劉元秀

(中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)四川電力開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川成都 610041)

2012年底，我國(guó)水電裝機(jī)容量已達(dá)11.44億kW，隨著裝機(jī)的增加，對(duì)我國(guó)水電企業(yè)設(shè)備維護(hù)與養(yǎng)護(hù)工作提出了更高的要求。在現(xiàn)代水電站的運(yùn)行維護(hù)中，水輪機(jī)組異常振動(dòng)是常見(jiàn)的異?，F(xiàn)象。如何快速的判斷振動(dòng)源并進(jìn)行相應(yīng)的措施是有效保障機(jī)組運(yùn)行安全的關(guān)鍵，也是目前水電站設(shè)備維護(hù)與運(yùn)行安全的重要工作。從現(xiàn)代水電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)中可以看出，水輪機(jī)組的振動(dòng)對(duì)水電站機(jī)組甚至廠房的安全、經(jīng)濟(jì)效益都有著重要的影響。對(duì)此，需要加強(qiáng)調(diào)查研究，在工程實(shí)踐中不斷創(chuàng)新。

1 水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的危害

振動(dòng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械不可避免的現(xiàn)象，若能將其振幅限制在允許范圍內(nèi)，就能確保機(jī)組安全正常運(yùn)行。但較大振動(dòng)對(duì)機(jī)組安全是不利的，會(huì)造成如下危害:

a.使機(jī)組各連接部件松動(dòng)，使各轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件之間產(chǎn)生摩擦甚至掃膛而損壞;b.引起零部件或焊縫的疲勞、形成并擴(kuò)大裂縫甚至斷裂;c.尾水管低頻壓力脈動(dòng)可使尾水管壁產(chǎn)生裂縫，當(dāng)其頻率與發(fā)電機(jī)或電力系統(tǒng)的自振頻率接近時(shí)，將發(fā)生共振，引起機(jī)組出力大幅度波動(dòng)，可能會(huì)造成機(jī)組從電力系統(tǒng)中解列，甚至危及廠房及水工建筑物。

2 振動(dòng)的原因及特征分析

水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)問(wèn)題與一般動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)有一定差異，除了機(jī)器本身轉(zhuǎn)動(dòng)或固定部分引起的振動(dòng)外，尚需考慮發(fā)電機(jī)的電磁力以及作用于水輪機(jī)過(guò)流部分的流動(dòng)壓力對(duì)系統(tǒng)及其部件振動(dòng)的影響。在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，流體—機(jī)械—電磁三部分是相互影響的。例如，當(dāng)水流流動(dòng)激起機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分振動(dòng)時(shí)，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間會(huì)導(dǎo)致氣隙不對(duì)稱(chēng)變化，由此產(chǎn)生的磁拉力不平衡也會(huì)造成機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的振動(dòng)，而轉(zhuǎn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)出現(xiàn)某些變化后，又會(huì)對(duì)水輪機(jī)的水流流場(chǎng)及發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。因此，水輪機(jī)的振動(dòng)是機(jī)械、水力、電氣等多種原因引起的。

2.1 機(jī)械原因

水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)兩者結(jié)構(gòu)所造成的機(jī)組機(jī)械振動(dòng)多種多樣，主要有:轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線(xiàn)不正、導(dǎo)軸承缺陷或間隙調(diào)整不當(dāng)、機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)或軸系剛性不足和軸密封調(diào)整不當(dāng)?shù)取?/p>

2.1.1 轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量不平衡

水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量不平衡所產(chǎn)生的離心力造成機(jī)組振動(dòng)最普遍的原因之一。由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，轉(zhuǎn)子重心與軸心產(chǎn)生一個(gè)偏心距。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于失衡質(zhì)量離心慣性力的作用，主軸將產(chǎn)生彎曲變形。軸變形越大，振動(dòng)也越嚴(yán)重。其振動(dòng)特性:振幅與機(jī)組出力無(wú)關(guān)，在空載下也振動(dòng);振幅隨轉(zhuǎn)速的增高而增大，且大致與轉(zhuǎn)速的平方成正比;徑向振幅最大，軸向較小;振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)頻和倍頻，其主頻為轉(zhuǎn)頻率。

