潘家口蓄能電廠4號機(jī)組主軸擺度偏大分析與處理

唐擁軍，畢 旭，葛禹霖，肖業(yè)祥

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京市 100761；2.國網(wǎng)新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北省唐山市 064309；3.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室 & 能源與動力工程系，北京市 100084）

0 引言

潘家口蓄能電廠坐落于河北省遷西縣境內(nèi)的灤河干流，共安裝有3臺 90MW 混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，于 1992 年投入商業(yè)運行，是我國最早的大型抽水蓄能電站。全套機(jī)電設(shè)備引進(jìn)意大利 ABB 公司產(chǎn)品，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)，至今已運行 25年，為京津唐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行做出了重要貢獻(xiàn)[1]。

潘家口蓄能電廠4號機(jī)組在A修后的調(diào)試試驗中發(fā)現(xiàn)，空載工況的主軸擺度尤其是上導(dǎo)擺度幅值比空轉(zhuǎn)工況大幅增大，這嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。水電機(jī)組在運行過程中主要受到水力、電氣和機(jī)械三種因素的耦聯(lián)影響。在電氣因素引起的問題中，徑向磁拉力不平衡就是典型之一[2-3]?？紤]到空載與空轉(zhuǎn)工況不同的地方是空載工況投入了勵磁，而空轉(zhuǎn)工況未投入，因此可得知潘家口蓄能電廠4號機(jī)組應(yīng)是出現(xiàn)了嚴(yán)重的不平衡磁拉力現(xiàn)象。本文對該機(jī)組不平衡磁拉力現(xiàn)象、原因分析和處理進(jìn)行了詳細(xì)論述，考慮到該機(jī)組在水泵方向通過換磁極實現(xiàn)二級變速，其轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)和常規(guī)機(jī)組及普通抽蓄機(jī)組不同，本文的研究是具有較高參考價值的。

1 機(jī)組基本參數(shù)

機(jī)組基本參數(shù)如表1所示，該機(jī)組為可變速機(jī)組，在水泵工況時，根據(jù)水頭高度不同，有 2 個額定轉(zhuǎn)速可選，分別為 142.8 r/min 和 125 r/min，通過變換磁極對數(shù)實現(xiàn)。

表1 機(jī)組基本參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Basic parameters of unit

2 上導(dǎo)擺度偏大現(xiàn)象

4號機(jī)組空轉(zhuǎn)工況運行一段時間后，緩慢升勵磁電壓至空載工況，在空載工況運行一段時間后，退勵磁電壓至空轉(zhuǎn)工況運行。整個過程上導(dǎo)與下導(dǎo)擺度時域波形如圖1所示，該過程上導(dǎo)與下導(dǎo)擺度幅值變化曲線如圖2所示，空轉(zhuǎn)與空載工況不平衡相位變化曲線如圖3所示?？辙D(zhuǎn)與空載工況上導(dǎo)、下導(dǎo)幅值與不平衡相位統(tǒng)計見表2。

圖1 空轉(zhuǎn)、空載工況上導(dǎo)、下導(dǎo)擺度時域波形變化圖Figure 1 Time wave of upper guide bearing runout and lower guide bearing runout under idling condition and non-load condition

圖2 空轉(zhuǎn)、空載工況上導(dǎo)、下導(dǎo)擺度幅值變化趨勢圖Figure 2 Changing trend of amplitude of upper guide bearing runout and lower guide bearing runtou under idling condition and non-load condition

圖3 上導(dǎo)、下導(dǎo)測得不平衡相位變化趨勢圖Figure 3 Changing trend of unbalanced phase measured using upper guide bearing and lower guide bearing

由上述結(jié)果可知，加勵磁電壓后主軸擺度幅值相較空轉(zhuǎn)工況大幅增大，其中上導(dǎo)擺度+X向幅值達(dá)到了676μm，下導(dǎo)擺度+Y向幅值達(dá)到了350μm，可見發(fā)電電動機(jī)存在嚴(yán)重的磁拉力不平衡。另外，空載與空轉(zhuǎn)工況下的不平衡相位也不一致，其中上導(dǎo)測得相差150°多，下導(dǎo)測得相差120°左右，不平衡相位接近反相，這給主軸擺度的處理帶來了一定的技術(shù)難度。

