水輪發(fā)電機(jī)組振擺異常分析及處理方法

摘要：水輪發(fā)電機(jī)組運行振擺指標(biāo)影響機(jī)組長期穩(wěn)定性，特別是高轉(zhuǎn)速機(jī)組，振擺指標(biāo)差容易導(dǎo)致機(jī)組工況惡化、長期異常運行甚至可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子松動引發(fā)事故。偏橋電站機(jī)組運行過程中存在振擺隨著運行時間緩慢增加;機(jī)組各部位溫度增加振擺相應(yīng)增加，溫度降低振擺降低，同時機(jī)組空載、空轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)變化較大，對磁極匝間短路后不平衡磁拉力進(jìn)行分析計算，采用動平衡解決機(jī)組振擺異常變。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī);振擺;動平衡

前言

高轉(zhuǎn)速機(jī)組運行振擺、特別是振動值對機(jī)組的長期穩(wěn)定性有比較大的影響，而振動值往往關(guān)注是受力軸承水平與垂直振動，一旦磁路出現(xiàn)異常，水平振動值往往是轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)關(guān)系，即是高頻振動，高頻振動的危害性非常高，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子松動及鐵芯絕緣損壞引發(fā)事故，隨著材料及加工工藝的進(jìn)步，相關(guān)行業(yè)及國家規(guī)范對振動要求較低，實際工程應(yīng)用中能達(dá)到更高要求。

偏橋電站機(jī)組額定功率76MW，額定轉(zhuǎn)速375r/min，機(jī)組運行中主要存在3個方面的異常：1、機(jī)組隨著運行時間增加、機(jī)組上導(dǎo)、下導(dǎo)擺度緩慢增加，最大值增加到350μm;2、機(jī)組空載振擺數(shù)據(jù)較空轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)差，擺度值增加一倍;3、機(jī)組軸承溫度上升、機(jī)組振擺也會少許增加。

1、問題原因分析

機(jī)組檢修時發(fā)現(xiàn)下導(dǎo)軸瓦刮削的花紋幾乎磨損平，檢修后重新刮瓦并調(diào)整瓦隙，機(jī)組振擺會降低;機(jī)組空載振擺數(shù)據(jù)變化較大，空轉(zhuǎn)態(tài)后數(shù)據(jù)會變回較小的狀態(tài);采用外來技術(shù)供水冷卻時，機(jī)組軸承、定子溫度較采用尾水冷卻循環(huán)技術(shù)供水低5℃左右，機(jī)組振擺減小30μm。

根據(jù)上述情況結(jié)合檢修測量的各項數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為機(jī)組存在轉(zhuǎn)子磁極匝間短路、運行中因磁拉力的不平衡影響機(jī)組的動平衡，導(dǎo)致軸承受力不均、變大、軸瓦磨損、溫度變化機(jī)組振擺對應(yīng)變化、空載振擺值變大情況。

依據(jù)磁拉力計算及相關(guān)理論，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)發(fā)生勵磁繞組匝間短路后，勵磁繞組分成正常勵磁回路和勵磁故障附加回路，勵磁電流除了直流分量同時有一定的交流分量，除了影響氣隙磁動勢外還有一定子因空間諧波磁場感應(yīng)的偶數(shù)次諧波不平衡電流及交流分量，交流分量較小，計算時可以不考慮，相關(guān)計算分析如下：

單個勵磁繞組線圈產(chǎn)生的磁動勢ffd.h的表達(dá)式為：

其中yh和nr.h分別為第h個同心式線圈的節(jié)距和匝數(shù)，αh.1和αh.2 為同心式線圈的2個變對應(yīng)的轉(zhuǎn)子相位點電角度。根據(jù)磁路歐姆定律以及電磁理論及麥克斯韋方程組，當(dāng)線圈匝間短路時，磁極線圈磁動勢會產(chǎn)生額外變化，產(chǎn)生次生回路，次生回路產(chǎn)生的磁動勢為反方向磁動勢，次生回路磁動勢會在定子繞組內(nèi)部產(chǎn)生偶數(shù)次諧波不平衡電流，并且會在氣隙中產(chǎn)生磁動勢。而正?；芈反艅觿菀蚓€圈匝間短路對應(yīng)的磁通勢也會減小，在兩者的作用下，故障匝間短路磁極的磁動勢減小。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼繞組一般采用銅條組成的回路，該回路與勵磁回路區(qū)別是沒有直流分量，只有交流k次諧波分量。

t. 分別是時間及同步角頻率，Id.j.k以及 d.j.k分別是對應(yīng)回路限流有效值及相位，在氣隙中產(chǎn)生的磁動勢為：

y為阻尼回路節(jié)距，n為匝數(shù)、 為回路兩邊的電角度，對磁動勢進(jìn)行求和運算得到整個轉(zhuǎn)子所有回路氣隙中的磁動勢。

定子電樞電流在氣隙中產(chǎn)生的氣隙磁動勢與轉(zhuǎn)子阻尼回路磁動勢計算類似，在求和過程中主要是a、b、c三相磁動勢求和。

不平衡解析運算，根據(jù)Maxwell應(yīng)力公式求得沿發(fā)電機(jī)圓周任意位置的徑向電磁力，一旦發(fā)生磁極匝間短路，作用在轉(zhuǎn)子上的作用力將變得不平衡，根據(jù)Maxwell應(yīng)力張量法可求解的徑向不平衡磁拉力表達(dá)式，對表達(dá)式分解成X軸向分量及Y軸向分量如下：