預(yù)防和處理措施:如果發(fā)生這樣的情況，要進(jìn)行轉(zhuǎn)子的靜平衡、動(dòng)平衡試驗(yàn)，使不平衡重量盡可能小，從根本上消除這種振動(dòng)的原因。對(duì)于高速、長(zhǎng)轉(zhuǎn)子機(jī)組應(yīng)根據(jù)機(jī)組上下導(dǎo)軸承的擺度值，在轉(zhuǎn)子的上部和(或)下部的不同方位配重。例如，廣西龍灘水電站700MW機(jī)組采取現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡試驗(yàn)，消除了轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量不平衡，保證了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1.2 軸線(xiàn)不正

由于轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)輪幾何中心偏離旋轉(zhuǎn)中心，運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生橫向及縱向振動(dòng)，直接形成回旋對(duì)推力軸承、導(dǎo)軸承均構(gòu)成威脅，還能增大離心慣性力，兩者都使振幅增大。從運(yùn)行角度分析，一般出現(xiàn)在投運(yùn)年限較長(zhǎng)，各導(dǎo)軸承間隙大，沒(méi)能及時(shí)修復(fù)，或者檢修質(zhì)量不良等情況下。另外一種是擺振。在動(dòng)水壓力下，推力軸承處發(fā)生擺振。為此，在安裝和檢修時(shí)必須找正軸線(xiàn)，調(diào)整各導(dǎo)軸承的間隙在允許范圍內(nèi)。對(duì)新投產(chǎn)的機(jī)組，一般不會(huì)由于軸線(xiàn)不正而引起劇烈振動(dòng)，但對(duì)于運(yùn)行一段時(shí)間后的機(jī)組，由于某種原因使軸線(xiàn)改變，如推力頭與軸配合不嚴(yán)密、卡環(huán)不均勻壓縮、推力頭與鏡板間的墊變形或破壞等，都會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)。綜上述機(jī)組軸線(xiàn)不正包括:發(fā)電機(jī)上端軸和轉(zhuǎn)子中心體不同心;轉(zhuǎn)子中心體和發(fā)電機(jī)軸不同心;水輪機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸的軸心不成一條直線(xiàn);轉(zhuǎn)軸彎曲、偏心、或者軸線(xiàn)曲折;發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子不同心;推力軸承滑動(dòng)面與轉(zhuǎn)軸不垂直;水輪機(jī)上、下止漏環(huán)不同心等。2000年11月天橋水電站1號(hào)機(jī)大修后，發(fā)生發(fā)電機(jī)推力瓦12塊被燒毀的嚴(yán)重事故，因推力瓦水平調(diào)整不好，軸系中心不正及調(diào)速系統(tǒng)失調(diào)所致。其振動(dòng)特性:振幅與機(jī)組出力無(wú)關(guān)，在空載下也振動(dòng);振幅對(duì)轉(zhuǎn)速不敏感，通常在60% ～100%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振幅都比較大;轉(zhuǎn)軸的徑向振動(dòng)最為明顯;振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)頻和倍轉(zhuǎn)頻，其主頻為轉(zhuǎn)頻。

預(yù)防和處理措施:提高制造精度、制造質(zhì)量，提高安裝水平，消除機(jī)組軸線(xiàn)、發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)上下止漏環(huán)對(duì)中不良，軸線(xiàn)曲折、偏心，推力軸承垂直度不高等缺陷。

2.1.3 導(dǎo)軸承缺陷或間隙調(diào)整不當(dāng)

導(dǎo)軸承由于設(shè)計(jì)缺陷在運(yùn)行中松動(dòng)，軸瓦間隙設(shè)計(jì)或調(diào)整不當(dāng)，軸承支架剛度不當(dāng)，軸承支架剛度不足，都會(huì)造成機(jī)組的振動(dòng)、擺度增大。此時(shí)的振動(dòng)主頻為轉(zhuǎn)頻，且振動(dòng)在空載、低轉(zhuǎn)速下就會(huì)發(fā)生。例如:五強(qiáng)溪水電站水輪發(fā)電機(jī)軸頸直徑在2m以上，而三峽電站水輪機(jī)的軸頸直徑達(dá)到4m。安裝調(diào)整時(shí)，軸承軸頸和軸瓦支架的溫度是相同的，投入運(yùn)行后，與熱油直接接觸的軸頸溫度會(huì)明顯高于軸承支架，兩者的熱膨脹脹量就會(huì)明顯不同。為了使機(jī)組運(yùn)行時(shí)軸承最為合理，設(shè)計(jì)上一般會(huì)給出一個(gè)數(shù)值較大一些的冷態(tài)調(diào)整間歇。如果設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)不準(zhǔn)，冷態(tài)間歇給得過(guò)大或者過(guò)小，就可能造成軸承運(yùn)行不良，引起機(jī)組振動(dòng)。五強(qiáng)溪水電站初期運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)導(dǎo)軸承就曾出現(xiàn)過(guò)這種情況，設(shè)計(jì)提供的冷態(tài)間歇過(guò)大 ，導(dǎo)軸承處的振動(dòng)總是偏大。后來(lái)逐步減小了冷態(tài)間歇，導(dǎo)軸承處的振動(dòng)值趨于正常。其振動(dòng)特性:機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，振動(dòng)情況將發(fā)生變化;振動(dòng)在空載、低轉(zhuǎn)速下就會(huì)發(fā)生。

