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本文的內容是關於發電機轉子振動隨負荷升高而攀升， 非常實用的案例分享， 希望對你的工作和學習有所幫助。
某廠2×1000MW超超臨界汽輪發電機組由上海某集團引進西門子公司技術生產， 汽輪機型號為N1000-26．25／600／600(TC4F)， 發電機型號為THDFl25／67， 採用水一氫一氫冷卻方式。 2011-01-26， 該廠2號機組首次並網， 在帶負荷至271 MW時， 發電機發生短路事故。
一、機組軸系簡介及故障現象
該機組軸系由1根高壓轉子(HP)、1根中壓轉子(IP)、2根低壓轉子(LPl， LP2)、l根發電機轉子(G)、1根勵磁小軸(EX)以及8個支撐軸承組成。 該機組的軸系結構如圖1所示， 各轉軸的臨界轉速如表1所示。
2011-01-26， 2號機組首次並網帶負荷至271 MW時， 在發電機定子出線盒內發生出線端三相短路故障， 導致轉子繞組出現接地故障。 隨後， 安裝單位和製造廠處理故障， 其中發電機定子部分在現場修復， 轉子部分返廠修理， 並將所有的線棒都進行了更換。 故障處理後，
振動特徵主要有以下幾點：
1）機組定速或空載時， 7， 8號軸承的軸振最大值約為70 um；
2)機組帶負荷後， 7， 8號軸承的軸振在負荷500 MW以上時隨著負荷升高而快速提升， 最大軸振值分別達到220 um和130 um， 在負荷降至500 MW以下時， 軸振開始快速回落；
3)當負荷升至某一工況穩定運行時(轉子電流一定)， 7， 8號軸承的軸振仍呈上升趨勢， 近3 h後， 振動才能完全穩定；
4)發電機各軸承的瓦振較小， 且隨負荷變化量較小；
5)發電機各軸承的軸振以工頻成分為主；
6)在振動幅值波動過程中， 其相位變化不大， 且各工況下的振動具有較好的重複性。
二、故障原因分析
根據振動特徵可以看出，
1冷卻系統故障
對於氫內冷發電機， 通風孔是轉子熱交換的主要風路通道， 通風孔變形、雜物堵塞等會引起通風孔通流面積減小， 這將破壞冷卻的對稱性， 使轉子橫截面的溫度不對稱， 進而引起熱彎曲。 該故障的特點是：隨著氫溫的升高， 發電機轉子的冷卻效果會變差， 但轉子不對稱冷卻程度就相對減小，
2轉子線圈膨脹受阻
發電機的磁場由轉子繞組的勵磁電流建立， 勵磁電流通過繞組並加熱線圈， 線圈受熱後向兩端膨脹。 如果這種膨脹不受約束， 並不會在轉子上產生內應力， 而在旋轉過程中線槽中的銅線承受巨大離心力， 使線圈緊貼在槽楔和護環的內壁， 導致結合面存在很大的摩擦力， 阻礙線圈膨脹；如果有些線槽中的線圈完全膨脹出來，
該故障的特點是：線圈膨脹量隨著轉子電流增大而加大， 這類振動總體上與電流大小有關。 但由於存在一定的摩擦力， 線圈受熱膨脹及冷卻收縮均會受阻， 2者都可以引起轉子的彎曲。 所以當轉子電流增加後振動上升， 但電流恢復到初始狀態時， 振動不會完全恢復， 往往更高。 另外， 經過一段時間的運行後， 這類故障隨著線圈多次膨脹、收縮後， 會慢慢消失。 而本案例中的轉子振動對轉子電流跟隨性很好， 且在運行近1年後仍具有較好的重複性， 因此可以判斷線圈膨脹受阻不是引發該轉子熱不平衡振動的主要原因。
3轉子繞組匝間短路
