水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心電磁振動(dòng)原因分析及處理

李香華，單文建，王 軍

?

水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心電磁振動(dòng)原因分析及處理

李香華，單文建，王 軍

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北宜昌 443002）

本文介紹了某大型水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心電磁振動(dòng)缺陷情況，從設(shè)計(jì)和安裝等方面對(duì)缺陷原因進(jìn)行分析，通過(guò)有針對(duì)性的技術(shù)改造，從根本上解決了發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)問(wèn)題。

水輪發(fā)電機(jī)；定子鐵心；電磁振動(dòng)

0 前言

大型水輪發(fā)電機(jī)組是由水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的立式旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，水輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由于水力、機(jī)械和電磁等因素的綜合影響，振動(dòng)不可避免，而定子鐵心的電磁振動(dòng)是水輪發(fā)電機(jī)發(fā)生事故和嚴(yán)重?fù)p壞的根源之一。國(guó)內(nèi)某大型水輪發(fā)電機(jī)組為我國(guó)20世紀(jì)80年代初期自行設(shè)計(jì)、自行生產(chǎn)的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，投產(chǎn)運(yùn)行不久就出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)和噪聲偏大問(wèn)題，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 定子鐵心電磁振動(dòng)現(xiàn)象及測(cè)試

1.1 電磁振動(dòng)現(xiàn)象

水輪發(fā)電機(jī)組定子為六瓣組裝結(jié)構(gòu)，定子槽數(shù)為756槽，采用分?jǐn)?shù)槽雙層波繞組設(shè)計(jì)，每相3分支并聯(lián)，轉(zhuǎn)子磁極為48對(duì)極，轉(zhuǎn)速為62.5r/min。機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行2個(gè)月后，即出現(xiàn)了較強(qiáng)的振動(dòng)現(xiàn)象：上蓋板振動(dòng)明顯，站在上蓋板上麻腳感和振動(dòng)噪音直觀感覺(jué)強(qiáng)烈，機(jī)組下游側(cè)中控室內(nèi)值班人員有明顯的振感，用DN2精密聲波計(jì)測(cè)量噪音達(dá)87DB，超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 振動(dòng)測(cè)試情況

為查明缺陷原因，電廠先后與設(shè)備廠家、試驗(yàn)研究所和高校等多單位進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。首先測(cè)量了發(fā)電機(jī)蓋板的振動(dòng)、定子外殼及定子合縫的振動(dòng)，其次做了變工況試驗(yàn)（即變負(fù)荷和變電壓），最后做了定子鐵心的振動(dòng)試驗(yàn)，并與同類(lèi)型機(jī)組進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量分析，試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）機(jī)組上機(jī)架上端內(nèi)徑部位垂直振動(dòng)通頻大部分測(cè)點(diǎn)已超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)100μm的要求，100 Hz的振動(dòng)幅度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)。

（2）從機(jī)組各部分振動(dòng)頻譜分析看，機(jī)組振動(dòng)頻率以100Hz左右為主，兼有機(jī)組轉(zhuǎn)頻（1.04Hz）的振動(dòng)，其振動(dòng)能量以100Hz頻率的能量為主，與導(dǎo)葉、葉片數(shù)相近的低頻振幅很小，可排除引起機(jī)組振動(dòng)的機(jī)械及水力因素的可能性，確定為定子鐵心100Hz引起的電磁振動(dòng)，這種100Hz 鐵心激振能量大（與頻率平方成正比），帶動(dòng)鄰近部件共振，通過(guò)上機(jī)架傳遞到蓋板，引發(fā)蓋板共振產(chǎn)生較大噪音。

（3）從變工況試驗(yàn)曲線可知，發(fā)電機(jī)在升壓時(shí)100Hz的振頻已出現(xiàn)，其中50%e時(shí)定子鐵心振動(dòng)就達(dá)到了一定幅值，隨著負(fù)荷的增加，振幅值同步增大。

（4）從同類(lèi)型機(jī)組對(duì)比測(cè)量分析，該機(jī)組中環(huán)板垂直振動(dòng)（均為100Hz分量）平均值、上機(jī)架垂直振動(dòng)平均值、定子合縫垂直振動(dòng)和定子鐵心垂直振動(dòng)均遠(yuǎn)大于其他機(jī)組；從通頻數(shù)據(jù)看，機(jī)組軸向振幅無(wú)明顯差異。說(shuō)明，該機(jī)組軸向振動(dòng)關(guān)鍵是100Hz振動(dòng)分量過(guò)大。