預(yù)防和處理措施:借鑒先行機(jī)組經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的冷態(tài)間隙。

2.1.4 機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)或者軸系剛性不足

機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的靜剛度不足，在外力作用下會(huì)產(chǎn)生較大的變形，而動(dòng)剛度不足，在不平衡力或力矩作用下會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。國(guó)內(nèi)外不少水電站都曾發(fā)生過(guò)因?yàn)樨?fù)荷機(jī)架、機(jī)座、鐵芯、磁軛等剛度不足，使機(jī)組固有頻率降低，從而引發(fā)機(jī)組振動(dòng)的故障。劉家峽水電站10MW發(fā)電機(jī)組投產(chǎn)不久，機(jī)組振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)，其原因之一，上機(jī)架強(qiáng)度低，整體剛度差，機(jī)組后來(lái)返廠修理，對(duì)上機(jī)架的支臂進(jìn)行了加固，以及更換更大直徑的水輪機(jī)主軸以增加機(jī)組旋轉(zhuǎn)部分的剛度，在一定程度上減小了機(jī)組的振動(dòng)。其振動(dòng)特性:振幅隨轉(zhuǎn)速升高而增大;振幅與剛度系數(shù)成反比;發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)較為明顯;振動(dòng)頻率為發(fā)電機(jī)頻率。

預(yù)防和處理措施:在設(shè)計(jì)上應(yīng)該有足夠的靜、動(dòng)剛度，以確保機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，切忌為節(jié)省材料、降低成本而減少機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)的安全裕度。

2.1.5 軸密封調(diào)整不當(dāng)

機(jī)組各處的軸承蓋、軸瓦托架、水輪機(jī)的徑向盤(pán)根密封，如果調(diào)整不當(dāng)，四周緊量不均，或者水輪機(jī)徑向潤(rùn)滑不良，則會(huì)造成轉(zhuǎn)軸橫斷面四周受熱不均，熱膨脹導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸彎曲，而發(fā)生嚴(yán)重振動(dòng)。其振動(dòng)特性是:振幅通常隨轉(zhuǎn)速的上升和出力的增加而增大;振動(dòng)主頻轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)頻。

預(yù)防和處理措施:可采取無(wú)接觸式的密封結(jié)構(gòu)以及仔細(xì)安裝調(diào)整、使密封四周間隙均勻措施。

2.2 水力原因

水力振動(dòng)由水輪機(jī)水力部分的動(dòng)水壓力的干擾造成的振動(dòng)叫水力振動(dòng)。引起水力振動(dòng)主要是水力不平衡，尾水管中的水力不穩(wěn)定、渦列、偏離最優(yōu)工況下運(yùn)行等。

2.2.1 尾水管中水力不穩(wěn)定

尾水管中水力不穩(wěn)定現(xiàn)象，尾水管中水力不穩(wěn)定現(xiàn)象，主要指尾水管中的水壓周期性的變化，壓力脈動(dòng)作用于機(jī)組和基礎(chǔ)上，就引起振動(dòng)、噪聲和出力波動(dòng)，同時(shí)它對(duì)尾水管有相當(dāng)大的破壞作用。這種情況一般發(fā)生在非設(shè)計(jì)工況下，水流在尾水管進(jìn)口有一個(gè)圓周分量，形成旋流。當(dāng)此分量達(dá)一定值時(shí)，便在尾水管中出現(xiàn)渦帶，使尾水管的水流發(fā)生周期性的變化，引起水壓脈動(dòng)和管壁振動(dòng)。當(dāng)水輪機(jī)的自振頻率與壓力脈動(dòng)頻率相同時(shí)，便發(fā)生共振，威脅水輪機(jī)組的運(yùn)行，巖灘水電站運(yùn)行時(shí)機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)，電站下游副廠房的窗戶(hù)玻璃也“沙沙”作響，就是尾水管渦帶與尾水體發(fā)生共振所致。降低尾水管渦帶措巖灘水輪機(jī)在導(dǎo)葉開(kāi)度為40%～45%工況，尾水管渦帶壓力脈動(dòng)幅值超過(guò)20%，最大時(shí)達(dá)36.9% ～43.9%，頻率為0.208～1.808倍轉(zhuǎn)頻。造成機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)，副廠房的窗戶(hù)玻璃都發(fā)出“沙沙”的響聲，是尾水管渦帶與尾水管水體發(fā)生共振所致。