因發電機短路，定子膛內被污染，未被徹底清理的污染物可能會進入轉子通風槽或其他部位，引起匝問短路。通過以下試驗，並與轉子修後返回的交接試驗進行比對驗證，結果如下：
1)空載特性曲線與交接試驗曲線符合陛好；
2)轉子直阻與出廠值比較在合格範圍內，且較出廠值略大，如表2所示；
3)轉子繞組靜態交流阻抗試驗資料正常；
4)轉子動態交流阻抗試驗資料如表3所示；
5)動態轉子繞組RSO脈衝試驗顯示，正、負2條相應曲線出現了不吻合部分，不吻合部分的電壓最大偏差接近250 mV；
6)用探測線圈波形法診斷出電極B第4號線圈存在疑似匝問短路故障；
7)靜態RSO脈衝試驗合格(膛內靜態)；
8)極平衡試驗合格(膛外靜態)；
9)匝間電壓分佈試驗合格(膛外靜態)，匝間電壓分佈資料如表4所示。
由上述試驗結果得知，該轉子繞組具備動態匝間短路特徵，轉子繞組可能存在動態匝間短路。為徹底查明轉子繞組是否存在匝間短路，在2012年機組大修時，將2號發電機轉子再次返廠檢修。在轉子全部繞組拆除過程中，未發現匝間絕緣過熱發黑、破損和通風孔堵塞現象，線棒也未發現明顯過熱、放電痕跡，證明轉子繞組未發生過金屬性匝間短路。另外，從機械振動角度來看，匝間短路產生的高溫將使滑動層受損，影響線圈的膨脹，而且還可能產生不均勻的磁拉力。因此，由匝間短路誘發的振動不僅具有線圈膨脹振動特徵，而且與勵磁電流成正相關性。這些均與該轉子的振動特徵不符，所以匝問短路不是導致7，8號軸承軸振異常的主要原因。
4轉子材質不均
轉子材質不均是指轉子鍛件的氣隙、夾雜、鼓泡等使轉子徑向纖維組織不均勻，導致材料的物理特性存在各向異性。這類問題通常由鍛件生產和熱處理過程中的缺陷引起。在機組運行中，當材質各向異性的轉子受熱以後，轉軸將會產生不均勻的軸向或徑向膨脹，引起轉子出現熱彎曲，從而導致不平衡振動。轉子材質不均導致的故障主要有以下幾個特點：
1)轉子電流越大(與機組有功、無功負荷正相關)，轉子的熱彎曲量越大，產生的不平衡振動也就越大；
2)由於轉子材料物理特性的各向異性是一定的，其受熱時彎曲的方向不變，所以其振動的相位基本維持不變；
3)材質不均導致的熱彎曲一般具有可逆性，因此其誘發的不平衡振動隨轉子電流的變化有較好的重複性；
4)由於發電機轉子品質大，其對熱量的反應具有一定的滯後性，因此振動變化也會滯後於轉子電流的變化。可以看出，該發電機7，8號軸承軸振異常現象與轉子材質不均的振動特徵比較吻合。另外，從發電機轉子原始出廠動平衡試驗資料(如表5所示)和發電機短路故障返修後再出廠動平衡試驗結果(如表6所示)可以看出，2號發電機轉子受熱後，測點D的振幅變化量達到77“m，存在明顯的熱彎曲現象。如果計及振動相位的影響，其振動熱變數將更大。這也反映了該發電機轉子可能存在原始材質不均勻的問題。
5定子三相短路對轉子熱不平衡的影響
該發電機發生三相短路事故的時間是在首次並網後不久，發電機在事故前並未滿負荷運行過，沒有相關的振動資料，但短路事故對轉子材質的影響不可忽略。短路時機組負荷為271 MW，在差動保護動作、GCB(GeneratorCircuit Breaker，發電機出口斷路器)跳開前，電網反送的功率也很高(機端三相短路電流最大時達到225 kA)，因此在發電機內部產生了極高的溫度，尤其是勵端轉子直接被高溫電弧衝擊時。轉子經瞬間高溫衝擊後，其局部材質內部組織結構可能發生變異，使其物理特性存在各向異性，從而導致轉子受熱後產生軸向或徑向不均勻膨脹，引發熱彎曲。