對上述兩個公式進(jìn)行離散，結(jié)合Maxwell應(yīng)力公式，可以求得匝間短路磁拉力幅值及角度：

偏橋電站機(jī)組16個磁極、單個磁極線圈60匝，轉(zhuǎn)子半徑R1.65米，轉(zhuǎn)子主軸長度L7.85米，因存在磁極匝間短路，空轉(zhuǎn)、空載以及不同負(fù)荷機(jī)組的工況均存在變化，對各負(fù)荷工況進(jìn)行測試并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取合適的電流值進(jìn)行計算，計算結(jié)果顯示存在不平衡磁拉力30534.08N，相位為2700（為了與動平衡相位一致，定義鍵相片安裝位置點為00），最后解決機(jī)組振擺緩慢增加問題是通過在轉(zhuǎn)子下風(fēng)扇基座在下導(dǎo)2700位置上配重實現(xiàn)，配重重量與磁拉力不平衡計算值偏差2公斤。

2、處理方案

（1）針對存在磁極匝間外邊緣短路問題，機(jī)組大修時候?qū)Υ艠O線圈進(jìn)行通大電流后檢測高溫點，對毛刺進(jìn)行打磨，如果是匝間內(nèi)部短路采用在匝間加絕緣紙的工藝進(jìn)行處理，直到通大電流后無異常發(fā)熱點。磁極掛裝前所有線圈絕緣、交流阻抗合格、通電流無局部發(fā)熱現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子整體各項試驗合格。

（2）機(jī)組大修時因只能在靜態(tài)下對磁極進(jìn)行各項試驗，此時各項數(shù)據(jù)均合格，而機(jī)組運行時磁極線圈受到磁拉力及離心力，對偏橋電站磁極線圈進(jìn)行受力計算，每個磁極受力800噸，在受力的情況下磁極出現(xiàn)匝間短路。

（3）對機(jī)組多次進(jìn)行配重，空載空轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)均較好后帶負(fù)荷運行仍然存在緩慢增加，嘗試在某一負(fù)荷情況下進(jìn)行配重，但是需要綜合考慮平衡機(jī)組開機(jī)過程，否則開停機(jī)過程機(jī)組振擺大也影響機(jī)組安全穩(wěn)定運行，仍然未達(dá)到理想情況，于是嘗試著打破原來的平衡，重新進(jìn)行配重。將轉(zhuǎn)子上、下風(fēng)扇基座26.5Kg配重塊全部取下，在轉(zhuǎn)子上風(fēng)扇基座進(jìn)行配重，將數(shù)據(jù)減小后，空載態(tài)下導(dǎo)擺度120μm，可是帶負(fù)荷后還是會增加到200μm，在轉(zhuǎn)子下風(fēng)扇基座再次配重4.75Kg，下導(dǎo)擺度數(shù)據(jù)帶負(fù)荷后變化較小，穩(wěn)定在160μm左右，隨著運行時間緩慢增加到190μm，仍然存在緩慢上漲的情況。對幾次配重后機(jī)組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，機(jī)組空載與帶負(fù)荷相位角變化均為200o，負(fù)荷變化振擺增大的過程中相位角基本不變，于是再次在轉(zhuǎn)子下風(fēng)扇座配重4Kg，配重后機(jī)組工況測試，帶基荷時下導(dǎo)擺度80μm，下導(dǎo)擺度隨著負(fù)荷增加而逐漸減小，額定負(fù)荷時穩(wěn)定在50μm左右，目前帶負(fù)荷運行后未出現(xiàn)緩慢增加現(xiàn)象。

結(jié)束語

1、偏橋機(jī)組振擺異常變化處理過程中綜合各種現(xiàn)象以及數(shù)據(jù)，結(jié)合動平衡處理過程分析認(rèn)為水輪發(fā)電機(jī)組振擺受水力、轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡、空氣間隙不均勻、轉(zhuǎn)子中心偏心以及定子電樞反應(yīng)的不平衡及匝間短路產(chǎn)生的磁拉力不平衡等綜合因素影響。

2、機(jī)組動平衡在解決動不平衡問題時，一是打破原來的平衡，重新建立新的平衡體系，否則配重數(shù)據(jù)較亂，增加難度;二是用不平衡來平衡掉不平衡，尋找新的思路與方法;三帶負(fù)荷工況下進(jìn)行配重，必須綜合考慮開停機(jī)過程以及其他負(fù)荷時的振擺值。機(jī)組動平衡無法從根本上解決匝間短路的磁極，仍然存在因新的磁極匝間短路導(dǎo)致的振擺變化。

3、機(jī)組磁極線圈檢修時即靜態(tài)下各項試驗數(shù)據(jù)均合格，運行時仍然存在磁極匝間短路，分析認(rèn)為機(jī)組在帶額定負(fù)荷時，磁極線圈受磁拉力以及離心力，偏橋單個磁極線圈受力800頓，在壓力增加的情況磁極線圈出現(xiàn)匝間短路，所以這對線圈的制作材料及工藝必須嚴(yán)格要求，避免在機(jī)組運行時出現(xiàn)匝間短路，而且檢修時缺乏有效的檢測手段，無法準(zhǔn)確查找匝間短路點，無法從根本上解決問題。

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作者簡介

彭宇 ， 39歲， 男 ，四川久隆水電開發(fā)有限公司.技術(shù)室主任.工程師，水電站技術(shù)管理。