預(yù)防和處理措施:優(yōu)化水力設(shè)計(jì);機(jī)組運(yùn)行中對(duì)渦帶區(qū)進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)氣，一般采用自然補(bǔ)氣，必要時(shí)也可強(qiáng)迫補(bǔ)氣。

2.2.2 卡門(mén)渦列

卡門(mén)渦列引起的振動(dòng)。當(dāng)水流流經(jīng)非流線(xiàn)型障礙物時(shí)，在其后面尾流中分裂出一系列變態(tài)漩渦，即卡門(mén)渦列。這種渦列交替地作順時(shí)針或反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。在其不斷形成與消失過(guò)程中，會(huì)在垂直于主流方向引起交變的振動(dòng)力。當(dāng)卡門(mén)渦列的頻率與葉片固有頻率接近時(shí)，葉片動(dòng)應(yīng)力急劇增大，有時(shí)發(fā)出響聲，甚至使葉片根部振裂。大朝山水輪機(jī)投運(yùn)初期也因卡門(mén)渦造成了轉(zhuǎn)輪葉片的嚴(yán)重裂紋;丹江口固定導(dǎo)葉后的卡們渦曾引起導(dǎo)水機(jī)構(gòu)明顯振動(dòng)，造成剪斷銷(xiāo)剪斷、連桿銷(xiāo)上爬;大朝山卡門(mén)渦共振時(shí)，水輪機(jī)室內(nèi)最高噪聲113dB。小浪底停機(jī)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速降到約60% ～40%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，葉片高階自振頻率與葉片攪動(dòng)水流所產(chǎn)生的卡們渦頻率耦合，發(fā)出每轉(zhuǎn)一次的刺耳噪聲。

預(yù)防和處理措施:減薄葉片、固定導(dǎo)葉出水邊的厚度，提高卡門(mén)渦頻率，避開(kāi)共振;設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)測(cè)并錯(cuò)開(kāi)卡門(mén)列渦和繞流部件頻率。

2.2.3 過(guò)度過(guò)程中的不穩(wěn)定現(xiàn)象

過(guò)渡過(guò)程不穩(wěn)定現(xiàn)象有啟動(dòng)過(guò)程不穩(wěn)定現(xiàn)象、停機(jī)過(guò)程不穩(wěn)定現(xiàn)象、機(jī)組快速增加負(fù)荷過(guò)程中的不穩(wěn)定現(xiàn)象、機(jī)組甩負(fù)荷過(guò)程中的不穩(wěn)定現(xiàn)象。例如:水頭變化很大的小浪底水電站，為適應(yīng)如此大的水頭變幅，水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)上采取了厚大葉片頭部，試運(yùn)行的時(shí)候，經(jīng)過(guò)數(shù)次啟動(dòng)，葉片出水邊與上冠相交處產(chǎn)生嚴(yán)重裂紋，采取優(yōu)化導(dǎo)葉開(kāi)啟規(guī)律、補(bǔ)入壓縮空氣等措施得以解決。小浪底水電站多泥沙，為延長(zhǎng)葉片的使用壽命，出水邊厚度達(dá)到37mm。機(jī)組停機(jī)中，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的60～20%區(qū)域，葉片在水流中攪動(dòng)產(chǎn)生渦，使葉片產(chǎn)生高頻動(dòng)應(yīng)力，大軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，水輪機(jī)就發(fā)出一聲刺耳的尖角。葉片出水邊削薄到7mm后，動(dòng)應(yīng)力大幅降低，異常噪聲消失。機(jī)組快速增加負(fù)荷過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，天荒坪水電站2號(hào)機(jī)組，當(dāng)增加負(fù)荷的時(shí)候，機(jī)組發(fā)生抬機(jī)現(xiàn)象，造成機(jī)組有一定的損壞。