三、轉子現場熱態動平衡
在確認誘發2號發電機7，8號軸承軸振異常的主要原因為轉子材質不均後，對發電機轉子進行了熱態動平衡。在熱態動平衡方案的計算中，考慮了空載及額定負荷工況下的振動情況，並把定速、空載工況下的振動幅值適當增大、相位拉反，以補償高負荷工況下的振動熱變數。2012-06-22，利用機組調停機會實施了現場熱態動平衡試驗，在勵磁風扇環上135度處加重1 135 g，在勵發對輪304度，329。和355度處加重792g，9509和950g。實施熱態動平衡後，7，8號軸承的軸振在各負荷下達到了優良水準，同時也較好地兼顧了空載情況下的振動情況，軸振幅值及相位變化如表7所示。
四、結論
1、引起發電機轉子振動的原因很多，需根據振動特點和有關試驗情況進行綜合分析並逐一排除。在分析轉子熱致不平衡振動的時候，往往將重點放在轉子存在匝間短路上，而忽視了轉子存在材質缺陷而導致振動異常的可能。
2、轉子返廠修理後，一定要在製造廠轉子試驗臺上做好熱態動平衡試驗(類比滿負荷工況下轉子運行溫度)。
3、該發電機轉子因材質不均而引起較大的原始熱彎曲，雖然原始出廠時熱態動平衡試驗合格，但實際運行情況中存在較大偏差。因此，針對存在較大熱彎曲的發電機轉子，有關出廠前的熱態動平衡試驗方法還需進一步研究、改進，以使其儘量符合實際工況。
4、發電機三相短路的電、熱、機械應力對轉子的平衡有不利影響，因此應嚴格執行防止發電機短路的反事故措施，防止發電機短路故障的發生。
3轉子繞組匝間短路
因發電機短路，定子膛內被污染，未被徹底清理的污染物可能會進入轉子通風槽或其他部位，引起匝問短路。通過以下試驗，並與轉子修後返回的交接試驗進行比對驗證，結果如下：
1)空載特性曲線與交接試驗曲線符合陛好；
2)轉子直阻與出廠值比較在合格範圍內，且較出廠值略大，如表2所示；
3)轉子繞組靜態交流阻抗試驗資料正常；
4)轉子動態交流阻抗試驗資料如表3所示；
5)動態轉子繞組RSO脈衝試驗顯示，正、負2條相應曲線出現了不吻合部分，不吻合部分的電壓最大偏差接近250 mV；
6)用探測線圈波形法診斷出電極B第4號線圈存在疑似匝問短路故障；
7)靜態RSO脈衝試驗合格(膛內靜態)；
8)極平衡試驗合格(膛外靜態)；
9)匝間電壓分佈試驗合格(膛外靜態)，匝間電壓分佈資料如表4所示。
由上述試驗結果得知，該轉子繞組具備動態匝間短路特徵，轉子繞組可能存在動態匝間短路。為徹底查明轉子繞組是否存在匝間短路，在2012年機組大修時，將2號發電機轉子再次返廠檢修。在轉子全部繞組拆除過程中，未發現匝間絕緣過熱發黑、破損和通風孔堵塞現象，線棒也未發現明顯過熱、放電痕跡，證明轉子繞組未發生過金屬性匝間短路。另外，從機械振動角度來看，匝間短路產生的高溫將使滑動層受損，影響線圈的膨脹，而且還可能產生不均勻的磁拉力。因此，由匝間短路誘發的振動不僅具有線圈膨脹振動特徵，而且與勵磁電流成正相關性。這些均與該轉子的振動特徵不符，所以匝問短路不是導致7，8號軸承軸振異常的主要原因。
4轉子材質不均
