Analysis of Influence of Deep Peak Shaving on Stator and Rotor Windings of Coal-fired Turbo Generator
张文明 ZHANG Wen-ming；张庆伟 ZHANG Qing-wei；宋贵涛 SONG Gui-tao
（华电国际邹县发电厂，济宁 273522）
（Huadian Power International Corporation Limited Zouxian Power Plant，Jining 273522，China）
摘要：当前邹县发电厂四台燃煤汽轮发电机组承担电网调节任务的压力越来越大，快速调整负荷的瓶颈问题突出。本文分析了当前邹县发电厂参与调峰的四台发电机正常运行方式定、转子典型故障，并对深度调峰时发电机定、转子热膨胀差值进行计算分析、评估，判断定、转子绕组热膨胀差值是发电机深调的主要限制因素。本文的内容为适应深度调峰的燃煤汽轮发电机优化和改进提供了确切思路，为保证发电机参与深调的安全可靠运行提供有益参考。
Abstract: At present, the pressure of four coal-fired steam turbine generator sets of Zouxian Power Plant to undertake grid adjustment tasks is increasing, and the bottleneck problem of rapid adjustment of load is prominent. This paper analyzes the current normal operation mode and typical rotor failure of four generators involved in peak shaving in Zouxian Power Plant, and calculates and analyzes the difference between generator stator and rotor thermal expansion during deep peak shaving, and determines the stator winding. The difference in thermal expansion is the main limiting factor for the deep regulation of the generator. The content of this paper provides a clear idea for the optimization and improvement of coal-fired turbine generators for deep peak shaving, and provides a useful reference for ensuring the safe and reliable operation of generators participating in deep adjustment.
关键词：深度调峰；汽轮发电机；运行方式；故障分析；热膨胀差值
Key words: deep peak shaving；turbo generator；operation mode；fault analysis；thermal expansion difference
中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）23-0161-04
0 引言
目前我国电力系统存在超高压、远距离、交直流混合输电的特点，加之风电、太阳能等分布式电源大量介入[1]。“十三五”期间能源清洁化和电力体制改革走向深入，电网和电站运行长距离输电、新能源接入、节能和超低排放、灵活性运行、竞价上网特点突出。燃煤火电机组运行的外部环境变革，运行方式从原来的主要承担“基荷”运行转变成调峰、调压、调频等灵活方式运行，新的运行方式对在役燃煤发电机的适应性、可靠性和经济性等提出了更高的要求[2]。
在“十三五”期间，新增跨省跨区通道19条、输电能力1.3亿千瓦，新能源和可再生能源约7000万千瓦，电力消费增速减速换挡、煤电机组投产过多、煤电机组承担高速增长的非化石能源发电深度调峰和备用等功能的原因[3] [4]，火电机组尤其是煤电机组在未来几年持续低负荷运行或者深度调峰将成为常态。煤电发展将从单纯保障电量供应，向更好地保障电力供应、提供辅助服务并重转变[5]。
1 深调方式简介
深度调峰就是受电网负荷峰谷差较大影响而导致各发电厂降出力、发电机组超过基本调峰范围进行调峰的一种运行方式；深度调峰的负荷范围超过该电厂锅炉最低稳燃负荷（一般深度调峰的调峰深度为60%-70%BMCR）。目前，燃煤火电呈现出参与调峰或调停机组数增多、利用小时数减少、机组负荷率低等特点。
邹县发电厂燃煤火电机组的调峰运行方式变负荷运行，且邹县发电厂深调超过一般调节深度负荷，负荷变化快。
过去大容量燃煤火电机组均以带基础负荷长期稳定运行为设计目标，关注的重点在于如何优化定转子绕组和定子铁心的冷却方式，以提高满负载工况下发电机的输出效率和参数。但是当前由于电网外部运行环境的改变，发电机的运行方式与以往相比有很大的不同。调峰、调压、进相运行的时间和次数都大大增加。虽然发电机在设计之初，考虑了各种运行环境对发电机的影响，也采取了相应的措施加以应对，但实际上之前很少有大容量汽轮发电机在长期的调峰、调压包括进相下运行，行业内对这些运行方式的机理分析还不够[4]。
2 正常运行方式与深度调峰对发电机定、转子绕组及铁芯的影响对比分析