3 原因分析

產(chǎn)生不平衡磁拉力的原因較多，但主要是發(fā)電機(jī)中的磁路和電路不對稱所致，典型原因有[4-7]：

（1）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子間的空氣間隙不均勻。發(fā)電機(jī)定子鐵芯內(nèi)圓與轉(zhuǎn)子磁極外圓的圓度達(dá)不到要求或者發(fā)電機(jī)定子鐵芯內(nèi)圓與轉(zhuǎn)子外圓之間同心度達(dá)不到要求，由此產(chǎn)生定轉(zhuǎn)子空氣間隙不均勻，從而產(chǎn)生單邊的不平衡磁拉力。

（2）轉(zhuǎn)子磁極繞組匝間短路。轉(zhuǎn)子匝間短路將會引起氣隙磁場畸變，產(chǎn)生不同于正常運行時的氣隙電磁波力，從而產(chǎn)生不平衡磁拉力。

（3）發(fā)電機(jī)在不對稱工況下運行，產(chǎn)生不對稱的磁力分量，負(fù)序電流將以2倍電源頻率激發(fā)振動。

（4）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極形狀稍有差別，引起磁拉力不平衡而產(chǎn)生振動。

（5）磁極分布圓中心與旋轉(zhuǎn)中心偏離較大，使得轉(zhuǎn)子在某一固定方位存在較大的不平衡磁拉力。

（6）材料磁化不均勻，發(fā)電機(jī)導(dǎo)磁材料磁化不均勻，使定子或轉(zhuǎn)子內(nèi)腔磁場不對稱，從而產(chǎn)生不均勻磁拉力。

該機(jī)組A修后對定轉(zhuǎn)子圓度與同心度進(jìn)行了測量，測量結(jié)果滿足要求，原因（1）可以排除。空轉(zhuǎn)與空載工況下的上導(dǎo)、下導(dǎo)與水導(dǎo)軸承處軸心軌跡如圖4和圖5所示，可知，空載工況下的主軸旋轉(zhuǎn)中心與空轉(zhuǎn)工況基本一致，沒有發(fā)生明顯偏移，原因（5）可以排除。如前所述，該機(jī)組在水泵工況可通過變換磁極數(shù)實現(xiàn)二級變速，轉(zhuǎn)子變極采用丟極法，轉(zhuǎn)子磁極采用大小磁極和不等間距布置如圖6所示（共48個磁極）。整個磁極繞組分為6群，每群8個磁極，包含5個大極和3個小極。轉(zhuǎn)子變極用5個滑環(huán)和轉(zhuǎn)子變極開關(guān)來實現(xiàn)變極切換（ 142.8 r/min對應(yīng)42個磁極，125 r/min對應(yīng)48個磁極），如圖7所示。磁極繞組分成3種類型：第1類為同極性組（Gr1）；第2類為丟極組，是3個小極中間位置的那個小極繞組，編號分別是1、9、17、25、33、41；第3類為反極性組，它們每隔一群磁極出現(xiàn)，即為偶數(shù)群的第2至8個磁極，編號分別為10-16、26-32、42-48。在由48極切換到42極時，丟極組繞組的接線被斷開，而其編號在后的那些磁極繞組（反極性組）接線的極性被倒置，使得沿氣隙周圍的所有磁極極性保持著NS交替排列。大極與小極的極身寬度和極靴寬度是不同的，但其高度和繞組匝數(shù)相同[8]。這種磁極結(jié)構(gòu)使得小磁極區(qū)域的磁場強度相對較大，大磁極區(qū)域相對較小，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)后在離心力和不均勻熱變形的雙重作用下，磁場強度分布更加不均勻，即使同一直徑兩端也出現(xiàn)較大偏差，從而出現(xiàn)磁拉力嚴(yán)重不平衡，導(dǎo)致主軸擺度大幅增大。

