气湿度达不到标准，甚至机内出 现结露等问题，这些问题使先天有制造缺陷的薄弱部件，其绝缘水平进一步降低，引发 了事故。此为事故发生的外因。 1.21.2 300300 MWMW 发电机发电机 近年来，国产 300 MW 汽轮发电机发生故障与事故引起了有关部门的重视，为防 范事故的发生所采取的措施与经验教训也值得 200 MW 机组借鉴。根据电力部安生司 关于国产水氢氢 300 MW 汽轮发电机近期几起短路事故和故障调查材料表明，定子内 冷水系统故障与厂家遗留隐患原因较为突出。据 19931995 年不完全统计，容量为 300 MW 及以上发电机(包括不同冷却方式的汽轮发电机与水轮发电机)发生事故及故障总共 138 台次，其中发电机本体故障为 53 台次，励磁机系统为 45 台次，其它辅助设备等为 40 台次，详见表 1 所示。 表 1 300 MW 及以上机组事故与故障概况 序 号 项目 事故总 台次 占事故总台次的百 分比/% 事故与故障原因 事故次 数 发电机定子内冷水系统断水、堵塞、引 水管破裂等 29 定子绕组空芯导线漏水 4 转子绕组空芯导线漏水 7 定子绕组端部松动 4 定子绕组绝缘不良 2 定子端部线圈存有金属异物 1 转子绕组严重匝间短路 1 1 发电机 本体 53 38.4 其它 5 MK 断路器挂闸不好，机械断裂 4 励磁调节器元件损坏 8 转子滑环环火 4 整流柜温度高 2 主励振动大，副励定子绝缘烧损 2 主、副励磁机不同心 1 失磁原因不明 14 2 励磁系 统 45 32.6 其它 10 3 其它设 备 40 28.9 因断路器、互感器、电缆、变压器等设备 引起的机组停电 40 由表 1 可以看出，发电机定子内冷水系统的事故与故障较为突出，发生 29 次，占发电 机事故总台次的 54.7%。关于励磁机系统及机组其它设备的事故原因本文不作详细分析， 可见其它专题材料。 发电机定子水路堵塞造成的事故，有的抢修时间长达 1 000 h，少发电量上亿千瓦 时，给电网带来很大的经济损失。典型的事故事例见表 2 所示。 1.1.1 19931995 年 300 MW 及以上发电机本体 表 2 大型汽轮发电机定子水路堵塞典型事故 发电厂及 机号 事故时间 定子水路堵塞事故、故障的后果 少发电量 /GWh 机组停运时 间/h A 电厂 4 号机 1993-07-23 定子引水管堵塞、汽侧第 7 根线棒过热流胶， 定子温度达 90 59. 60 199 B 电厂 11993-10-02 定子进水滤网破裂，线棒过热炭化流胶，定子36. 00 104 号机 温度高达 150 C 电厂 1994-07-29 定子第 7 根线棒堵塞过热 1296. 00 432 D 电厂 1 号机 1994-07-17 槽内检温计超温报警，线棒烧熔；在抢修中发 现另三根线棒堵塞 284. 31 1053 E 电厂 1 号机 1994-08-11 定子引水管不锈钢接头根部断裂，漏水引起定 子短路 273. 60 912 F 电厂 4 号机 1995-01-07 定子线棒堵塞，定子温度高达 92. 9 18. 65 63 G 电厂 1 号机 1995-06-10 定子线棒堵塞，定子温度高达 136，绝缘呈 粉状，铜线开裂 / / 事故原因分析 300 MW 及以上发电机本体事故及故障统计分析如表 3 所示。表 3 说明： (1)定子内冷水系统事故中断水事故为 14 台次，占发电机事故总台次的 26. 4%，定子 回路堵塞事故为 9 台次，占事故总台次的 16. 98%。 (2)定子空芯铜线破裂漏水事故在两台机组(QFS-300-2)上共发生 4 台次，其中同一台 机组 19931994 年因厂家空芯铜线质量问题而发生 3 次事故。 (3)由于定子端部松动，在 3 台机组上发生 4 台次事故，其中 2 台机组型号为 QFS-300- 2 型，另一台为按美国西屋公司设计的 QFN-300-2 型。 (4)定子绝缘事故共 2 次，一次发生在型号为 QFS-300-2 的汽轮发电机上，另一次发生 在型号为 TS1260/200-48 的水轮发电机上。这表明 300 MW 汽轮发电机的绝缘事故率有 明显下降。 1.1.2 定子内冷水系统事故的原因分析 (1)定子内冷水堵塞事故原因 1)内冷水过滤网结构不合理，造成过滤网破裂，使杂物进入定子水路引起堵塞； 表 3 19931995 年 300 MW 及以上发电机本体事故统计 项 目 事故 台次 占发电机本体事故 总台次的百分比/% 定子水回路断水 14 26. 40 定子水回路堵塞 9 16. 98 定子引水管破裂等 5 9. 43 定子空芯铜线中残留水引起 绝缘涨裂 1 1. 88 定子空芯铜线断裂漏水 4 7. 54 转子空芯铜线漏水 7 13. 20 定子绕组绝缘不良 2 3. 77 定子端部固定松动 4 7. 54 定子端部存在异物 1 1. 88 其它 6 11. 30 2)厂家管理不严，做线棒分相水压试验时，橡皮封堵遗留在进水三通内，造成水路严 重堵塞； 3)安装及检修中，没有及时清除过滤网后面的杂物而引起定子内冷水堵塞； 4)内冷水过滤网清扫不及时，造成过滤网上因杂物而堵塞内冷水； 5)内冷水 pH 值不合格，造成因氧化铜而堵塞水流。 (2)定子内冷水断水事故原因 1)运行维护不当，造成水箱水位过低，使定子内冷水流量偏小，运行中发电机断水保 护动作停机； 2)运行中水量波动大，造成断水保护动作； 3)定子内冷水泵无安全阀，水路汽化中止流量； 4)定子水泵振动大，水泵辅助接触器不良而引起断水； 5)定子引水管相碰破裂； 6)定子断水保护压力取样点因设计错误造成机组人为断水。 (3)定子引水管破裂原因 1)引水管之间相碰或引水管与外壳相碰，运行中因振动而造成引水管破裂； 2)制造中因检验不严，将部分有质量问题的引水管(如有沙眼隐患)用于机组上； 3)制造、安装及检修时，工作不慎致使引水管受外伤，造成发电机运行时破裂。 2 2 转子磁化及产生轴电压的原因转子磁化及产生轴电压的原因 大型汽轮发电机在运行中发生轴电压及磁化是常见的故障，该类故障的发 生给设备造成损坏，有时为了消除缺陷而迫使大型机组长期停运。随着大机组 的投入，轴电压与轴电流危及设备安全运行的事故也会频繁发生。例如某厂 4 号机组(200 MW)，在 1993 年 5 月 28 日 7 时 55 分，运行中 6 号、7 号、9 号 轴承振动大(超出 200 m)，9 时 05 分振动超出 300 m，被迫降负荷至 170 MW 后，振动才逐渐减小至 170 m。同时在同样工况下，转子电流有 明显增大，振动随无功大小而变化。拔下护环，发现 19 号、20 号大包线圈短 路，槽间梯形绝缘垫块及环氧瓦块烧坏，检修停运 119.92h，少发电量 23.98 GWh。又例如，某厂 4 台 300 MW 中有 3 台机组大轴严重磁化，其中 1、2 号 发电机因转子严重匝间短路而烧坏护环，1 号机因护环烧损严重而作了更换。4 号机在安装调试中，又发现转子大轴严重磁化，该机未经运行，磁化原因属于 厂家在制造过程中引起。再例如某厂 2 台 320 MW 进口机组，投运 6 000 h 以后，因接地装置损坏及采用静态励磁，使大轴静电电荷积累产生电压高达 130 V160 V，造成调速系统振动，发电机大轴、调速器蜗母轮、轴承、密 封瓦等处被电弧灼伤，机组长时间不能稳定运行。