賀社水電站發(fā)電機電磁噪聲分析與處理

姜美武，姜 勇

(江山市峽口水庫管理局，浙江 衢州 324116)

賀社水電站發(fā)電機電磁噪聲分析與處理

姜美武，姜 勇

(江山市峽口水庫管理局，浙江 衢州 324116)

針對賀社水電站3臺630 kW水輪發(fā)電機空載運行時產(chǎn)生的電磁噪聲過大問題，在對其電磁噪聲數(shù)據(jù)進行實測的基礎上，就電磁噪聲過大的原因進行了分析、研究與判定，確定系發(fā)電機定子的固有頻率與磁場的激振力頻率相近引起共振造成.采用加裝隔音外罩、磁極斜極改造等處理方案，均未取得預期效果，最終通過電磁計算，采用改變發(fā)電機定子槽數(shù)的辦法，徹底解決了定、轉子槽的配合不當問題,將定子固有頻率與磁場的激振力頻率相近引起共振造成的電磁噪聲控制在標準范圍之內(nèi).

水輪發(fā)電機；電磁噪聲；頻率；共振

1 概 況

賀社水電站原裝機2×800 kW+1×630 kW，總裝機容量為2 230 kW.由于該電站長期出力不足，加上已運行30 a，電站機電設備老化嚴重.2012

年，電站對機電設備進行報廢重建，設計裝機3×630 kW，水輪機型號為HLA551c-WJ-71，配套發(fā)電機型號為SFW630-10/1180.其中發(fā)電機主要參數(shù)規(guī)格(見表1).

表1 發(fā)電機主要參數(shù)

2 發(fā)電機噪聲的產(chǎn)生與測定

2.1 發(fā)電機噪聲的產(chǎn)生

2013年1月21日，機組安裝完成后，安裝調(diào)試人員在對三臺發(fā)電機動態(tài)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)發(fā)電機運轉時聲音異常，噪聲超標.

(1)發(fā)電機在額定轉速空轉時聲音正常，但加載勵磁電流后電磁噪音便出現(xiàn)異常增大.

(2)首先對1#機勵磁零啟升壓建壓，當電壓升到2 000 V時，發(fā)電機開始出現(xiàn)異常的電磁噪聲；升至4 000 V時，開始出現(xiàn)電磁嘯叫；升至額定電壓時，嘯聲進一步加劇.

(3)發(fā)電機空載額定電壓時最大噪聲>100 dB，遠遠超過合同所規(guī)定的85 dB及國家所規(guī)定的相關標準.

(4)在隨后的動態(tài)調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)2#、3#機也存在同樣的電磁嘯叫現(xiàn)象.

2.2 發(fā)電機噪聲的測定

2013年1月23日，電站業(yè)主委托第三方檢測機構來現(xiàn)場進行電磁噪聲實測，不同工況下的噪聲實測數(shù)據(jù)(見表2).

表2 1#、2#、3#發(fā)電機電磁噪聲實測數(shù)據(jù) 單位：dB

注：各測點距水輪發(fā)電機組水平距離為1 m，距離地面高度為0.89 m(即發(fā)電機中心高度)

3 發(fā)電機噪聲原因分析與判定

3.1 產(chǎn)生電機噪聲初步原因

電機在正常運行中，電機噪聲通常由機械、通風、電磁等三種原因產(chǎn)生，最終形成一個不同頻率、不同聲強的疊加噪聲.引起外部和內(nèi)部的電機噪聲影響因素有很多，但只有電機噪聲達到了一定程度才能稱作噪音[1].

根據(jù)噪聲實測數(shù)據(jù)分析，空轉工況下測定數(shù)據(jù)基本在正常范圍內(nèi)，而且整個過程中水輪發(fā)電機組也無明顯的異常振動等情況，且三臺機組具有相同的共性問題，可以判斷：

(1)該異常噪聲與水力機械、機組安裝等也可能引起噪聲的因素無關.

(2)電機在額定轉速下空轉時并未出現(xiàn)異常噪聲，說明機械和通風噪聲并非是造成異常噪聲的主要聲源.