表1 定子鐵心100Hz振動(dòng)幅值試驗(yàn)數(shù)據(jù)(單位：μm)

注：其它測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)值較小，此表沒(méi)有錄入。

2 定子鐵心電磁振動(dòng)原因排查分析

按照振動(dòng)的頻率，水輪發(fā)電機(jī)的振動(dòng)可分為兩類(lèi)：一類(lèi)稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)頻率振動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)頻振動(dòng)；另一類(lèi)稱(chēng)為主極頻率振動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)極頻振動(dòng)。轉(zhuǎn)頻振動(dòng)基本上屬于低頻振動(dòng)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)頻振動(dòng)的原因主要有：轉(zhuǎn)子不圓、轉(zhuǎn)子有匝間短路、轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡、軸彎、定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的軸心不重合等。極頻振動(dòng)的頻率為100Hz或其倍數(shù)，產(chǎn)生極頻振動(dòng)的主要原因有：定子分?jǐn)?shù)槽次諧波磁勢(shì)、負(fù)序電流、機(jī)座合縫不好、定子鐵心松動(dòng)等。

2.1 定子分?jǐn)?shù)槽次諧波磁勢(shì)問(wèn)題

由電磁振動(dòng)原理可知，水輪發(fā)電機(jī)高頻振動(dòng)基本上都是由定子繞組中流過(guò)電流時(shí)產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)諧波磁場(chǎng)與氣隙主波磁場(chǎng)相互作用形成激振力波引起的，產(chǎn)生分?jǐn)?shù)次諧波磁場(chǎng)的可能原因有兩個(gè)：

當(dāng)你一切春風(fēng)得意，你的感覺(jué)極好的時(shí)候，你覺(jué)得魯迅著作是讀不進(jìn)去的；但是一旦當(dāng)你對(duì)現(xiàn)狀不滿，包括社會(huì)現(xiàn)狀，也包括你自己的現(xiàn)狀，你想尋求新的出路的時(shí)候，這就是你接近魯迅的最佳時(shí)機(jī)。

一是由于并聯(lián)支路采用集中繞組布置（即將3個(gè)只占圓周部分的并聯(lián)支路并在一起），當(dāng)氣隙不均勻時(shí)，每個(gè)支路感應(yīng)的電勢(shì)不一樣，從而在支路間形成環(huán)流，這種環(huán)流在氣隙磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生一系列的分?jǐn)?shù)次諧波，與基波相作用形成力波。由于空載和負(fù)載時(shí)氣隙磁場(chǎng)變化不大，所以并聯(lián)支路環(huán)流變化不大，所引起的振動(dòng)在空載和負(fù)載時(shí)應(yīng)基本不變，即測(cè)量空載時(shí)的振動(dòng)就可判斷環(huán)流引起振動(dòng)的大小。從變工況試驗(yàn)曲線可知，空載100%e時(shí)100Hz 振動(dòng)很小，因此，可以排除環(huán)流引起振動(dòng)的可能。

二是由于定子繞組本身采用分?jǐn)?shù)槽（通常水輪發(fā)電機(jī)由于極數(shù)較多，考慮繞組對(duì)稱(chēng)及不同冷卻方式、電磁負(fù)荷匹配等因素，難以選擇到合適的整數(shù)槽繞組），氣隙磁場(chǎng)中出現(xiàn)分?jǐn)?shù)次諧波（即極對(duì)數(shù)不為基波極對(duì)數(shù)整數(shù)倍的諧波），與基波相互作用引起振動(dòng)。這類(lèi)諧波特別是極對(duì)數(shù)接近基波極對(duì)數(shù)的反轉(zhuǎn)諧波，由于與基波相互作用而在鐵心中產(chǎn)生的力波節(jié)點(diǎn)數(shù)較小，因而可能引起較大的振動(dòng)，這種振動(dòng)隨著負(fù)載的增大（即諧波磁場(chǎng)的加強(qiáng)）而增大。

2.2 負(fù)序電流問(wèn)題

負(fù)序電流是可以產(chǎn)生100Hz的振動(dòng)，并且電網(wǎng)中由于三相負(fù)荷的不平衡，負(fù)序電流也一定會(huì)存在，正常情況下，這種電流是很小的，一般低于總電流的5％（指并網(wǎng)情況下）。但機(jī)組從空轉(zhuǎn)到并網(wǎng)的升壓過(guò)程中，在60％e和75％e工況下，100Hz的振動(dòng)就明顯反映出來(lái)，這時(shí)的負(fù)序電流應(yīng)該為零，可見(jiàn)，負(fù)序電流不是引起100Hz振動(dòng)的主要原因。

