浅析发电机转子振动故障的诊断及处理

顾凯凯

摘要：大型发电机振动故障有很多类型，热弯曲是比较常见的振动故障，其主要原因包括材质问题、冷却系统故障、转子线圈膨胀受阻、匝间短路等。本文以某1000MW汽轮发电机为例，对发电机转子振动故障的诊断及处理进行分析探讨。

关键词：发电机；转子；振动故障；诊断；处理

1机组简介

某厂2×1000MW超超临界汽轮发电机组由上海发电机厂与德国西门子公司联合设计生产。发电机型号为THDF125/67，采用水—氢—氢冷却方式。励磁系统采用静态励磁和无刷励磁2种方式。机组轴系由5个径向椭圆轴承支撑，高压转子为双支撑结构，中压和低压转子为单支撑结构，发电机转子和励端小轴为三支承结构，各转子间均用刚性联轴器连接，其轴系布置如见图1所示。

2发电机转子振动故障的诊断及处理

2.1振动现象

机组自投入生产以来，发电机在整个冲转过程中，振动良好，无异常振动特征。发电机在机组初定速以及初带负荷的时候，5号瓦、6号瓦振动均小于80μm且振动稳定；但随着机组负荷逐渐升高，5号瓦、6号瓦振动也随之升高，当机组升至满负荷时，5号瓦、6号瓦振动最大为150μm；当机组负荷下降时，5号、6号瓦振动也随之下降。

2.2可能导致发电机转子热不平衡振动的几种常见原因

（1）冷却系统故障。对于氢内冷发电机，通风孔是转子热交换的主要风路通道，通风孔变形、杂物堵塞等会引起通风孔通流面积减小，这将破坏冷却的对称性，使转子横截面的温度不对称，进而引起热弯曲。该故障的特点是：随着氢温的升高，发电机转子的冷却效果会变差，但转子不对称冷却程度就相对减小，最终导致热不平衡振动减小。

（2）转子绕组匝间短路。由于发电机短路，定子膛内被污染，没有被彻底清理的污染物可能会进入转子通风槽或其他部位，从而引起匝间短路。

（3）转子材质不均。转子材质不均是指转子锻件的气隙、夹杂、鼓泡等使转子径向纤维组织不均匀，导致材料的物理特性存在各向异性。这类问题通常由锻件生产和热处理过程中的缺陷引起。在机组运行中，当材质各向异性的转子受热以后，转轴将会产生不均勻的轴向或径向膨胀，引起转子出现热弯曲，从而导致不平衡振动。转子材质不均导致的故障主要有以下几个特点：①转子电流越大（与机组有功、无功负荷正相关），转子的热弯曲量越大，产生的不平衡振动也就越大；②材质不均导致的热弯曲一般具有可逆性，因此其诱发的不平衡振动随转子电流的变化有较好的重复性；③由于发电机转子质量大，其对热量的反应具有一定的滞后性，因此振动变化也会滞后于转子电流的变化；④由于转子材料物理特性的各向异性是一定的，其受热时弯曲的方向不变，所以其振动的相位基本维持不变。

（4）转子线圈膨胀受阻。发电机的磁场由转子绕组的励磁电流建立，励磁电流通过绕组并加热线圈，线圈受热后向两端膨胀。如果这种膨胀不受约束，并不会在转子上产生内应力，而在旋转过程中线槽中的铜线承受巨大离心力，使线圈紧贴在槽楔和护环的内壁，导致结合面存在很大的摩擦力，阻碍线圈膨胀；如果有些线槽中的线圈完全膨胀出来，膨胀受阻的线圈将产生一个反作用力，通过槽楔和护环作用在转子上，使转子弯曲。

2.3振动相关试验

为了进一步查明根本原因，对机组先后进行了变氢温试验、变密封油试验、变有功试验、变无功试验。在变氢温试验、变密封油温试验、变无功试验过程中，5号、6号、7号瓦振动幅值和角度均无明显变化，振动基本保持稳定。在进行变有功功率试验时，随负荷增加5号、6号、7号瓦轴承出现明显爬升，试验测试数据见表1。

变氢温试验、变密封油温试验、变无功试验的结果表明：试验对5号瓦、6号瓦、7号瓦振动无明显影响，基本可以排除冷却系统故障、线圈膨胀受阻、匝间短路等故障。根据轴系布置图，5号瓦为低压缸后轴承，6号瓦、7号瓦为发电机前后轴承，随着机组负荷升至高负荷时，5号瓦、6号瓦振动上升幅度较大，6号瓦、7号瓦相位增大。根据这些振动特点，判断发电机转子材质不均、受热不均匀，导致转子热弯曲和低发对轮中心产生偏差的可能性较大。

2.4振动处理措施

根据以上诊断结果，决定在机组停机之后，对其进行汽发对轮中心重新校正对中，并在汽发对轮上进行现场动平衡。经计算，在汽发对轮上加重1.04kg逆转向120°的平衡块，降低发电机转子在高负荷时热弯曲的振动，兼顾发电机空载时的振动，同时根据厂家要求对汽发对轮中心等安装参数重新进行调整和对中。经过现场动平衡和汽发对轮中心调整后，机组再次启动，空载时，机组发电机前后轴振均小于60μm，振动处于优良水平；机组逐渐带至高负荷，5号、6号、7号瓦振动平稳，未出现振动异常波动，振动问题得到解决。

3结论

（1）引起发电机转子振动的原因很多，需根据振动特点和有关试验情况进行综合分析并逐一排除。在分析转子热致不平衡振动的时候，往往将重点放在转子存在匝间短路上，而忽视了转子存在材质缺陷而导致振动异常的可能。（2）转子返厂修理后，一定要在制造厂转子试验台上做好热态动平衡试验（模拟满负荷工况下转子运行温度）。（3）该发电机转子因材质不均而引起较大的原始热弯曲，虽然原始出厂时热态动平衡试验合格，但实际运行情况中存在较大偏差。因此，针对存在较大热弯曲的发电机转子，有关出厂前的热态动平衡试验方法还需进一步研究、改进，以使其尽量符合实际工况。（4）发电机三相短路的电、热、机械应力对转子的平衡有不利影响，因此应严格执行防止发电机短路的反事故措施，防止发电机短路故障的发生。

参考文献：

[1]某电厂发电机振动故障诊断及处理[J].刘树鹏，葛祥.大电机技术.2016（03）.

[2]某电厂2号机组发电机转子热弯曲故障诊断[J].孔祥渠，王帅，杨承刚.科技风.2014（04）.

（作者单位：中机国能电力工程有限公司）