預(yù)防和處理措施:對(duì)于上述過(guò)渡過(guò)程問(wèn)題必須予以更廣泛的重視，確保水輪機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.1 偏離最優(yōu)工況

水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況時(shí)，會(huì)產(chǎn)生葉道渦，葉片進(jìn)口的沖角增大。來(lái)流在設(shè)計(jì)水頭以上是正沖角，脫流發(fā)生在上冠葉片進(jìn)口的背面;來(lái)流在設(shè)計(jì)水頭以下是負(fù)沖角，脫流發(fā)生在上冠葉片進(jìn)口的正面。而葉道渦就起源于偏離最優(yōu)工況后上冠進(jìn)口處的脫流，從水輪機(jī)模型試驗(yàn)觀察是從轉(zhuǎn)輪葉片間流出來(lái)的。隨著水輪機(jī)工況變化，當(dāng)2～3個(gè)葉片間同時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)可見(jiàn)的渦流，則認(rèn)為在該工況下發(fā)生了葉道渦。巴基斯坦一水電站水輪機(jī)在高水頭運(yùn)行時(shí)發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈振動(dòng)和裂紋由葉道渦引起。巴西有兩個(gè)水電站的水輪機(jī)由ALSTOM公司供貨，投運(yùn)不久轉(zhuǎn)輪即產(chǎn)生裂紋，對(duì)真機(jī)和模型進(jìn)行了補(bǔ)充試驗(yàn)后證實(shí)，低水頭葉道渦引起了葉片上過(guò)大的動(dòng)應(yīng)力，使轉(zhuǎn)輪裂紋生產(chǎn)。GE公司為龔嘴水電站改造的兩臺(tái)水輪機(jī)運(yùn)行在部分負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)發(fā)生強(qiáng)烈的噪聲，后采用取強(qiáng)補(bǔ)氣的方法得以解決，經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)復(fù)試后，認(rèn)為這種噪聲也可能來(lái)源于葉道渦。

預(yù)防和處理措施:從設(shè)計(jì)上優(yōu)化水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪葉型;為避開(kāi)高水頭葉道渦，水輪機(jī)最優(yōu)水頭應(yīng)該盡可能接近最高水頭;在水輪機(jī)頂蓋上預(yù)留壓縮空氣補(bǔ)氣，必要時(shí)補(bǔ)入壓縮空氣消除振動(dòng);機(jī)組避開(kāi)機(jī)組的振動(dòng)區(qū)，例如伊泰普水電站，即使被認(rèn)為水輪機(jī)穩(wěn)定性能較好，也規(guī)定了715MW的水輪機(jī)可在60%～100%額定負(fù)荷范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)行，30% ～60%低負(fù)荷區(qū)以及空載到10%～30%額定負(fù)荷范圍內(nèi)的運(yùn)行總時(shí)間均不能超過(guò)機(jī)組運(yùn)行總時(shí)間的3%，原則上不允許在10% ～30%額定負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行，的確需要時(shí)，必須在導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間連續(xù)補(bǔ)入壓縮空氣才行。萬(wàn)家寨、二灘、隔河巖、三峽等水電站，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，劃定了機(jī)組的安全運(yùn)行范圍;小浪底水電站則嚴(yán)格按照合同規(guī)定的正常運(yùn)行范圍內(nèi)運(yùn)行。這些水電站采取劃分不同區(qū)域、避開(kāi)振動(dòng)區(qū)運(yùn)行措施后，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，基本沒(méi)有發(fā)生水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋和其他事故。

2.3 電氣原因

造成機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定的電氣原因主要有發(fā)電機(jī)三相不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行、氣隙不均、發(fā)電機(jī)突然短路、定子鐵芯壓裝不緊等。

