9E燃气轮机机组励磁机故障分析及处理

张学霖

(惠州深能源丰达电力有限公司， 广东惠州 516001)

为满足地区电网的实际需求，9E燃气轮机(简称燃机)通常作为调峰机组使用，每日两班制运行，形成常态化。励磁机是传导励磁电压电流给发电机转子绕组的重要设备，是否正常运行关系到发电机能否正常运行[1]。

近年来，某些电厂9E燃机中的燃机、汽轮机(简称汽机)发电机励磁机在运行15 000 h、启动次数约1 000次、运行约10 a后出现一些偶发性或共性的缺陷。笔者分析了发电机励磁机的故障现象并提出了处理方法。

1 故障分析及处理

美国通用电气公司生产的PG9171E燃机发电机组，部分9E燃机发电机采用奥地利ELIN发电机公司生产的9A5型，转速为3 000 r/min，采用交流无刷励磁方式，励磁机为KATO公司

生产，型号为12P32-1100，额定电压为375 V，额定电流为1 031 A，绝缘等级F；部分汽机发电机采用山东齐鲁电机制造有限公司济南发电设备厂生产的WX18Z-054LLT型，转速为3 000 r/min，采用交流无刷励磁方式，励磁机型号为WBF8-5G，励磁机额定电压为240 V，额定电流为1 240 A，绝缘等级F。

1.1 燃机发电机励磁机

1.1.1 故障现象

KATO公司生产的励磁机为交流无刷励磁，是十二极转枢式交流发电机，由定子直流励磁绕组、三相转子绕组及旋转整流桥组成。励磁原理为励磁调节器输出直流电，直流电输入励磁机定子形成磁场，励磁机转子高速旋转切割磁场形成交流电，经旋转二极管整流后注入发电机转子线圈励磁，见图1。

图1 燃机发电机励磁机原理图

2017年5月，某厂燃机发电机在启动投入励磁后，发电机机端电压未能建立，励磁调节器报“整流器故障”、“转子接地故障”。现场对励磁机本体进行检查，拆除冷却风管，并抽出励磁机定子。励磁机电枢绕组靠近铁芯端部发现故障点，见图2。

图2 燃机发电机励磁电枢故障

初步检查结果为：励磁机转子绕组靠近整流环处有一处烧黑痕迹，铁芯和绕组有烧伤痕迹，铁芯部分击穿出一个坑洞，绕组对铁芯放电，无纬带有烧黑痕迹。

现场加热励磁机电枢，并将电枢拔出，发现励磁机转轴上有粉末，粉末从励磁线棒预留孔冒出。经检查，预留孔粉末来源于励磁机连接发电机转子的D形线棒表面的绝缘材质(见图3)。

图3 燃机发电机励磁机转轴结构

ELIN公司生产的9A5型发电机在设计上考虑了励磁的两种方式，一种是交流无刷励磁，另一种是静态励磁。采用交流无刷励磁机励磁方式，经旋转二极管连接整流后，通过D形线棒端部连接发电机转子进行励磁。采用静态励磁方式可在励磁线棒预留孔安装连接部件与D形线棒中部连接，对发电机转子进行励磁。

D形线棒内置于转轴中心孔中，由正负极两根线棒组成，励磁机电枢绕组经旋转二极管整流后，通过D形线棒连接发电机转子绕组进行励磁。D形线棒为铜质材质[2]，导电性能良好，线棒轴向绝缘层为环氧树脂浇注绝缘层，绝缘层厚度为2 mm。两根D形线棒中间用一层绝缘隔板隔开。D形线棒绝缘层与转子转轴有约1～2 mm间隙，见图4。由于机组频繁启停，工况不断变化，造成线棒热胀冷缩，绝缘层与转轴发生碰撞磨损，绝缘层磨出粉末，粉末逐渐从励磁线棒预留孔中冒出。