(3)發(fā)電機在空載狀態(tài)下，電機噪聲出現(xiàn)了明顯的異常增大，且隨著電壓的升高噪聲也相應加大，說明異常噪聲系電機的電磁噪聲造成.

初步分析發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)生電機噪聲是因為發(fā)電機定子鐵心采用沖片開槽.當發(fā)電機處于空載時，由于有氣隙磁場的出現(xiàn)，轉子主極磁場產(chǎn)生的電磁力會使鐵心產(chǎn)生齒頻脈動，從而產(chǎn)生了電磁噪聲.電磁噪聲數(shù)值大小決定于電磁負荷與電機的設計參數(shù)，主要有定、轉子槽的配合不當，定、轉子偏心或氣隙過小以及長度不一致等原因[2-3].

3.2 產(chǎn)生電磁噪聲的進一步判定

2013年2月，將其中一臺發(fā)電機返廠，在工廠完成組裝并進行拖動空載建壓試驗，對電機產(chǎn)生的電磁噪聲作進一步試驗與分析.

(1)先將轉子拖動到額定轉速600 r/min，再對轉子逐步勵磁建壓，實際建壓到3 000 V后開始出現(xiàn)較大的電磁噪聲.

(2)先對轉子將勵磁加到額定值，再拖動轉子轉速逐步升高，試驗證明在0～540 r/min，640 r/min以上均沒有出現(xiàn)異常的電磁噪聲，在540～640 r/min之間，電磁噪聲明顯增加.

根據(jù)試驗情況，可以進一步得出：發(fā)電機產(chǎn)生異常的電磁噪聲是由于發(fā)電機定子的固有頻率與磁場的激振力頻率相近而引起的共振造成的噪聲.

4 降低電機噪聲的處理試驗及結果

4.1 裝隔音外罩及磁極斜極改造方法進行現(xiàn)場處理

現(xiàn)場采用加裝隔音外罩及磁極斜極改造等方法進行降噪處理,過程與結果分析如下:

(1)首先采用加裝吸音泡沫塑料等制成的外罩對發(fā)電機上部空間進行噪聲隔離，以期降低噪聲，但效果不佳，反而增加了電機及軸承的溫升，遂予以放棄.

(2)根據(jù)其它案例成功應用經(jīng)驗，采用斜極能有效地削弱諧波磁場引起的附加轉矩和電磁噪聲[4-5].將電機轉子磁極傾斜1個定子齒距，改為斜極，以減小其平均徑向力，改善定子齒諧波振動，從而降低齒諧波噪聲，具體改造示意圖(見圖1).

圖1 磁極斜極改造示意圖

但該方案由于未避開定子固有頻率和電磁力的頻率共振，也沒有取得預期效果.

4.2 返廠對原定、轉子氣隙磁場進行改造處理

電磁噪聲是由氣隙的高次諧波磁通密度產(chǎn)生的徑向力作用所產(chǎn)生，常規(guī)上可以通過增大氣隙來減小磁通密度，從而減小噪聲.

(1)先期采用擴大定、轉子空氣隙1 mm的改造方案.即將轉子外圓整體車小1 mm，希望可以改善磁場波形，削弱齒諧波，但實際的改造效果對電磁嘈聲的減小并不明顯.

(2)對定子機座加焊環(huán)筋，對鐵芯與機座筋板進行分段焊接，并將定子槽楔改為磁性槽楔，降低磁通密度，仍沒有獲得預期的效果.

4.3 重新改變定子槽數(shù)

該發(fā)電機的定子基本嵌線數(shù)據(jù)(見表3)；定子接線圖(見圖2).

表3 原定子嵌線數(shù)據(jù)

圖2 定子接線圖

(1)發(fā)電機定子固有振動頻率的計算

發(fā)電機定子固有振動頻率fnr的計算公式[6]：

(1)

式中：fnr—定子固有振動頻率，Hz；

r—力波次數(shù)；

h—鐵心軛高，cm；

Rc—鐵心軛平均半徑，cm；

Dc—鐵心軛平均直徑，cm；

E—彈性模量(取2.1×106kgf/cm2)；

m—軛單位圓柱表面的平均質(zhì)量(包括齒與繞組)，kgf·s2/cm3.

