刘树鹏，葛祥
（西安热工研究院有限公司，西安710032）
[摘要] 某电厂4号汽轮发电机组带负荷时发电机转子振动不断爬升并达到跳机值，导致调试进程无法顺利完成。通过现场详细、全面的测试，诊断其故障原因为：热态下转子线圈出现动态匝间短路现象，导致转子局部受热而发生暂态弯曲。这一诊断结论得到了电气专业动态匝间短路试验结果的验证。更换发电机转子后，振动爬升现象彻底消除。机组带负荷稳定运行时，轴系振动达到优良水平。
[关键词] 汽轮发电机组；发电机；振动；匝间短路；热弯曲
[中图分类号] TM301.4.+2[文章编号]1000-3983(2016)03-0015-04
0 引言
某电厂4号机组是由东方汽轮机厂和东方电机厂生产的超超临界、凝汽式660MW汽轮发电机组。其中汽轮机为N660-25/600/600型超超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、双背压凝汽式汽轮机，配以QFSN-660-2-22型全封闭、自通风、强制润滑、水／氢／氢冷却方式的发电机，采用自并励静止励磁。
机组轴系由高中压转子（HIP）、低压转子(LP)、发电机转子( GEN)、励磁滑环小轴(EXC)以及8个支持轴承组成，各个转子之间均采用刚性联轴器连接，其中高中压转子的两个支承轴承均为可倾瓦轴承，低压转子和发电机转子为椭圆瓦轴承，各转子均采用双支撑型式。机组轴系结构简图如图1所示。
1机组振动概况
4号机组于2014年6月底进入整套起动调试阶段，升速过程振动尚可，初定速时轴系振动也不大，7X轴振动在70μm左右。定速初期一段时间，发电机转子振动尤其是7X轴振动爬升速度较快，半个小时左右7X轴振动增大到120μm左右。并网后，低负荷区间，7X
轴振动仍然不断爬升，只是速度有所放缓，高负荷区间，尤其是从400MW继续升负荷时，7X轴振动爬升的速度突然加陕，超过250μm，达到跳机值。停机惰走过程中，发电机转子过临界转速振动比升速过程时显著增大。图2和图3分别给出其中两次定速带负荷过程7X轴振动及其相位变化趋势图。
2振动故障分析诊断及处理
2.1 相关振动试验
该机组振动故障的初步印象就是振动跟负荷有关，即升负荷过程发电机振动逐步增大。为进一步查明根本原因，调试过程中穿插着对机组进行了变励磁电流、变冷却氢温以及变密封瓦油温试验。下面分别介绍各个试验过程中发电机振动的变化趋势。
(1)变励磁电流试验
7月21日13：10始，保持负荷为330MW，将励磁电流从2650A逐步增加到3020A，7X轴振动从110μm增大到125μm左右，振动增长的趋势比较明显，为避免振动发散控制不住，未将励磁电流继续增大到额定值，试验结束。
实际上，7月19日调试方试图进行进相试验时，过程也相当于进行了一次变励磁电流电压试验。当时机组满负荷运行，试验准备时将发电机励磁电流从3969A升高至4445A左右，7X轴振动从190μm突然增大到接近250μm，试验无法进行下去。随即降低励磁电流，振动值也不降低，又采取措施降负荷至300MW以下，振动虽有下降趋势，但是降速非常缓慢。试验中振动数据见表1所列。
(2)变冷却氢温试验
变励磁电流试验完成后随即进行变冷却氢温试验，试验中将氢冷器冷风温度从38℃提高到48℃，7X轴振动从130μm增大到145μm左右，8号轴振动变化不大。停止试验，恢复氢温到原始值后，振动却不降低，无法恢复原始值。试验数据见表2所列。
(3)变密封油温试验
变密封油温试验由调试方在调试中自行完成。试验中振动基本保持稳定，结果表明改变密封油温对发电机振动基本没有影响。
(4)动平衡配重试验
由于工期较紧，现场尝试对发电机轴系进行了一次动平衡配重工作，试图补偿热态下转子的振动变化。动平衡后，在空载及低负荷区间取得一定效果，振动降低至合格水平，但是大负荷后仍然出现较大的振动变化，振动仍然超标。另外，后来厂家提供的发电机转子出厂前的动平衡试验报告也表明，该转子冷态下平衡状态尚可，但热态下平衡状态较差，厂内动平衡配重也未取得预期效果，说明问题的根源不在于平衡等机械方面的缺陷。
3 振动故障分析诊断及处理
3.1 相关振动试验
对该机组振动故障的初步判断就是振动跟负荷有关，即升负荷过程发电机振动逐步增大。为进一步查明根本原因，调试过程中穿插着对机组进行了变励磁电流、变冷却氢温以及变密封瓦油温试验。下面分别介绍各个式验过程中发电机振动的变化趋势。