图4 燃机发电机D形线棒结构

1.1.2 故障原因分析

(1) 9E机组由于电网调峰要求，基本上每天两班制运行。机组运行期间，由于转子高速旋转，D形线棒在离心力作用下，与转子转轴的接触面贴紧，线棒绝缘层和转轴没有相对运动，不会造成线棒表面绝缘材料的磨损。在夜间盘车运行期间，由于盘车转速较低，离心力不足，D形线棒旋转到低位时贴紧转子转轴，旋转至高位时在自身重力的影响下与上部的转子转轴形成间隙，造成线棒表面的绝缘层碰撞磨损，形成粉末。

(2) 粉末易进入励磁机绕组漆包线缝隙中。由于机组运行时间已超过10 a，绕组漆包线绝缘逐渐老化，表面绝缘层破裂，粉末等杂质依附在表面上。如粉末受潮粘附，易造成绕组匝间短路。

1.1.3 故障处理

燃机发电机励磁机故障处理要求较严格，现场不具备条件，须将励磁机返维修厂进行维修。励磁机处理方案：

(1) 励磁机转子加热，从转轴上拔出。

(2) 励磁机修前动平衡测试。

(3) 励磁机电枢绕组与整流盘隔离，拆除励磁机电枢绕组两侧无纬带，拆除励磁机电枢绕组。

(4) 清洗剂清理槽内残余绝缘和污秽。

(5) 修复损坏的硅钢片，并对表面绝缘进行修复。

(6) 按照励磁机容量要求进行修复，采用H级绝缘高强度漆包线进行绕线，材料采用H级绝缘。

(7) 励磁机端部缠绕无纬带。

(9) 电枢绕组三相直流电阻测量、绝缘试验、交流耐压试验。

(10) 发电机表面喷防护漆。

(11) 励磁机电枢绕组和整流盘装配，进行动平衡测试，试验数据应与修前数据匹配。

(12) 励磁机加热套入转子，并进行固定。

1.2 汽机发电机励磁机

1.2.1 故障现象

2017年3月，对3号发电机WBF8-5G励磁机端部进行孔探检查，发现励磁机电枢绕组端部与连接环接头相连的3个并头套出现移位，其中移位最大的并头套约相对移动5 mm，用于防护固定的绑扎绳也被拉断，见图5。对励磁机电枢三相直流电阻进行测量，直流电阻平衡。

图5 汽机发电机励磁机并头套连接缺陷

WBF8-5G型励磁机工作原理与KATO励磁机原理相似。励磁机为交流无刷励磁，是八极转枢式交流发电机，由定子直流励磁绕组、三相转子绕组及旋转整流桥组成。三相转子绕组切割磁场后通过并头套分别连接不同的A、B、C、N相连接环，连接环与整流盘相连进行整流，见图6。

图6 汽机发电机励磁机并头套连接图

故障的并头套连接励磁机电枢绕组与连接环接头，起到电路导通作用，材质为优质铜。并头套安装时将其套入电枢端部绕组和连接环接头处，将铜条分别敲击塞入并头套的间隙中，使其固定牢靠，并有效增加接触面。加热装置对并头套两端进行加热，将锡焊条慢慢融入并头套与其他连接件的间隙中，降低接触电阻。

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1.2.2 故障原因分析

(1) 连接环和并头套本身强度不足，材质均为优质铜材，硬度不足。在高速运行中，设备流过较大电流，铜质材料发热变软，在离心力作用下，连接环接头产生径向向外的作用力。在盘车状态下，离心力消失，连接环接头逐渐冷却回位。机组每天两班制运行造成并头套被不断拉扯变形。

(2) 锡焊工艺强度较低。锡焊熔点约200 ℃，并头套在不断拉扯变形过程中易形成焊锡脱落，造成并头套与连接件接触电阻增大，在导通大电流作用下发热程度会增加，进一步加快焊锡脱落速度。