2.3 定子合縫的問(wèn)題

定子合縫松動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)的特點(diǎn)是隨發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的投入而產(chǎn)生的，隨發(fā)電機(jī)溫度的上升而減少。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，l00Hz振動(dòng)幅值隨著勵(lì)磁電流的加入而出現(xiàn)，但又隨著負(fù)荷的增加而增大，并且不隨溫度的上升而減少。檢測(cè)定子合縫的間隙，在冷態(tài)下其間隙只有十幾微米，熱態(tài)下無(wú)間隙，而該機(jī)組在冷態(tài)和熱態(tài)時(shí)都存在振動(dòng)，說(shuō)明其振動(dòng)與定子合縫的間隙無(wú)關(guān)。

2.4 定子鐵心問(wèn)題

定子鐵心松動(dòng)的振動(dòng)頻率是電流頻率的2倍，隨著勵(lì)磁電流的加入而出現(xiàn)，又隨著負(fù)荷的增加，振動(dòng)幅值增大，與測(cè)試結(jié)果相符。發(fā)電機(jī)定子鐵心沖片之間不允許松動(dòng)，但停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)該機(jī)組定子鐵心不少部位存在間隙，其間隙值在0.20～0.40 mm之間，出現(xiàn)定子鐵心松動(dòng)的現(xiàn)象；定子鐵心的波浪度最大達(dá)10～15 mm，遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的定子鐵心在圓周方向的波浪度不大于±4 mm的要求，并且鐵心變形產(chǎn)生局部凹凸現(xiàn)象有24處。

分瓣定子鐵心在廠內(nèi)壓裝，6瓣運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行組裝。據(jù)廠家人員介紹，在廠內(nèi)安裝鐵心時(shí)，只預(yù)壓兩次，而其他機(jī)組預(yù)壓三次，因此可以認(rèn)為該機(jī)組的定子鐵心的壓緊力是不夠的。因此在運(yùn)行一段時(shí)間后，出現(xiàn)定子鐵心松動(dòng)，產(chǎn)生電磁振動(dòng)（投產(chǎn)一個(gè)月出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題）。在運(yùn)行中，伴隨著機(jī)組勵(lì)磁的投入，出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。隨著機(jī)組負(fù)荷的增加及溫度的升高，鐵心變形越來(lái)越大。由于定子鐵心定位筋（鴿尾筋）與鐵心及托塊之間沒(méi)有間隙，且定子又無(wú)法向外滑動(dòng)，因此鐵心變形膨脹向合縫處擠壓，這就是合縫處變形大的原因。隨著鐵心變形的增大，振動(dòng)也增大。因此定子鐵心松動(dòng)、變形（波浪度，間隙增大等）和增大是產(chǎn)生該機(jī)組100Hz電磁振動(dòng)的主要原因之一。

綜上所述，引起機(jī)組100Hz 振動(dòng)的最大可能原因是繞組本身引起的分?jǐn)?shù)次諧波振動(dòng)和定子鐵心松動(dòng)變形問(wèn)題。

3 定子鐵心電磁振動(dòng)改造措施

為徹底消除機(jī)組電磁振動(dòng)問(wèn)題，運(yùn)行多年后對(duì)該機(jī)組進(jìn)行了更新改造，針對(duì)原電磁振動(dòng)問(wèn)題，從設(shè)計(jì)、安裝等方面進(jìn)行了改造，主要措施包括：

（1）將原發(fā)電機(jī)定子的分瓣結(jié)構(gòu)改為整圓結(jié)構(gòu)，鐵心彈性模量增大，從而使定子鐵心振動(dòng)幅值減小，同時(shí)徹底解決了合縫槽引起的鐵心變形等問(wèn)題；

（2）將原來(lái)的固定式定位筋全部改為浮動(dòng)式雙鴿尾筋，并采用具有壓緊螺母、蝶形彈簧、穿芯螺桿及墊圈的鐵心緊固結(jié)構(gòu)，利用蝶形彈簧的變形補(bǔ)償鐵心運(yùn)行后的收縮，定位筋與托塊之間的間隙，可有效防止鐵心由于溫度應(yīng)力產(chǎn)生的翹曲變形。

