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【摘要】 本文对大型汽轮发电机常见故障原因分析，并提出相对应预防措施
【关键词】 汽轮发电机 故障 分析 预防措施
0 引言
近年来，随着国民经济的持续发展，我国电力工业已然进入大电网与大机组的阶段，并有向超大容量机组发展的趋势。已并网发电的大型汽轮发电机组大部分能达到额定出力并持续运行，各项技术参数和性能也基本满足各种正常或非正常运行方式的要求。
但是由于设计及工艺等原因，特别是制造加工工艺和质量检验等存在问题较多，导致汽轮发电机各类事故频繁发生，性质严重。由于检修周期长导致发电企业损失巨大。另外，发电机安装、检修质量及运行维护水平参差不齐，也常常导致事故的发生。
下文分别对几种大型汽轮发电机发生的常见故障的成因进行分析并提出对应防范措施：
1 定子绕组漏水
国产和进口大型汽轮发电机大多都采用水氢氢的冷却方式，分别用软化水和高纯度氢气作为介质对 定子绕组、定子铁芯、转子绕组进行冷却。对于水内冷发电机，漏水故障及其引发的电气事故在发电机故障中占有相当大的比例，据广东电网的统计：定子和转子漏水故障占发电机总故障的26.4%，无论定子绕组或转子绕组一旦发生漏水故障，轻者威胁机组的安全运行，重者引发电气短路事故烧毁发电机，造成严重的后果。
定子绕组漏水大概分为三种常见情况：1）空心导线并头封焊处漏水；2）空心导线断裂漏水；3）绝缘引水管漏水。
大多是因为设计、工艺及材质等问题。如果渗漏部位是细微裂纹或孔洞，则压力较高的氢气就会渗入水中，并可在定子内冷水箱顶部发现氢气。但如果渗漏部位是较大裂纹或孔洞时，水的渗出与氢气的渗入并存，极易造成定子接地事故。
为了避免定子绕组漏水故障，有的电机厂采用冷热水交替实验法等技术手段，确保密封质量和绝缘质量。但是笔者在实践发现中仍存在一些不易控制的因素，具体表现在以下几方面，对应防范措施和建议也同步列出：
1） 材质不合格，如空心导线有裂纹，绝缘引水管有裂纹和砂眼等，加强检查，如空心导线涡流探伤。
2） 材质性能差，如绝缘引水管改为德国西门子技术国产化的外层不锈钢丝编织，内层四氟塑料的绝缘水管。
3） 定子绕组端部固定不牢固，且固有频率接近100Hz是造成端部线圈和引线振动大，引起空心铜线疲劳断裂漏水的重要原因，应改善端部和引线的固定结构及工艺，减小振幅。
4） 定子绝缘引水管布置及固定不合理，容易引起引水管磨损漏水，应改进布置，避免交叉，加强固定，避免磨损。
5） 制造质量，尤其是接头焊接工艺质量差是接头漏水的重要原因，应该加强质量管理，改进工艺措施，确保接头焊接质量。
6） 金属异物在电磁场的作用下，“咬穿”空心导线引起漏水。如某核电站1#机进口GEC 900MW水氢氢型发电机，1994年7月1日运行中发现定子冷却水系统氢水分离箱漏氢/水位低报警，分离箱上部气体排放管有大量气体间歇性喷出，氢压下降6mbar/h，7月2日解列，抽转子后发现17#槽上层线棒端部侧面（大面）有一小孔，距出槽口500mm，外部直径φ6mm，内部直径φ3mm，故障点附近有一小片铁磁碎片。分析认为制造时残留的金属异物，刺伤了线棒绝缘，在交变电磁场作用下振动“咬穿”空心导线，引起漏水。由于发现及时未造成事故。
7） 加强运行中的监测如内冷水箱中含氢量的检查、漏水保护装置的维护检查，在停机时分相直流泄漏及局部直流泄漏试验均能早期发现漏水故障，从而避免事故的发生。