(2)

(3)

式中：GCM1、GE1、GC1分別為定子繞組、齒及軛的重量/kg.

(2)電磁噪聲振動頻率的計算

①定、轉子基波磁場產(chǎn)生的噪聲：基波磁場產(chǎn)生的振動力波次數(shù)r=2p=10，所產(chǎn)生的噪聲頻率為100 Hz，力波階數(shù)較高，不會是電機高噪聲的主因[6].

②電樞反應分數(shù)諧波磁場(即定子次諧波磁場)和轉子基波、諧波磁場所產(chǎn)生的振動和噪聲：

(4)

這些諧波中，極對數(shù)小于主磁場極對數(shù)的分數(shù)諧波稱為低次諧波.次數(shù)最接近基波的諧波將與勵磁基波磁場相互作用產(chǎn)生頻率為100 Hz，力波次數(shù)可能小于2p的徑向電磁力.而低階力波則會引起電機產(chǎn)生100 Hz的較為強烈的振動和噪聲.

(3)共振效應

由上可以得知，正是因為該發(fā)電機一階齒諧波磁場與轉子勵磁諧波磁場生成了|r|次電磁力波，此力波的振動頻率與定子鐵心固有振動頻率相接近，從而形成了共振效應，并產(chǎn)生了異常的電磁噪聲.找出真正原因后，對發(fā)電機重新進行了電磁計算，將定子原槽數(shù)從84槽更改為90槽，徹底解決了定、轉子槽的配合不當問題，投運后，電機聲音轉為正常，均未超過85 dB.

5 結 語

賀社水電站最終通過改變發(fā)電機定子槽數(shù)的辦法，成功地解決了定子固有頻率與磁場的激振力頻率相近引起共振造成的電磁噪聲，本站的處理經(jīng)驗可供類似發(fā)電機電磁噪聲處理提供參考.

[1] 滿連善.電機噪聲產(chǎn)生的原因及減小噪音的設計方法[J].科技創(chuàng)業(yè)家,2014(3):64-65.

[2] 龔鑫森.SF630—32/2600水輪發(fā)電機電磁噪聲分析與治理[J].東方電氣評論,1991,5(4):216-222.

[3] 齊 輝,李永輝,段建剛.電機噪聲的類別、分析方法以及防治措施的研究進展[J].微特電機,2007,35(3):46-48.

[4] 宋亞秋,宿亞樓.電機噪聲產(chǎn)生的原因及減小噪音的設計方法[J].電機技術,2009(8):64-65.

[5] 許國清,任 鵬,倪萬元.同步電機的噪聲治理[J].電機技術,1983(2):27-29.

[6] 許國清,倪萬元.雙龍洞水電站的噪聲治理[J].電氣應用,1985(2):22-30.

AnalysisandSolutionsonGeneratorElectromagneticNoiseinHesheHydropowerPlant

JIANG Mei-wu, JIANG Yong

(Jiangshan Xiakou Reservior Administration Bureau, Quzhou 324116, China)

The reasons of excessive electromagnetic noise are analyzed, studied and determined on the basis of actual measurement data generated by no-load running of 3 sets of 630 kW hydraulic turbine generators in Heshe Hydropower Plant, and it is confirmed that such excessive electromagnetic noise is caused by resonance since the excitation force frequency of fields is similar to the natural frequency of generator stators. The solutions, such as installing the acoustic enclosure or transforming the magnetic pole to skewed pole, failed to achieve the expected targets. The solution of changing the generator stator slot number is applied finally after carrying out the electromagnetic calculation, which completely solves the improper matching of stator slot and rotor slot, and controls the electromagnetic noise generated by resonance due to the above-mentioned reasons within the standard range.

hydraulic generator; electromagnetic noise; frequency; resonance

2017-07-06

姜美武(1971-)，男，浙江江山人，高級工程師，從事水電站技術管理工作.

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.05.004

TM301.4

A

1008-536X(2017)05-0014-04