邹县发电厂在役8台燃煤汽轮发电机，其中635MW、1000MW发电机均参与深调，针对深调可能存在的问题，在历次大小修期间对发电机定、转子细致检查，深调期间着重对发电机定、转子铁芯与线棒的热膨胀差值进行数据分析，以期分析深调对电气系统的影响程度，作出研究、应对措施。
2.1 正常运行方式发电机定、转子典型故障分析
2.1.1 定子端部松动
2014年1000MW机组大修，检查发电机定子端部L型支架滑销有六处磨损，定子励端支架与环形引线之间10、11、12、1、2、4、5点钟支架有不同程度的磨损，励端11点钟引线与支撑环之间有磨损，有轻微黄粉。处理情况：清理、检查、复位滑销，并粘结固定滑移销套。铲开松动的定子环形引线绑绳，环形引线加间隔块，并用Φ5，浸NAZ胶的涤波绳绑扎牢固。
2.1.2 转子绕组匝间短路
检查发电机转子存在轻微匝间短路现象。解体后发现，护环下转子线圈顶匝在R处变形严重；#9槽励侧护环下1～2匝间绝缘纸破损，且有放电痕迹；#19槽的励侧护环下1～2匝间有放电痕迹。
以上为机组正常方式运行中，发生的定转子绕组异常情况的典型故障记录。
2.1.3 故障分析
由于定转子绕组、铁芯、绝缘材料等热膨胀系数不同，加上定子绕组本身的电磁振动加上循环热应力的影响，可能会加剧类似磨损、振动情况，甚至导致定子绕组出现端部支架断裂等故障。转子绕组承受高速旋转的离心力，可能会使转子铜线产生蠕变，进而造成端部顶匝线圈的铜线因应力蠕变而发生变形，甚至可能发展成匝间短路。发电机定子铁芯在外部运行方式变化引起的谐振下，存在出现铁芯松动、造成铁芯振动幅值加大的问题。
根据当发电机从常规运行转向频繁调峰时，应对机组进行全面检查，对于以上常态运行多发故障重点关注。结合深调时温度变化速率快的特点，初步判断定、转子绕组热膨胀差值将成为发电机深调的主要限制因素。
2.2 深调运行方式定、转子热膨胀差值分析
2.2.1 发电机运行参数
邹县发电厂#5机组635MW，截取3月5日13：00至18:00运行参数曲线，分析如下：
发电机有功在224MW至606MW，有功、无功均在发电机PQ曲线以内，符合运行要求。发电机端电压、发电机定子电流、励磁电压、励磁电流均不超过额定限值。
2.2.2 发电机各部温度
截取3月5日13：00至18:00温度曲线，分析如下：
发电机深调有功224MW时，发电机各部温度均不超限，定子最高定子铁芯夹2-43点74℃，转子温度66℃。
发电机有功在224MW至606MW，定子温升最大点定子铁芯夹2-53，温升17℃，平均2.6℃/小时，转子温升13℃，平均2℃/小时，远低于20℃/小时的要求。
2.2.3 热膨胀值计算
考虑发电机定子线圈及转子线棒的物理性状，热膨胀值偏差主要集中在轴向方向，并近似看做一维的物体，且铜、铁金属均具备各向同性，其轴向长度就是衡量其体积的决定因素，这时的热膨胀系数可简化定义为：单位温度改变下长度的增加量与的原长度的比值，即线膨胀系数。线胀系数是指固态物质当温度改变摄氏度1度时，其长度的变化和它在0℃时的长度的比值。各物体的线胀系数不同，一般金属的线胀系数约为度（摄氏）。
由线膨胀系数α=ΔL/（L*ΔT）
即：ΔL=α*L*ΔT
式中ΔL为所给温度变化ΔT下物体长度的改变，L为初始长度；
测定温度条件及单位：20℃，（单位1E-6 /K或1E-6 /℃）
查询深调始末测温记录，计算相对应的热膨胀差值，详见表2。
由表2可知：
①定子铁芯最大膨胀点位于发电机定子铁芯卡表面温度2-53，热膨胀量2.10938mm，发电机定子线棒最小膨胀点位于发电机定子线棒温度1-20，热膨胀量1.225mm；计算定子铁芯与定子线棒热膨胀差值：为2.10938-1.225=0.88438mm。
②转子热膨胀量因只有线棒温度可供参考，转子铁芯使用相同参数，仅考虑不同金属膨胀差别，计算转子铁芯与转子线棒热膨胀差值：为2.32932-1.6238688=0.7054512mm。
另：发电机由低负荷迅速增加至高负荷时铜材质的转子线棒温升将快于铁芯温度，取铁芯温差经验值10℃，其热膨胀差值为2.32932-1.22=1.10932mm。
2.2.4 发电机深调定、转子影响分析
由上可知，定子铁芯和定子绕组之间热膨胀系数不同，相对速率较快的负荷深度调整引起的温度变化速率也差异较大，造成在发电机铁芯和绕组之间的轴向膨胀和收缩量不一样，产生铜铁膨胀差。机组正常运行时或负荷缓慢调整时定、转子热膨胀差值均在可控范围内，但长期、频繁深调运行可能会因绝缘材料与铜导体膨胀系数不同形成剪切应力，造成二者间的联接破坏，使得铜导体表面的环氧云母绝缘发生分层或脱壳，降低绝缘材料的性能，进而加剧定子绕组的松动。
长期、频繁的胀缩会使转子铜线，特别是转子端部顶匝线圈的铜线容易因应力蠕变而发生变形，进而可能发展成匝间短路。
3 小结
结合正常运行方式故障与深调方式定、转子绕组热膨胀差值分析，可知长期、频繁深度调峰确会导致定、转子绕组热膨胀差值增大，进而导致发电机定子线棒绝缘松动及转子绕组匝间短路故障加剧。定、转子绕组热膨胀差值是发电机深调的主要限制因素。
此类故障建议通过对机组绕组、铁芯、绝缘材料、工艺等进行适应性的改造，完善运行调整措施，改进定子槽楔结构以提高定子线棒槽内固定的可靠性；优化和改进转子线圈端部垫块固定结构以限制线圈变形等，以适应新的运行方式需求。
下一步仍需对长期、频繁深度调峰的发电机定、转子绕组及铁芯的影响程度进行记录观测，以确定是否还存在其他不可控因素。应考虑完善转子线圈匝间短路在线监测手段、加装定子线棒在线监测装置测振、轴电压轴电流等在线监测装置，随时掌握深度调峰引发的发电机相关参数变化，以便应对深调的变化，为机组的可靠运行提供更好的保障。
参考文献：
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