大机组容易发生该类故障的 主要原因是大机组在设计中有较大气隙磁通、结构上的不对称(包括定子凹凸不 平等因素)、磁场中有较高的三次谐波分量而造成铁芯易饱和以及采用静态励磁 装置等，因而使得大型机组通常便有较高的轴电压，因此机组在投产前后以及 运行中应加强监视，采取必要的防范措施以防止轴电压(或轴电流)损伤设备。 2.12.1 磁路不平衡引起的轴电压磁路不平衡引起的轴电压 在发电机中，由大轴、轴承和基础底座组成了电和磁的回路。构成回路的 这些部件均属导电和导磁性材料。当回路中存在交变磁通时，大轴中将产生轴 电压，回路中将产生轴电流。发电机大轴可以看作一根导线，它与外面轴承、 底座等构成回路。当磁路对称时，回路中磁通总和等于零。对于有接缝的铁芯， 当接缝数/极对数的最小公约数的分子为奇数时，总会存在轴电压。而转子产生 偏心的后果如同铁芯增加接缝一样，会产生轴电压。因此一般可分析其轴电压 的频率及大小来判断其故障的性质。 2.22.2 转子绕组匝间短路引起的单极电动势转子绕组匝间短路引起的单极电动势 单极电动势一般是由于转子绕组安匝数不平衡所引起。产生单极电动势的 磁通方向是随大轴轴向的。若上述磁路不平衡，则产生的磁通方向也不同。单 极电动势具有下列特点： (1)单极电动势出现在每个轴承两端。所以单极电流经过轴承两端，轴电流 有时高达数百安培，使轴瓦乌金烧坏。单极电动势的大小取决于 Uk.n 式中 k 为常数； 为磁通；n 为转数。 单极电动势有时高达十几伏。 (2)产生单极电动势的磁通，是从大轴的一端进入而从另一端出去，进出磁 通大小相等方向相反，12，故大轴总的电压接近于零。对于这类故障， 采用改进大轴的接地电刷或监视大轴对地电压已无济于事。 2.32.3 静态励磁引起的轴电压静态励磁引起的轴电压 运行中当快速投入静态励磁时，由于磁场等值回路相当于一个分布电感、 电容和电导的复杂网络，励磁电流的脉冲会在发电机磁场中依次造成脉冲。若 上述磁场不对称，则会产生与这些脉冲相同性质的轴电压。静态励磁引起的轴 电压具有以下特点： (1)满负荷下，产生的轴电压低于轻负荷时的轴电压。 (2)静态励磁引起的轴电压具有快速上升的时间特性，因而对轴承油膜更具 有破坏性。通常采取加强轴承绝缘的方法以减轻这些脉冲电压的危害，因为该 部分绝缘作为阻抗极低的电容，对油膜保护作用甚微。 (3)大轴通常出现均等分的(如六等分)的电弧烧伤痕迹。 2.42.4 静电荷引起的轴电压静电荷引起的轴电压 在汽轮机内由于蒸汽和汽机叶片之间摩擦而产生的静电电荷，电荷产生静 电场而导致产生轴电压值有时可高达 500V700V。 3 3 采取的防范技术措施采取的防范技术措施 近年来，通过两部有关单位的共同努力，使国产 200 MW 发电机的制造 质量、运行水平有所提高。有关涉及定子绕组端部固定、加强端部手包引线绝 缘及接头鼻部绝缘、改善烘焙工艺、注意接头铜线焊接质量、防止密封瓦漏油 和氢气湿度过高，以及防止机内遗留金属杂物等措施，在贯彻中千万不能放松。 近年来大型汽轮发电机内冷水系统出现的故障及制造质量新问题，也应采取必 要的对策。 3.13.1 防止汽轮发电机定子内冷水系统故障的措施防止汽轮发电机定子内冷水系统故障的措施 (1)对于容量为 300 MW 及以上定子采用水内冷冷却方式的汽轮发电机， 在制造厂出厂试验与安装交接试验时，建议进行发电机定子内冷水系统热水流 试验。 (2)定子各部分测温元件，大修时应认真校验，保证测温元件的准确性；值 班人员要定时监盘并作好记录。当槽内线棒间温度指示发生异常时，首先判断 测温元件及引线有无虚接、短路、断线等现象。而当测温元件指示温度偏高时， 可采取降低负荷的方式来作出判断。堵塞严重的发电机，除测温元件温度出现 异常外，有时还伴随定子接地、绝缘膨胀过热流胶，致使“绝缘热报警装置” 动作。