1.2.3 故障处理

电厂不具备发电机励磁机的维修条件，须送维修厂进行维修。为方便发电机转子动平衡测试，将发电机转子和励磁机抽出返维修厂处理。

维修厂汽机发电机励磁机处理方案：

(1) 中频加热将励磁机电枢绕组和整流盘从转子中拔出。

(2) 测量励磁机电枢直流电阻。

(3) 将励磁机电枢绕组和整流盘脱离。

(4) 拆除电枢绕组两端无纬带。

(5) 加热连接励磁机电枢绕组和连接环接头的并头套，将其拆除；加热连接励磁机电枢绕组跨接并头套，将其拆除；清理励磁机端部电枢绕组，清除残余锡块。

(6) 拆除A、B、C、N相连接环。

(7) 安装新连接环。

(8) 在励磁机电枢绕组和连接环接头安装并头套；在励磁机电枢绕组跨接处安装并头套；并头套与连接环接头连接处采用银铜焊方式焊接，银铜焊焊接硬度较大，且熔点比锡焊熔点有较大提升，达到600 ℃[3]；并头套与励磁机电枢绕组连接处采用锡焊方式焊接；电枢绕组间跨接并头套采用锡焊方式焊接，见图7。

图7 汽机发电机励磁机并头套连接图

(9) 在无电气连接的并头套间安装绝缘板；在连接环接头和励磁机端部绕组间绑扎较厚的绝缘麻绳，见图8。

图8 汽机发电机励磁机并头套绑扎结构

(10) 励磁机电枢绕组真空浸漆，并烘干固化；绝缘麻绳经浸漆固化后有较强的硬度，起到固定并头套的作用。

(11) 整流盘试验，测量整流盘电容、电阻。

(12) 装配整流盘和励磁机电枢绕组。

(13) 中频加热整流盘和电枢绕组，套入发电机转子。

(14) 发电机转子整体外涂DK222树脂绝缘漆。

(15) 最终试验：①转子整体做动平衡试验及超速试验(3 360 r/min)；②动态交流阻抗试验(0～3 000 r/min)；③测量励磁机转子绕组及励磁回路所连接的设备绝缘电阻；④测量转子绕组绝缘电阻；⑤转子绕组交流耐压试验或标准允许的同类型试验；⑥测量转子绕组和励磁机电枢绕组的直流电阻。

2 预防措施

(1) 励磁机故障均发生在旋转部分，主要是因为发电机制造厂未充分考虑到9E燃机机组的调峰特性，GB/T 7064—2008 《隐形同步发电机

技术要求》中提及在转子整体的寿命期限中，应能承受启动次数不少于3 000次；对两班制调峰运行的发电机，转子整体在使用寿命期限内，应能承受不少于10 000次的启动次数。出现问题的励磁机远未达到限制的启动次数。用户应在合同中强调发电机的制造工艺应满足两班制运行的需求。

(2) 加强励磁机的保养。KATO励磁机电枢绕组采用漆包线，绝缘强度取决于其表面的绝缘漆。与金属材料不同，绝缘材料的性能相当容易随时间延长而变化[4]。经过长时间的运行后，绝缘漆老化造成绝缘下降，用户可考虑对励磁机定转子绕组进行真空浸漆，加强绕组绝缘。

(3) 改进励磁机薄弱结构和加强孔探检查。WBF8-5G型励磁机电枢绕组跨接并头套、连接端部绕组与连接环接头并头套强度不足，可使用银铜焊替代锡焊形式，并利用机组大小修的检修空间对并头套进行检查，发现移位或变形等情况及时处理。

(4) 加强励磁机常规的电气试验。在条件满足的情况下，可定期对励磁机进行直流电阻、绝缘电阻测试。

3 结语

交流无刷励磁机普遍应用于9E燃机发电机组，为发电机提供励磁电源，是发电机重要的辅助系统。9A5型发电机励磁机绝缘材料和装配结构上存在一定的安全隐患，WX18Z-054LLT型发电机励磁机在焊接工艺上存在缺陷，均不能满足频繁启停的要求。对上述两种型号的发电机均应针对性地在制造和装配等工艺上进行优化，才能减少和消除类似故障，满足发电机频繁启动的要求。