2 定子绕组水路堵塞
定子绕组水路堵塞在水内冷机组上时有发生，严重的造成线棒绝缘损坏导致接地短路事故。所以《二十五项反措》规定层间元件温差或出口水温差达8℃时报警，及时查明原因，此时可降低负荷。层间元件温差达14℃或出口水温差达12℃，或任一槽內层间元件温度 超过90℃或出口水温度超过85℃时，在确认测温元件无误后，应立即停机处理。
发电机定子绕组水路堵塞原因主要有三类：1）异物堵塞：橡皮垫、铜垫圈、砂粒等异物；2）氧化铜积垢：冷却水质不合格引起积垢；3）汽堵：局部流量小，产生局部高温使冷却水汽化引起汽堵。
杜绝定子绕组水路堵塞的根本措施是严格控制发电机装配及检修工艺和相应的检查制度。在机组运行或检修时可以采取以下措施来预防和避免定子绕组水路堵塞情况发生：
1） 水內冷系统中，管道、阀门的橡胶密封圈应全部更换为聚四氟乙烯垫圈。
2） 加装定子內冷水反冲洗系统，定期对定子线棒进行反冲洗。反冲洗系统的所有钢丝滤网应更换为激光打孔的不锈钢新型滤网，防止滤网破碎进入线圈。
3） 投运前和大修后，对水內冷定子线棒、转子线圈分路做流量试验（超声波流量测试）。
4） 扩大发电机两侧汇水管排污口，并安装不锈钢法兰，以便清除母管中的杂物。
5） 严格控制水质，其电导率应达到标准要求或制造厂的规定。
6） 严格保持发电机转子进水支座石棉盘根冷却水压低于转子內冷水进水压力，以防石棉材料破损物进入转子分水盒內。
3 漏氢
由于氢气良好的导热性，在大型机组中广泛被采用为冷却介质，常见的水氢氢冷却方式中，氢气介质冷却了定子和转子两个系统部位。而且随着容量的增大，氢压逐步增高。由于氢气的物理特性，其渗透性和扩散能力很强，因此高氢压的发电机中，如果密封不严，极易发生氢气泄漏。漏氢会导致发电机机内氢压不能保持额定值，将影响发电机的出力；消耗过多的氢气增加制氢站的负荷；发电机周围的漏氢与空气混合后，若氢气浓度为4%-75%时遇电火花或高温，可能着火甚至引起爆炸。
常见的漏氢部位主要发生在：发电机端罩和机座结合面；端盖与端罩及上下半端盖结合面；端盖与密封瓦座结合面；定子引出线套管；氢气冷却器上下法兰与机壳结合面等。
漏氢形成的原因主要体现在：密封面或密封加装工艺不良；焊缝的焊接质量不良，存在气隙；转子滑环导电螺钉或转子轴中心孔端面堵板不严；氢气系统管路及附件渗漏；氢气漏入定子绕组内冷水系统；密封瓦内部漏氢等方面。 防止漏气的预防措施及建议有以下几点：
1） 保证氢冷系统的严密性，检修后必须进行气密性试验，试验不合格不允许投入运行。
2） 要求密封油系统平衡阀、压差阀必须动作灵活、可靠，以确保在机组运行中氢油的压差在规定的范围内，发电机不向外漏氢。
3） 在发电机出线箱与封闭母线连接处应装设隔氢装置，以防止氢气漏入封闭母线。
4） 监测定子水內冷系统的含氢量，当（体积含量）超过3%时，应加强电机监视，超过20%应立即停机处理。
5） 安装漏氢在线监测装置。
4 滑环及碳刷过热
由于发电机的碳刷运行与维护是传统技术，多年来工艺和技术水平无实质性突破。所以，各方对发电机励磁系统关注不够，投入有限，进而导致连续发生了多起大型发电机组，因碳刷或转子滑环故障引发的停机事故，给企业造成很大的经济损失。