对于 QFS-300-2 型双水冷却发电机，有时还能闻到绝缘过热后的糊焦味 等异常现象。 运行中定子线棒间温差经检查确定达到 8时应引起重视，当温差确定达 到 12且槽内测温元件温度超过 90时，应立即停机检查。 (3)发电机运行时，定子测温元件应接到具有巡测、打印与报警的计算机上。 (4)新机出厂前，厂家应配两套槽内测温元件，其中一套作为备用。为了保 证测温元件的质量，制造厂应选用由专业厂生产的性能可靠的测温元件。 (5)制造、安装及大修中，措施要认真，防止杂物(特别是过滤网后面的杂物) 进入内冷水系统。当拆装水路中法兰对接处的密封垫和引水管口的密封垫时， 更应细致，不要将密封垫伸出过多，严防由于脱落的橡皮等杂物的堵塞而引起 绕组过热。对于老化的橡皮垫大修时应更换；在保证密封良好的前提下，应取 消橡皮垫，而用聚四氟乙烯等材料替代。 (6)为了防止过滤网破损杂质进入内冷水系统，应采用不锈钢的过滤网。机 组在安装起动时必须采用专门的清洗过滤网。每次大修中除检查过滤网有无破 损外，还应及时清除过滤网上的杂质以保证水路的畅通。 (7)机组若无反冲洗装置，则应尽快配置。有装置的则应充分利用，做到大 小修时及时进行反冲洗。 (8)基建和大修中每当定子水回路通水时，要及时通过定子排污管排气，确 保定子引水管内不残留气体，以防止定子引水管汽化过热烧损。 (9)运行中严格控制定子内冷水的 pH 值，以防止定子内冷水铜管中产生氧 化铜堵塞水路。 (10)在制造、安装及大修时，要确保定子引水管不与机壳相碰，引水管之 间不硬碰，防止工作不慎而造成因引水管外伤而破损。定子引水管出厂时要认 真按工艺要求进行检验，防止有质量缺陷的引水管用于机组上。 (11)加强定子内冷水泵的运行维护，备用水泵要求处在正常状态，防止切 换过程中因备用水泵故障而造成定子水回路断水。同时运行中要严防水箱水位 过低或水量波动而发生断水故障。 3.23.2 进一步贯彻两部提出的改进措施进一步贯彻两部提出的改进措施 实践证明，两部电发199187 号文关于防止 200 MW、300 MW 汽轮 发电机定子绕组端部发生短路的技术改进措施，是及时的、全面的，对防止当 时大型汽轮发电机的频繁性定子短路事故起到了积极作用。仅表面电位检查试 验一项，据电力部安生司与科技司 1995 年联合发文(安生技函 1995 年 29 号)的 调查结果表明，该方法对检测定子接头绝缘及漏水缺陷十分有效。函调中据 15 个网省局与 3 个电厂的统计，实测发电机总台数为 84 台，经测试发现缺陷机组 有 81 台，占被测机组总数的 96.4%；发现缺陷总共 970 处。据现场反应主要缺 陷是手包绝缘松弛、绝缘盒与模压绝缘及引水管处搭接不良、手包绝缘不按工 艺施工且太薄、盒内环氧泥充填不实、绝缘层内有油有水、绝缘固化不好而有 放电现象以及空芯铜线漏水等。 3.33.3 预防轴电压预防轴电压( (轴电流轴电流) )及磁化的技术对策及磁化的技术对策 (1)保证滑环侧轴承密封、氢封及励磁机对地绝缘良好。 (2)对于采用静态励磁的机组，应在回路上增加电容元件等抑制措施。采用 静态励磁时对于交变轴电压起限制作用的不是电阻而是容抗。例如一台 150 MW 机组，油膜和轴承绝缘等效容抗仅 8 ，而绝缘电阻为 40 M 左右， 说明此时提高轴承绝缘水平并不是防止励磁系统产生脉冲电压的唯一有效措施。 (3)大轴运行中应可靠接地。 (4)防止设计不良及运行中漏油而造成转子严重匝间短路。运行中应加强转 子电流及机组振动的监视。对于 300 MW 及以上机组应采取动态匝间短路探 测方法。大轴磁化后，应及时采取退磁措施。为了消除缺陷，转子可抽出后退 磁，