轉子材質不均是指轉子鍛件的氣隙、夾雜、鼓泡等使轉子徑向纖維組織不均勻，導致材料的物理特性存在各向異性。這類問題通常由鍛件生產和熱處理過程中的缺陷引起。在機組運行中，當材質各向異性的轉子受熱以後，轉軸將會產生不均勻的軸向或徑向膨脹，引起轉子出現熱彎曲，從而導致不平衡振動。轉子材質不均導致的故障主要有以下幾個特點：
1)轉子電流越大(與機組有功、無功負荷正相關)，轉子的熱彎曲量越大，產生的不平衡振動也就越大；
2)由於轉子材料物理特性的各向異性是一定的，其受熱時彎曲的方向不變，所以其振動的相位基本維持不變；
3)材質不均導致的熱彎曲一般具有可逆性，因此其誘發的不平衡振動隨轉子電流的變化有較好的重複性；
4)由於發電機轉子品質大，其對熱量的反應具有一定的滯後性，因此振動變化也會滯後於轉子電流的變化。可以看出，該發電機7，8號軸承軸振異常現象與轉子材質不均的振動特徵比較吻合。另外，從發電機轉子原始出廠動平衡試驗資料(如表5所示)和發電機短路故障返修後再出廠動平衡試驗結果(如表6所示)可以看出，2號發電機轉子受熱後，測點D的振幅變化量達到77“m，存在明顯的熱彎曲現象。如果計及振動相位的影響，其振動熱變數將更大。這也反映了該發電機轉子可能存在原始材質不均勻的問題。
5定子三相短路對轉子熱不平衡的影響
該發電機發生三相短路事故的時間是在首次並網後不久，發電機在事故前並未滿負荷運行過，沒有相關的振動資料，但短路事故對轉子材質的影響不可忽略。短路時機組負荷為271 MW，在差動保護動作、GCB(GeneratorCircuit Breaker，發電機出口斷路器)跳開前，電網反送的功率也很高(機端三相短路電流最大時達到225 kA)，因此在發電機內部產生了極高的溫度，尤其是勵端轉子直接被高溫電弧衝擊時。轉子經瞬間高溫衝擊後，其局部材質內部組織結構可能發生變異，使其物理特性存在各向異性，從而導致轉子受熱後產生軸向或徑向不均勻膨脹，引發熱彎曲。
三、轉子現場熱態動平衡
在確認誘發2號發電機7，8號軸承軸振異常的主要原因為轉子材質不均後，對發電機轉子進行了熱態動平衡。在熱態動平衡方案的計算中，考慮了空載及額定負荷工況下的振動情況，並把定速、空載工況下的振動幅值適當增大、相位拉反，以補償高負荷工況下的振動熱變數。2012-06-22，利用機組調停機會實施了現場熱態動平衡試驗，在勵磁風扇環上135度處加重1 135 g，在勵發對輪304度，329。和355度處加重792g，9509和950g。實施熱態動平衡後，7，8號軸承的軸振在各負荷下達到了優良水準，同時也較好地兼顧了空載情況下的振動情況，軸振幅值及相位變化如表7所示。
四、結論
1、引起發電機轉子振動的原因很多，需根據振動特點和有關試驗情況進行綜合分析並逐一排除。在分析轉子熱致不平衡振動的時候，往往將重點放在轉子存在匝間短路上，而忽視了轉子存在材質缺陷而導致振動異常的可能。
2、轉子返廠修理後，一定要在製造廠轉子試驗臺上做好熱態動平衡試驗(類比滿負荷工況下轉子運行溫度)。
3、該發電機轉子因材質不均而引起較大的原始熱彎曲，雖然原始出廠時熱態動平衡試驗合格，但實際運行情況中存在較大偏差。因此，針對存在較大熱彎曲的發電機轉子，有關出廠前的熱態動平衡試驗方法還需進一步研究、改進，以使其儘量符合實際工況。
4、發電機三相短路的電、熱、機械應力對轉子的平衡有不利影響，因此應嚴格執行防止發電機短路的反事故措施，防止發電機短路故障的發生。