引起滑环及碳刷过热的主要原因是：碳刷与滑环接触不良，接触电阻过大；滑环的氧化膜薄厚不均匀，引起碳刷电流分布不平衡；滑直径大，摩擦损耗大；滑环材质差、硬度低且不均匀；通风不合理，冷却效果差，滑环温度高；碳刷上弹簧压力不均匀或大小不适宜；碳刷在刷握里太松而发生跳动，或太紧了碳刷在刷握里卡住了等等。
根据以上分析的原因，建议采取以下几点预防性措施：
1） 减小滑环直径，改进滑环通风。
2） 勤检查恒压弹簧压力，发现恒压弹簧压力达不到规定压力或断裂、变形时，应及时更换以免造成碳刷与滑环接触不良。
3） 采用性能良好的碳刷和新结构刷握。
4） 加强对发电机的巡视，注意测量碳刷及集电环处的温度。
5） 对于滑环上凸起与凹陷等设备问题，要利用机组检修的机会进行车削、车磨。
5 轴电压
汽轮发电机运行中发生轴电压及大轴磁化是常见故障，该类故障的发生给设备造成损坏，有时为了消除缺陷迫使机组长期停运。轴电压产生的原因有：由于蒸汽与汽轮机叶片摩擦产生静电荷引起轴电压；由于发电机磁路不对称（如定子迭片接缝，转子偏心等），以及转子引线电流不对称产生的轴向磁通引起轴电压；静止可控硅励磁系统在转子绕组中产生的脉冲分量（如300Hz分量），由于转子绕组对大轴、大轴经油膜对地存在分布电容，形成轴电压；由于转子绕组匝间短路，两点接地故障以及定子绕组內部短路产生的轴向漏磁通引起轴电压。
轴电压的危害轴承油膜被轴电压击穿后形成轴电流，当电流密度超过20A/mm2时，将引起轴颈表面和轴瓦的电烧伤以致损坏；使转子轴、轴承座、风扇环座以及汽轮机部件磁化，进而增大单极电势，严重影响机组的正常运行和压差阀控制及汽机串轴保护的正常投入，并对机组维修工作带来困难，必须进行退磁处理。
防止轴电压的措施有几下几点：
1） 电机设计和制造上采取措施，消除磁路不对称因素，以减小轴电压
2） 发电机励端轴承、密封座、油管等加装绝缘垫片，并在运行中监测绝缘电阻值，防止轴电流的形成和流通。
3） 发电机汽端大轴加装接地电刷，以便释放轴上的静电电荷。
4） 同时在发电机励端也设置接地电刷，通过RC电路接地，通常R为500Ω，并联电容C为10μF，这种接地方式可将轴电流限制到毫安级，同时对于静止可控硅励磁系统脉冲电流产生的轴电压可有效的防止。其原理图见下图所示。该装置还可测量接地电压和电流的特征頻率分量，进而判断轴电流故障。
6 结论
当前我国正处大型发电机组发展时期，600MW发电机组将逐渐取代300MW发电机组成为电网中主力机组。随着汽轮发电机设计技术、制造工艺的不断完善和提高，运行监测和检修方式的不断增强，许多设计、制造中的薄弱环节逐步被解决，检修工作也将从传统的检修方式转变为预防性检修。汽轮发电机组运行安全性、经济性、可靠性也将越来越高。
本文只是对个人实践工作中，现阶段的主流300MW汽轮发电机检修中常见的几种故障进行了浅显的概括总结。文中提到的些许见解，是基于个人多年从事电机检修实践认识的小结，也是个人对发电机检修、检查工作把握的重点内容。希望能够给从事现场实践的同仁们提供点滴思路上的拓展和工作上的借鉴。
参考文献
1. 李伟清、王绍禹《发电机故障检查分析及预防》，中国电力出版社，1996年；
2. 国家电力公司发输电运营部《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》辅导教材，中国电力出版社，2001年9月；
3. 600MW火电机组运行技术丛书-电气分册，中国电力出版社，2000年6月；
4. 周德贵等《发电机运行技术与实践》中国电力出版社，1996年5月；