(1)变励磁电流试验
7月21日13:10始，保持负荷为330MW，将励磁电流从2650A逐步增加到3020A，7X轴振动从110μm增大到125μm左右，振动增长的趋势比较明显，为避免振动发散控制不住，未将励磁电流继续增大到额定值，试验结束。
实际上，7月19日调试方试图进行进相试验时，过程也相当于进行了一次变励磁电流电压试验。当时机组满负荷运行，试验准备时将发电机励磁电流从3969A升高至4445A左右，7X轴振动从190μm突然增大到接近250μm，试验无法进行下去。随即降低励磁电流，振动值也不降低，又采取措施降负荷至300MW以下，振动虽有下降趋势，但是降速非常缓慢。试验中振动数据见表3所列。
(2)变冷却氢温试验
变励磁电流试验完成后随即进行变冷却氢温试验，试验中将氢冷器冷风温度从38℃，提高到48℃，7X轴振动从130μm增大到145μm左右，8号轴振动变化不大。停止试验，恢复氢温到原始值后，振动却不降低，无法恢复原始值。试验数据见表4。
(3)变密封油温试验
变密封油温试验由调试方在调试中自行完成。试验中振动基本保持稳定，结果表明改变密封油温对发电机振动基本没有影响。
(4)动平衡配重试验
由于工期较紧，现场尝试对发电机轴系进行了一次动平衡配重工作，试图补偿热态下转子的振动变化。动平衡后，在空载及低负荷区间取得一定效果，振动降低至合格水平，但是大负荷后仍然出现较大的振动变化，振动仍然超标。另外，后来厂家提供的发电机转子出厂前的动平衡试验报告也表明，该转子冷态下平衡状态尚可，但热态下平衡状态较差，厂内动平衡配重也未取得预期效果，说明问题的根源不在于平衡等机械方面的缺陷。
3.2振动故障分析诊断及处理
根据以上试验及数据，4号发电机振动存在以下特征：
(1)空载时发电机转子振动不大，随运行时间延长及并网后负荷增加，发电机振动尤其是7号轴振动稳步增长。
(2)发电机转子振动增长主要与转子励磁电流有关，随励磁电流增大，转子振动也稳步增大。振动增大后，降低电流及负荷，振动很难恢复到低位。
(3)振动幅值增长时，振动相位也变化较大，最终稳定的角度区域趋同。
(4)振动成分主要以1倍频分量为主，其余杂波成分很少。
综合以上特征分析，发电机转子振动异常增长属于转子出现热弯曲而引起的不稳定强迫振动。结合本机振动变化的引发因素以及振动变化趋势，可以排除冷却系统缺陷、线圈膨胀受阻以及出现动静碰磨等故障，鉴于振动变化与励磁电流的对应关系，判断发电机转子热弯曲的根源在于转子线圈存在匝间短路故障，而且该故障在转子受热后，较大的励磁电流和电压下才表现比较明显。这一结论后来得到电气专业动态匝间短路试验结果的验证，试验表明，只有在大负荷尤其是400MW以上时，发电机第7、第8道线圈的动态气隙波形不合格。
考虑到对发电机匝间短路故障处理的技术及环境要求较高，厂家要求返厂处理，由于现场工期紧张，电厂和厂家协调的结果是更换一根新的发电机转子。
3.3 振动故障处理效果
更换新发电机转子后，4号机组于8月16日首次起动，升速过程轴系振动最大未超过100μm，额定转速下，轴系振动均小于70μm，振动处于优良水平。该机组于8月19日12:45并网带负荷，并网前后轴系振动变化不大，升负荷过程各轴瓦振动也比较稳定，至机组带满负荷运行时，轴系中最大振动7X为61μm左右，其余均小于60μm，振动水平达到优良水平。表5列出若干负荷工况下轴系振动数据。
带负荷过程中，低压转子瓦振动波动较大，尤其是3、4号轴承瓦振动，带负荷初期瓦振动均小于50μm，但是随着运行时间延长，瓦振动大幅波动，最大时超过80μm，最终稳定在45μm左右，期间3、4号轴振动却比较稳定，说明瓦振动变化主要是由轴瓦结构动刚度差引起的，这是该机型的通病。低压轴承座坐落在缸体上，轴承座动刚度受缸体的膨胀变形影响较大，实际的振动情况需等机组大负荷运行一段时间、缸体膨胀到位后的瓦振动数据为准。
4结论
(1)4号机组调试过程中发电机转子振动爬升故障原因在于热态下转子线圈出现动态匝间短路现象，导致转子局部受热变形而发生暂态热弯曲。更换转子后，彻底消除了振动爬升现象。
(2)目前，4号机组带负荷稳定运行时轴系振动均小于70μm，达到GB11348.2-2012标准及火电工程调整试运质量检验及评定标准的优良水平，机组可以安全运行。
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