2.3.1 三相不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)不可避免地會(huì)存在三相負(fù)荷不對(duì)稱(chēng)的情況。此外，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子單向接地、兩相間短路時(shí)也都會(huì)造成發(fā)電機(jī)定子三相負(fù)荷不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。此時(shí)，發(fā)電機(jī)三相繞組中的不平衡電流，會(huì)在三相繞組中產(chǎn)生負(fù)序電流，引起負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)負(fù)序磁場(chǎng)正對(duì)發(fā)電機(jī)縱軸時(shí)，由于氣隙較小，因此定、轉(zhuǎn)子間的作用力較大;反之，當(dāng)負(fù)序磁場(chǎng)正對(duì)發(fā)電機(jī)橫軸時(shí)，由于氣隙較大，定、轉(zhuǎn)子間的作用力較小。這樣負(fù)序磁場(chǎng)使定轉(zhuǎn)子間的作用力時(shí)大時(shí)小，從而造成定子機(jī)座和轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。其振動(dòng)特性:振幅隨負(fù)荷增加而增大;定子鐵芯的振動(dòng)呈駐波式橢圓振動(dòng);振幅與負(fù)序電流成正比。這樣現(xiàn)象可以采取設(shè)置阻尼繞組減弱負(fù)序電流。當(dāng)負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子時(shí)，阻尼繞組因?yàn)殡娮韬吐╇娍购苄?，又安裝在極靴表面，將會(huì)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流而顯著地削弱負(fù)序磁場(chǎng)，從而減小負(fù)序電流;還有就是在電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行上采取措施，減小負(fù)序電流。

預(yù)防和處理措施:發(fā)電機(jī)設(shè)置阻尼繞組減弱負(fù)序電流作用;在電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行上采取措施，減少負(fù)序電流。

2.3.2 氣隙不均

氣隙不均一般有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。靜態(tài)氣隙不均:發(fā)電機(jī)定子或、轉(zhuǎn)子不圓，或者定子、轉(zhuǎn)子不同心，都可能造成發(fā)電機(jī)氣隙不均勻。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極固定良好、在運(yùn)行中沒(méi)有竄動(dòng)時(shí)。最小氣隙在空間的位置是固定的，此時(shí)的氣隙不均勻即為靜態(tài)氣隙不均。它導(dǎo)致發(fā)電機(jī)氣隙不均勻，在發(fā)電機(jī)定子上產(chǎn)生相對(duì)靜止的單邊磁拉力或周期性交變磁拉力，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生周期性交變拉力，從而引起發(fā)電機(jī)振動(dòng)。主要特征:振幅隨勵(lì)磁電流增大而增大，隨發(fā)電機(jī)出力的增加而增大;振幅隨氣隙不均勻度的增大而增大;造成發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承過(guò)負(fù)荷，引起導(dǎo)軸承振動(dòng)，并造成上機(jī)架振動(dòng)。如銅街子1號(hào)發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承經(jīng)一段時(shí)間運(yùn)行后，擺渡逐漸增大，危機(jī)機(jī)組運(yùn)行。起初懷疑因軸線(xiàn)不良或者上導(dǎo)軸承調(diào)整不當(dāng)，進(jìn)行了多次檢修，改進(jìn)結(jié)構(gòu)、精心調(diào)整，都沒(méi)有取得效果。后通過(guò)仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)主要原因是靜態(tài)氣隙不均勻，處理好氣隙后，機(jī)組運(yùn)行正常了。氣隙不均有兩種，如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在運(yùn)行中松動(dòng)，或其他原因造成氣隙在運(yùn)行中的不均勻，此時(shí)，氣隙的位置是旋轉(zhuǎn)的是動(dòng)態(tài)氣隙不均;與靜態(tài)氣隙不均基本相同，但轉(zhuǎn)子上將產(chǎn)生轉(zhuǎn)頻振動(dòng)是動(dòng)態(tài)氣隙不均。例如:加拿大的曼昆機(jī)組曾發(fā)生過(guò)動(dòng)態(tài)氣隙不均勻引起的機(jī)組振動(dòng)，對(duì)磁極進(jìn)行加固處理后消除了動(dòng)態(tài)氣隙不均勻，機(jī)組運(yùn)行良好。

氣隙不均處理措施:適當(dāng)提高對(duì)定、轉(zhuǎn)子圓度和同心度的要求;增加上機(jī)架徑向支撐剛度;提高動(dòng)平衡、靜平衡精度;提高制造和安裝的精度;避免發(fā)生發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在運(yùn)行中的松動(dòng)。