圖4 空轉(zhuǎn)工況上導(dǎo)、下導(dǎo)與水導(dǎo)軸承處軸心軌跡圖Figure 4 Shaft orbit at upper guide bearing、lower guide bearing and turbine guide bearing under idling condition

圖5 空載工況上導(dǎo)、下導(dǎo)與水導(dǎo)軸承處軸心軌跡圖Figure 5 Shaft orbit at upper guide bearing、lower guide bearing and turbine guide bearing under non-load condition

圖6 轉(zhuǎn)子磁極分布圖Figure 6 Magnetic pole distribution of rotor

圖7 轉(zhuǎn)子繞組接線簡圖[8]Figure 7 Wiring diagram of rotor winding

4 配重處理

轉(zhuǎn)動部件受到不平衡力的合力為轉(zhuǎn)動部件不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力和不平衡磁拉力的矢量和。對這種情況可采用等效不平衡質(zhì)量的思路來進(jìn)行處理，即將不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力和不平衡磁拉力轉(zhuǎn)頻分量的矢量和等效為另一不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力，進(jìn)而采用對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行配重來減小機(jī)組的振動與主軸擺度。

該機(jī)組配重前發(fā)電80MW負(fù)荷工況主軸擺度與不平衡相位為：上導(dǎo)+X擺度幅值433μm，不平衡相位235°，上導(dǎo)+Y擺度幅值407μm，不平衡相位228°，下導(dǎo)擺度+X幅值247μm，不平衡相位205°，下導(dǎo)擺度+Y幅值262μm，不平衡相位209°。發(fā)電80MW負(fù)荷工況與空載工況相比，其中上導(dǎo)測得不平衡相位約有35°偏差，下導(dǎo)測得不平衡相位約有23°偏差?？紤]到機(jī)組發(fā)電方向經(jīng)常運行的工況為80MW左右負(fù)荷，于是選擇在該負(fù)荷工況下進(jìn)行動平衡配重。動平衡配重后，發(fā)電方向80MW負(fù)荷工況和水泵工況部分振動擺度測點幅值統(tǒng)計如表3所示。由結(jié)果可知相比配重前機(jī)組振動與主軸擺度，尤其是上導(dǎo)擺度幅值大幅減小，優(yōu)化了機(jī)組穩(wěn)定運行條件，上導(dǎo)擺度偏大的問題得到成功解決。

表3 發(fā)電80MW負(fù)荷工況與水泵工況振動擺度測點幅值統(tǒng)計（單位：μm）Table 3 Amplitude statistics of vibration and runout under generating condition with 80MW load and pumping condition（Engineering unit：μm）

5 結(jié)論

（1）潘家口蓄能電廠4號機(jī)組空載工況主軸擺度較空轉(zhuǎn)工況大幅增大，且不平衡相位接近反相。發(fā)電電動機(jī)存在嚴(yán)重的磁拉力不平衡。機(jī)組采用變磁極方式來實現(xiàn)水泵工況的二級變速，轉(zhuǎn)子變極采用丟極法，并采用大小磁極和不等間距的磁極布置。這種磁極結(jié)構(gòu)使得小磁極區(qū)域的磁場強度相對較大，大磁極區(qū)域相對較小，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后在離心力和不均勻熱變形的雙重作用下，磁場強度分布更加不均勻，從而出現(xiàn)磁拉力嚴(yán)重不平衡，導(dǎo)致主軸擺度大幅增大。

（2）當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)存在不平衡磁拉力，而又無法處理或不便于處理時，可以將不平衡磁拉力轉(zhuǎn)頻分量等效為不平衡質(zhì)量而采用動平衡配重的方法進(jìn)行處理，從而減小機(jī)組的振動擺度，優(yōu)化機(jī)組運行條件。

（3）本文對該機(jī)組上導(dǎo)擺度偏大的分析及處理方法可為其他電站處理類似問題時提供參考借鑒。