5. 600MW火力发电机组培训教材《电气设备及其系统》中国电力出版社 2000年3月。
【关键词】 汽轮发电机 故障 分析 预防措施
0 引言
近年来，随着国民经济的持续发展，我国电力工业已然进入大电网与大机组的阶段，并有向超大容量机组发展的趋势。已并网发电的大型汽轮发电机组大部分能达到额定出力并持续运行，各项技术参数和性能也基本满足各种正常或非正常运行方式的要求。
但是由于设计及工艺等原因，特别是制造加工工艺和质量检验等存在问题较多，导致汽轮发电机各类事故频繁发生，性质严重。由于检修周期长导致发电企业损失巨大。另外，发电机安装、检修质量及运行维护水平参差不齐，也常常导致事故的发生。
下文分别对几种大型汽轮发电机发生的常见故障的成因进行分析并提出对应防范措施：
1 定子绕组漏水
国产和进口大型汽轮发电机大多都采用水氢氢的冷却方式，分别用软化水和高纯度氢气作为介质对 定子绕组、定子铁芯、转子绕组进行冷却。对于水内冷发电机，漏水故障及其引发的电气事故在发电机故障中占有相当大的比例，据广东电网的统计：定子和转子漏水故障占发电机总故障的26.4%，无论定子绕组或转子绕组一旦发生漏水故障，轻者威胁机组的安全运行，重者引发电气短路事故烧毁发电机，造成严重的后果。
定子绕组漏水大概分为三种常见情况：1）空心导线并头封焊处漏水；2）空心导线断裂漏水；3）绝缘引水管漏水。
大多是因为设计、工艺及材质等问题。如果渗漏部位是细微裂纹或孔洞，则压力较高的氢气就会渗入水中，并可在定子内冷水箱顶部发现氢气。但如果渗漏部位是较大裂纹或孔洞时，水的渗出与氢气的渗入并存，极易造成定子接地事故。
为了避免定子绕组漏水故障，有的电机厂采用冷热水交替实验法等技术手段，确保密封质量和绝缘质量。但是笔者在实践发现中仍存在一些不易控制的因素，具体表现在以下几方面，对应防范措施和建议也同步列出：
1） 材质不合格，如空心导线有裂纹，绝缘引水管有裂纹和砂眼等，加强检查，如空心导线涡流探伤。
2） 材质性能差，如绝缘引水管改为德国西门子技术国产化的外层不锈钢丝编织，内层四氟塑料的绝缘水管。
3） 定子绕组端部固定不牢固，且固有频率接近100Hz是造成端部线圈和引线振动大，引起空心铜线疲劳断裂漏水的重要原因，应改善端部和引线的固定结构及工艺，减小振幅。
4） 定子绝缘引水管布置及固定不合理，容易引起引水管磨损漏水，应改进布置，避免交叉，加强固定，避免磨损。
5） 制造质量，尤其是接头焊接工艺质量差是接头漏水的重要原因，应该加强质量管理，改进工艺措施，确保接头焊接质量。
6） 金属异物在电磁场的作用下，“咬穿”空心导线引起漏水。如某核电站1#机进口GEC 900MW水氢氢型发电机，1994年7月1日运行中发现定子冷却水系统氢水分离箱漏氢/水位低报警，分离箱上部气体排放管有大量气体间歇性喷出，氢压下降6mbar/h，7月2日解列，抽转子后发现17#槽上层线棒端部侧面（大面）有一小孔，距出槽口500mm，外部直径φ6mm，内部直径φ3mm，故障点附近有一小片铁磁碎片。分析认为制造时残留的金属异物，刺伤了线棒绝缘，在交变电磁场作用下振动“咬穿”空心导线，引起漏水。由于发现及时未造成事故。
7） 加强运行中的监测如内冷水箱中含氢量的检查、漏水保护装置的维护检查，在停机时分相直流泄漏及局部直流泄漏试验均能早期发现漏水故障，从而避免事故的发生。
2 定子绕组水路堵塞