2.3.3 發(fā)電機(jī)突然短路

發(fā)電機(jī)出口突然短路會(huì)使定子繞組的端部受到很大的電磁力的作用。這些力包括定子繞組端部相互間的作用、定子繞組端部與轉(zhuǎn)子繞組端部相互間的作用力以及定子繞組端部與鐵芯之間的作用力。另外，發(fā)電機(jī)突然短路還使轉(zhuǎn)子軸受到很大的電磁力矩作用，所受力矩分為兩種:一種是短路電流中使定子、轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生電阻損耗的有功電流分量所產(chǎn)生的阻力矩，另一種是突然短路過(guò)度過(guò)程中才出現(xiàn)的沖擊交變力矩。這些電磁力及電磁力矩能使發(fā)電機(jī)組受到劇烈的振動(dòng)，并給發(fā)電機(jī)部件帶來(lái)危害。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地當(dāng)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地時(shí)，部分線(xiàn)匝短路，電阻降低，有較大的短路電流流過(guò)短路點(diǎn)，勵(lì)磁電流不正常的增大，發(fā)電機(jī)進(jìn)相多，引起磁場(chǎng)不平衡，造成發(fā)電機(jī)組強(qiáng)烈的振動(dòng)。此外，非同期并列、系統(tǒng)故障、雷擊也會(huì)使發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電磁振動(dòng)。例如:2001年巴西－巴拉圭的440kV線(xiàn)路發(fā)生短路，電網(wǎng)震蕩造成伊泰普電站18臺(tái)700 MW水輪發(fā)電機(jī)組中的13臺(tái)因產(chǎn)生劇烈扭振而被迫停機(jī)，使巴西－巴拉圭兩國(guó)大面積停電。其振動(dòng)特性:突然發(fā)生;噪聲變化劇烈;振動(dòng)形式為扭振。

預(yù)防和處理措施:對(duì)各種異常情況下的網(wǎng)機(jī)關(guān)系進(jìn)行分析，并進(jìn)行網(wǎng)機(jī)耦合仿真計(jì)算，根據(jù)分析、計(jì)算結(jié)果采取必要措施。

2.3.4 定子鐵芯裝壓不緊

如果發(fā)生發(fā)電機(jī)定子鐵芯的壓緊力不夠足，運(yùn)行一段時(shí)間后，在電磁力的作用下，就可能出現(xiàn)鐵芯沖片松動(dòng)。定子鐵芯松動(dòng)通常發(fā)生在鐵芯齒部、端部和合縫處。如果在設(shè)計(jì)上，發(fā)電機(jī)鐵芯和機(jī)座做不到熱變形協(xié)調(diào)，即鐵芯熱膨脹受到定子機(jī)座的約束，則定子鐵芯就會(huì)產(chǎn)生瓢曲，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在電磁力作用下，鐵芯沖片的松動(dòng)和鐵芯瓢曲都可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的振動(dòng)、噪聲和鐵芯溫度升高。國(guó)內(nèi)外多個(gè)水電站都曾發(fā)生過(guò)發(fā)電機(jī)定子鐵芯沖片松動(dòng)及定子鐵芯瓢曲現(xiàn)象，程度不同地引起發(fā)電機(jī)的振動(dòng)、噪聲還和鐵芯溫度的升高。漫灣水電站發(fā)電機(jī)就曾經(jīng)發(fā)生過(guò)，后來(lái)采取加大鐵芯壓力、重新壓緊鐵芯等措施，得以改善。其振動(dòng)特性:振幅與勵(lì)磁電流大小有關(guān);伴隨產(chǎn)生明顯的電磁噪聲;上機(jī)架振動(dòng)比較明顯。

預(yù)防和處理措施:提高定子鐵芯的整體性和剛度;綜合考慮發(fā)電機(jī)的定子鐵芯結(jié)構(gòu)、鐵芯長(zhǎng)度以及電機(jī)運(yùn)行后，由于各種因素因引起的定子鐵芯收縮等因素，合理選擇定子鐵芯壓緊力;鐵芯堆疊時(shí)，采用分段熱壓，保證加熱溫度、加熱時(shí)間和壓緊力;定子鐵芯和定子機(jī)座間可以采用浮動(dòng)式徑向連接結(jié)構(gòu)，避免機(jī)組運(yùn)行時(shí)兩者的熱膨脹差造成鐵芯瓢曲。

3 結(jié)語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，在掌握各種振動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，針對(duì)機(jī)組的實(shí)際振動(dòng)狀態(tài)，科學(xué)的方法，逐一排除疑點(diǎn)，縮小故障原因的范圍，以期待盡快得到正確的診斷結(jié)果，盡早處理，防止故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，避免重大事故的出現(xiàn)，保障水輪機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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