（3）定子疊片時(shí)分段壓緊，采用冷壓及鐵損試驗(yàn)后加熱壓緊的工藝措施，這種措施可使鐵心單位壓力由原來(lái)的1.0MPa提高到1.96MPa，可以改善定子鐵心長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后松動(dòng)的問(wèn)題。

（4）修改電磁設(shè)計(jì)，將原756 槽更改為792槽設(shè)計(jì)，減少分?jǐn)?shù)次諧波與氣隙主波磁場(chǎng)相互作用形成的激振力波影響。

改造前槽數(shù)= 756，極對(duì)數(shù)=48，則每極每相槽數(shù)，（其中是相數(shù)，此處為 3；、、為整數(shù)，且、互質(zhì)。）根據(jù)定子繞組的基本參數(shù)可知，機(jī)組的單元電機(jī)數(shù)，由分?jǐn)?shù)槽繞組磁勢(shì)的諧波波譜理論，對(duì)于對(duì)稱(chēng)的三相60°相帶繞組，定子磁勢(shì)的空間諧波次數(shù)為：

改造后槽數(shù)= 792，極對(duì)數(shù)=48，則每極每相槽數(shù)，機(jī)組的單元電機(jī)數(shù)，定子磁勢(shì)的空間諧波次數(shù)為：

通過(guò)改造前后理論計(jì)算對(duì)比分析，在其他參數(shù)無(wú)明顯變化的情況下，更改電磁設(shè)計(jì)前后，最接近主波的2個(gè)反轉(zhuǎn)定子磁勢(shì)波以及反轉(zhuǎn)次諧波磁勢(shì)力波次數(shù)均明顯增加，因此，次諧波磁場(chǎng)和氣隙主波磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的激振力波幅值將明顯減弱。

4 改造后效果分析

為驗(yàn)證改造后機(jī)組電磁振動(dòng)情況，對(duì)改造后機(jī)組進(jìn)行電磁振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）機(jī)組上機(jī)架垂直振動(dòng)幅值遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求允許值80μm，上機(jī)架水平振動(dòng)在空轉(zhuǎn)無(wú)勵(lì)磁和100%e工況下的振幅分別為30μm和45μm，幅值也遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求允許值110μm，可見(jiàn)機(jī)組的機(jī)械不平衡力和電磁不平衡力皆不大，機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)組改造后上機(jī)架振動(dòng)趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 機(jī)組改造后上機(jī)架振動(dòng)趨勢(shì)圖

（2）在各種工況下發(fā)電機(jī)定子鐵心水平方向均未出現(xiàn)100Hz極頻電磁振動(dòng)現(xiàn)象，而定子鐵心中出現(xiàn)的50Hz振動(dòng)系工頻干擾，并非發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)所致，如圖2所示。

圖2 50MW負(fù)荷工況下定子鐵心X向水平振動(dòng)時(shí)域圖和頻譜圖

（3）上機(jī)架水平振幅和定子鐵心振幅在各種工況下都滿足振動(dòng)規(guī)程要求。

（4）在不同負(fù)荷工況下，機(jī)組定子三相電流基本相同，這表明機(jī)組三相負(fù)荷基本平衡，不存在三相負(fù)荷不平衡而影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試和分析，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)原因進(jìn)行排查，并從設(shè)計(jì)和安裝等方面有針對(duì)性地進(jìn)行改造，從根本上解決了發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)問(wèn)題，對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)問(wèn)題分析和處理方面有較高的借鑒意義。

[1] 許實(shí)章, 等. 水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心的磁振動(dòng)[J]. 華中工學(xué)院學(xué)報(bào), 1973,（12）: 48-53.

[2] 哈爾濱電工學(xué)院電機(jī)教研室. 水輪發(fā)電機(jī)的振動(dòng)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 1974,（1）.

Analysis and treatment for the electromagnetic vibration of stator core of large Hydro-Generator Set

Li Xianghua, Shan Wenjian, Wang Jun

(China Yangtze Power Corporation Ltd., Yichang 443002, China)

This paper describes the defect of the electromagnetic vibration of stator core of large hydro-generator set, and analyzes the cause of the defect from design and installation. Through the targeted technical transformation, the problem of electromagnetic vibration of the generator is basically resolved.

hydro-generator; stator core; electromagnetic vibration

TM312

A

1000-3983(2016)05-0026-04

2016-04-07

李香華（1981-），2013年獲得重慶大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位，現(xiàn)從事水電站電氣一次專(zhuān)業(yè)技術(shù)管理工作，高級(jí)工程師。

審稿人：呂桂萍