定子绕组水路堵塞在水内冷机组上时有发生，严重的造成线棒绝缘损坏导致接地短路事故。所以《二十五项反措》规定层间元件温差或出口水温差达8℃时报警，及时查明原因，此时可降低负荷。层间元件温差达14℃或出口水温差达12℃，或任一槽內层间元件温度 超过90℃或出口水温度超过85℃时，在确认测温元件无误后，应立即停机处理。
发电机定子绕组水路堵塞原因主要有三类：1）异物堵塞：橡皮垫、铜垫圈、砂粒等异物；2）氧化铜积垢：冷却水质不合格引起积垢；3）汽堵：局部流量小，产生局部高温使冷却水汽化引起汽堵。
杜绝定子绕组水路堵塞的根本措施是严格控制发电机装配及检修工艺和相应的检查制度。在机组运行或检修时可以采取以下措施来预防和避免定子绕组水路堵塞情况发生：
1） 水內冷系统中，管道、阀门的橡胶密封圈应全部更换为聚四氟乙烯垫圈。
2） 加装定子內冷水反冲洗系统，定期对定子线棒进行反冲洗。反冲洗系统的所有钢丝滤网应更换为激光打孔的不锈钢新型滤网，防止滤网破碎进入线圈。
3） 投运前和大修后，对水內冷定子线棒、转子线圈分路做流量试验（超声波流量测试）。
4） 扩大发电机两侧汇水管排污口，并安装不锈钢法兰，以便清除母管中的杂物。
5） 严格控制水质，其电导率应达到标准要求或制造厂的规定。
6） 严格保持发电机转子进水支座石棉盘根冷却水压低于转子內冷水进水压力，以防石棉材料破损物进入转子分水盒內。
3 漏氢
由于氢气良好的导热性，在大型机组中广泛被采用为冷却介质，常见的水氢氢冷却方式中，氢气介质冷却了定子和转子两个系统部位。而且随着容量的增大，氢压逐步增高。由于氢气的物理特性，其渗透性和扩散能力很强，因此高氢压的发电机中，如果密封不严，极易发生氢气泄漏。漏氢会导致发电机机内氢压不能保持额定值，将影响发电机的出力；消耗过多的氢气增加制氢站的负荷；发电机周围的漏氢与空气混合后，若氢气浓度为4%-75%时遇电火花或高温，可能着火甚至引起爆炸。
常见的漏氢部位主要发生在：发电机端罩和机座结合面；端盖与端罩及上下半端盖结合面；端盖与密封瓦座结合面；定子引出线套管；氢气冷却器上下法兰与机壳结合面等。
漏氢形成的原因主要体现在：密封面或密封加装工艺不良；焊缝的焊接质量不良，存在气隙；转子滑环导电螺钉或转子轴中心孔端面堵板不严；氢气系统管路及附件渗漏；氢气漏入定子绕组内冷水系统；密封瓦内部漏氢等方面。 防止漏气的预防措施及建议有以下几点：
1） 保证氢冷系统的严密性，检修后必须进行气密性试验，试验不合格不允许投入运行。
2） 要求密封油系统平衡阀、压差阀必须动作灵活、可靠，以确保在机组运行中氢油的压差在规定的范围内，发电机不向外漏氢。
3） 在发电机出线箱与封闭母线连接处应装设隔氢装置，以防止氢气漏入封闭母线。
4） 监测定子水內冷系统的含氢量，当（体积含量）超过3%时，应加强电机监视，超过20%应立即停机处理。
5） 安装漏氢在线监测装置。
4 滑环及碳刷过热
由于发电机的碳刷运行与维护是传统技术，多年来工艺和技术水平无实质性突破。所以，各方对发电机励磁系统关注不够，投入有限，进而导致连续发生了多起大型发电机组，因碳刷或转子滑环故障引发的停机事故，给企业造成很大的经济损失。
引起滑环及碳刷过热的主要原因是：碳刷与滑环接触不良，接触电阻过大；滑环的氧化膜薄厚不均匀，引起碳刷电流分布不平衡；滑直径大，摩擦损耗大；滑环材质差、硬度低且不均匀；通风不合理，冷却效果差，滑环温度高；碳刷上弹簧压力不均匀或大小不适宜；碳刷在刷握里太松而发生跳动，或太紧了碳刷在刷握里卡住了等等。
