分析水輪發(fā)電機電磁振動及噪聲改造

嚴永堂

摘要：水輪發(fā)電是將水能轉換成電能的重要裝置，如今隨著科技的進步，水輪發(fā)電的發(fā)展非常迅速，但水輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行更顯得重要，尤其是水輪發(fā)電機的工作過程中會由于機組、水力和電流的原因而產(chǎn)生振動，引起噪音的產(chǎn)生，對水輪發(fā)電機組的運行構成威脅。該文主要是研究水輪發(fā)電機在電磁振動方面的內(nèi)容，分析其所帶來的影響，并追根溯源，找到導致電磁振動的原因，進而研究能夠減少振動的對策，做好噪聲改造工作，為水輪發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行提供有力保障。

關鍵詞：水輪發(fā)電機;電磁振動;噪聲

1 電磁振動的原因

水輪發(fā)電機組發(fā)生電磁振動，大多是因為在其設計、制造或安裝過程中出現(xiàn)電磁力不平衡、參數(shù)匹配不恰當?shù)取Ｆ渲兄饕脑蚩梢愿爬橐韵挛妩c：第一，轉子圓度不符合要求或者轉子的旋轉中心偏離定子的中心。第二，因為受力不平衡，而導致的發(fā)電機轉動部分振動，并且該振動的振動幅度會隨著勵磁電流的增大而不斷增大。第三，在電路出現(xiàn)短路的情況時，很有可能會使得某些磁極的磁動勢減小，但是與其相對應的磁極的磁動勢并沒有隨之發(fā)生變化，那么就會出現(xiàn)一個跟轉子旋轉的輻向不平衡的電磁力，從而導致轉子振動。第四，定子鐵芯松動或者定子鐵芯組合之間的縫隙大小發(fā)生改變，而誘發(fā)的振動會因為機組轉速的變化而相應的發(fā)生變化，這時的振動頻率幾乎電流頻率成倍數(shù)關系。第五，假如定子繞組固定得不夠牢固，機組和繞組在電磁負荷比較高的時候，將出現(xiàn)不同頻率的振動，并且該振動頻率會因為機組轉速和電磁負荷的變化而不斷變化。

2 電磁振動的影響

機械在運轉過程中經(jīng)常會由于內(nèi)部組件的摩擦而產(chǎn)生振動，也會由于內(nèi)部的氣流或是電磁力的引力而導致振動，這些振動難以消除，但是在一定程度上是可以進行控制的。眾所周知，機械的振動會對水輪發(fā)電機組自身安全運行造成極大的危險。同樣，水輪發(fā)電機產(chǎn)生的電磁振動，也會造成很大的影響。一方面是振動所引起的噪聲影響。噪聲會對環(huán)境造成破壞，屬于聲污染，會對周圍工作人員尤其是對運行值班人員的的身體健康產(chǎn)生很大的影響。另一方面是振動對水輪發(fā)電機的危害性很大，嚴重影響到水輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行，這個是最為重要的一個方面，不可忽視。

3 水輪發(fā)電機電磁振動及噪聲的分析和改造案例研究

3.1 案例概況

高橋灣水電站裝有兩臺水輪發(fā)電機機組，兩臺新機組投運試運行時發(fā)現(xiàn)，機組在空轉試運行時機組運轉穩(wěn)定，機組振動值0.04mm，軸瓦溫度均穩(wěn)定在40℃左右，符合規(guī)范要求。1號水輪發(fā)電機組帶上勵磁建立電壓后，水輪發(fā)電機出現(xiàn)明顯的振動，振動值達到0.08mm，已超過規(guī)范標準，同時水輪發(fā)電機發(fā)出的噪聲出現(xiàn)異常變大，噪聲值達到68dB左右，所有軸瓦的穩(wěn)定基本上上升了5℃左右。機組帶負荷后，隨著負荷的不斷增加，振動值也加劇，最大值達到0.16mm，噪聲也變大，噪聲值達到108dB左右，軸瓦溫度達60℃以上。2號水輪發(fā)電機組帶上勵磁建立電壓后，水輪發(fā)電機出現(xiàn)明顯的振動，振動值達到0.09mm，已超過規(guī)范標準，同時水輪發(fā)電機發(fā)出的噪聲出現(xiàn)異常變大，噪聲值達到72dB左右，所有軸瓦的穩(wěn)定基本上上升了8℃左右。機組帶負荷后，隨著負荷的不斷增加，振動值也加劇，最大值達到0.21mm，噪聲也變大，噪聲值達到115dB左右，軸瓦溫度達60℃以上，從兩臺水輪發(fā)電機組空轉到空載再到帶負荷試驗情況來分析，機組出現(xiàn)此異常現(xiàn)象來分析可得：一是兩臺機組振動、軸瓦溫度升高及噪音超標沒有因轉速的變化而發(fā)生變化，從理論上可以排除因機械受力不均、轉動部分動不平衡而引起的機組振動、噪音超標及軸瓦溫度偏高的原因。二是兩臺水輪發(fā)電機機組振動、噪音及軸瓦溫度隨著發(fā)電機勵磁建電壓及帶負荷的增加而發(fā)生變化，且振動、噪音都超過規(guī)范標準，機組的軸瓦溫度也達到60℃以上，致使兩臺水輪發(fā)電機無法正常運行，從這些分析可得機組振動、噪音超標，軸瓦溫度偏高的主要原因發(fā)電機定、轉子之間的電磁場不平衡引起的。通過對原設計氣隙中諧波的力波波譜進行分析得出定子18繞組產(chǎn)生的反轉磁場與轉子基波磁場相互作用產(chǎn)生的力波，是產(chǎn)生100Hz振動的主要原因;定子36繞組產(chǎn)生反轉磁場（一階齒諧波）與轉子35對極磁場（11次諧波）相互作用產(chǎn)生的力波，是產(chǎn)生500Hz電磁振動的主要原因。

3.2 存在的問題

高橋灣水電站機組投運后出現(xiàn)了較大的噪聲和振動，發(fā)電機及軸瓦溫度也發(fā)生變化。其中1號機噪聲明顯比2號機要大。

經(jīng)對1號機噪聲測試表明，噪聲中心頻率為580Hz，并隨著運行負荷增加而逐步增大，其現(xiàn)場測量值均在1O8dB以上，遠超過國家混頻標準85dB，比同類型大10～20dB以上，

振動測試結果表明，帶負荷工況下，機座徑向振動的主要頻率為100Hz與500Hz。其中100Hz振動在發(fā)電機定子外殼處其振動加速度測量值為0.784m/sz，是同類型電站機組測量值0.11m/sz的7倍;500Hz振動加速度測量值1.89m/s2，是同類機型（電站為0.328m/s2）的6倍。

3.3 定子鐵心電磁振動分析

3.3.1 力波波譜分析

電磁噪聲本質上是由電磁振動引起的。在分析電磁振動之前，這里首先對磁場中的力波進行分析。對于q=b+c/d的三相分數(shù)槽繞組，其中電樞反應磁場諧波極對數(shù)為v1=（6k1/d+1）P，（k1=0，±1，±2，……），其中負號表示反轉磁場;對于轉子磁場，由于磁極的對稱性，其磁場只存在奇次諧波，其諧波極對數(shù)為v2（2k2+1）P，（k2=0，1，2，……）。根據(jù)定子鐵心振動的一般規(guī)律，當極對數(shù)為兩個磁場相互作用時，產(chǎn)生的力波的節(jié)點對數(shù)及力波頻率如表1所示。

力波節(jié)點對數(shù)M越小，引起鐵心振幅越大，所以主要對力波節(jié)點對數(shù)M較小的力波進行分析。在定子端，鑒于定子基波電流頻率為50Hz，故由于繞組空間分布引起的空間磁勢諧波頻率恒為50Hz;在轉子端，由于磁勢諧波隨著轉子同步旋轉，因此轉子諧波頻率正比于諧波極對數(shù)（即50Hz、150Hz、250Hz、350Hz……）。

通過力波波譜分析可知：1）100Hz振動主要由定子v1=12、30、51對極反轉磁場與轉子基波磁場相互作用產(chǎn)生;2）500Hz振動主要由定子v1=276對極反轉磁場（一階齒諧波）與轉子v2=288對極磁場（11次諧波），以及v1=340對極正轉磁場（一階齒諧波）與轉子v2=316對極磁場（13次諧波）相互作用產(chǎn)生。

3.3.2 500Hz電磁振動分析

根據(jù)波譜分析，引起500Hz振動的，主要是定子228極以及296極諧波與轉子252極（11次諧波）相互作用產(chǎn)生的。其中定子296對極諧波為一階齒諧波，其繞組系數(shù)與基波相同，與轉子11次諧波之間相互作用力也最大，因此，500Hz振動主要考慮定子一階齒諧波與轉子11次諧波作用結果。通過波譜分析可知，500Hz振動力波節(jié)點對數(shù)為20對。根據(jù)電站提供的定子結構參數(shù)計算該力波對應的鐵心固有頻率發(fā)現(xiàn)：M=20時定子鐵心計算固有頻率約為534Hz，與齒諧波引起的高頻磁力激振頻率500Hz比較接近，容易引起鐵心共振。

3.4 改造措施

3.4.1 重新選擇定子槽數(shù)

定子槽數(shù)由改造前的380槽更改為392槽。定子槽數(shù)的選擇主要考慮了幾個因素：首先，新槽數(shù)的選擇必須使次諧波引起的100Hz振動大幅度降低，而且低節(jié)點力波對應的定子鐵芯固有頻率遠離100Hz（一般認為不在80～130Hz這個范圍內(nèi)是安全的）;其次，定子一階齒諧波分量與轉子高次諧波作用引起的力波所對應的鐵芯固有頻率遠離激振力頻率。

3.4.2 增加定子鐵芯軛齒比

原有鐵芯軛齒比偏小，只有0.72，從而使得齒部不能得到有效的壓緊，在交變電磁力作用下，齒部振動會加劇。長此以往，齒部沖片有可能會割破線棒主絕緣，造成繞組接地故障，同時齒部由于反復振動產(chǎn)生機械疲勞而斷裂。改造后軛齒比提高到0.864。

3.4.3 改善鐵芯壓緊方式

定子鐵芯采用穿心螺桿+碟形彈簧的壓緊方式，保證鐵芯長期壓緊，補償鐵芯漆膜收縮，保證定子鐵芯長期運行而不松動;鐵芯兩端部黏結，加強鐵芯的整體性，從而加強鐵芯端部剛度，減小鐵芯振動。

總之，隨著社會的進步，人民對社會日益增長的用電需求，水輪發(fā)電的發(fā)展突發(fā)猛進，水輪發(fā)電正向超大型水輪發(fā)電機組發(fā)展，但水輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行更顯得重要，而干擾水輪發(fā)電機組運行和發(fā)電性能的主要原因就是機組的振動問題。引起水輪發(fā)電機組振動的原因極其復雜，其中電磁振動是常見的故障之一。機組電磁振動嚴重時會導致水輪發(fā)電機組無法正常運行，也可能使得機組結構部件受到損壞，也會產(chǎn)生電磁振動產(chǎn)生噪音，甚至可能發(fā)生重大安全事故。

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