根据以上分析的原因，建议采取以下几点预防性措施：
1） 减小滑环直径，改进滑环通风。
2） 勤检查恒压弹簧压力，发现恒压弹簧压力达不到规定压力或断裂、变形时，应及时更换以免造成碳刷与滑环接触不良。
3） 采用性能良好的碳刷和新结构刷握。
4） 加强对发电机的巡视，注意测量碳刷及集电环处的温度。
5） 对于滑环上凸起与凹陷等设备问题，要利用机组检修的机会进行车削、车磨。
5 轴电压
汽轮发电机运行中发生轴电压及大轴磁化是常见故障，该类故障的发生给设备造成损坏，有时为了消除缺陷迫使机组长期停运。轴电压产生的原因有：由于蒸汽与汽轮机叶片摩擦产生静电荷引起轴电压；由于发电机磁路不对称（如定子迭片接缝，转子偏心等），以及转子引线电流不对称产生的轴向磁通引起轴电压；静止可控硅励磁系统在转子绕组中产生的脉冲分量（如300Hz分量），由于转子绕组对大轴、大轴经油膜对地存在分布电容，形成轴电压；由于转子绕组匝间短路，两点接地故障以及定子绕组內部短路产生的轴向漏磁通引起轴电压。
轴电压的危害轴承油膜被轴电压击穿后形成轴电流，当电流密度超过20A/mm2时，将引起轴颈表面和轴瓦的电烧伤以致损坏；使转子轴、轴承座、风扇环座以及汽轮机部件磁化，进而增大单极电势，严重影响机组的正常运行和压差阀控制及汽机串轴保护的正常投入，并对机组维修工作带来困难，必须进行退磁处理。
防止轴电压的措施有几下几点：
1） 电机设计和制造上采取措施，消除磁路不对称因素，以减小轴电压
2） 发电机励端轴承、密封座、油管等加装绝缘垫片，并在运行中监测绝缘电阻值，防止轴电流的形成和流通。
3） 发电机汽端大轴加装接地电刷，以便释放轴上的静电电荷。
4） 同时在发电机励端也设置接地电刷，通过RC电路接地，通常R为500Ω，并联电容C为10μF，这种接地方式可将轴电流限制到毫安级，同时对于静止可控硅励磁系统脉冲电流产生的轴电压可有效的防止。其原理图见下图所示。该装置还可测量接地电压和电流的特征頻率分量，进而判断轴电流故障。
6 结论
当前我国正处大型发电机组发展时期，600MW发电机组将逐渐取代300MW发电机组成为电网中主力机组。随着汽轮发电机设计技术、制造工艺的不断完善和提高，运行监测和检修方式的不断增强，许多设计、制造中的薄弱环节逐步被解决，检修工作也将从传统的检修方式转变为预防性检修。汽轮发电机组运行安全性、经济性、可靠性也将越来越高。
本文只是对个人实践工作中，现阶段的主流300MW汽轮发电机检修中常见的几种故障进行了浅显的概括总结。文中提到的些许见解，是基于个人多年从事电机检修实践认识的小结，也是个人对发电机检修、检查工作把握的重点内容。希望能够给从事现场实践的同仁们提供点滴思路上的拓展和工作上的借鉴。
参考文献
1. 李伟清、王绍禹《发电机故障检查分析及预防》，中国电力出版社，1996年；
2. 国家电力公司发输电运营部《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》辅导教材，中国电力出版社，2001年9月；
3. 600MW火电机组运行技术丛书-电气分册，中国电力出版社，2000年6月；
4. 周德贵等《发电机运行技术与实践》中国电力出版社，1996年5月；
5. 600MW火力发电机组培训教材《电气设备及其系统》中国电力出版社 2000年3月。