趙曉嘉，郭耀先，龔登位（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南　大理 675702）

小灣水電廠發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)原因及改進(jìn)措施

趙曉嘉，郭耀先，龔登位
（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南大理 675702）

小灣水電廠機(jī)組運(yùn)行期間，發(fā)電機(jī)定子機(jī)架、定子鐵芯水平振動(dòng)值偏大。發(fā)電機(jī)運(yùn)行、檢修及振動(dòng)試驗(yàn)表明，引起定子振動(dòng)的原因是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不圓度以及部分機(jī)組偏心較大造成氣隙不均，勵(lì)磁磁勢(shì)作用下產(chǎn)生的交變力波作用在定子鐵芯后，引發(fā)定子低頻電磁振動(dòng)。針對(duì)上述原因，制定了后續(xù)處理方案。

發(fā)電機(jī)；定子；轉(zhuǎn)子；低頻振動(dòng)；不圓度；小灣水電站

小灣水電廠共裝設(shè)6臺(tái)機(jī)組，額定功率為700 MW，型號(hào)SF700-40/12770，由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司、阿爾斯通（瑞士）有限責(zé)任公司、天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司聯(lián)合體供貨。

1　發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)

1.1定子機(jī)座與鐵芯振動(dòng)值

根據(jù)GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》及合同要求，小灣水電廠機(jī)組啟動(dòng)期間定子鐵芯處定子機(jī)座部件上任一點(diǎn)測(cè)得的預(yù)計(jì)最大振動(dòng)峰-峰值（0.5～5 Hz水平分量，即轉(zhuǎn)頻分量）不大于0.1 mm，正常負(fù)荷下定子機(jī)架水平振動(dòng)及定子鐵芯振動(dòng)不大于0.03 mm。

各臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)，發(fā)電機(jī)定子機(jī)架、定子鐵芯等部位振動(dòng)幅值運(yùn)行趨勢(shì)穩(wěn)定。各機(jī)組在700 MW有功負(fù)荷下定子機(jī)座與鐵芯的振動(dòng)值見(jiàn)表1。

從表1可知，機(jī)組運(yùn)行期間，除定子鐵芯垂直振動(dòng)值外，定子機(jī)架、定子鐵芯水平振動(dòng)值均偏大［1］，全部超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)及合同要求，部分振動(dòng)值已超過(guò)振動(dòng)一級(jí)報(bào)警定值（120 μm）。

1.2定子水平振動(dòng)頻譜

各臺(tái)發(fā)電機(jī)定子機(jī)架、鐵芯水平振動(dòng)頻譜趨勢(shì)相近，都屬于1倍頻、2倍頻的低頻振動(dòng)。以5號(hào)發(fā)電機(jī)為例，其定子水平振動(dòng)頻譜見(jiàn)圖1。

1.3定、轉(zhuǎn)子氣隙偏差

水灣水電站發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子空氣間隙設(shè)計(jì)值為34 mm。各機(jī)組在700 MW有功負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中定、轉(zhuǎn)子氣隙測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。從表2可知，各臺(tái)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中存在明顯的氣隙偏差［2］。

表1　各機(jī)組定子機(jī)座與鐵芯振動(dòng)值μm

圖1　5號(hào)發(fā)電機(jī)定子水平振動(dòng)頻譜

表2　各機(jī)組運(yùn)行時(shí)定、轉(zhuǎn)子氣隙

1.4定、轉(zhuǎn)子圓度

各機(jī)組在700 MW有功負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中定、轉(zhuǎn)子不圓度見(jiàn)表3。從表3可知，3、5、6號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不圓度明顯偏大，且有較大的偏心。

表3　各機(jī)組運(yùn)行時(shí)定、轉(zhuǎn)子不圓度

2　發(fā)電機(jī)定子低頻振動(dòng)原因分析

為改善發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)情況，小灣水電廠制訂了詳細(xì)的特維方案，加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)視與專項(xiàng)檢查。此外，還積極組織主機(jī)廠家和相關(guān)單位進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)偏大原因進(jìn)行分析。

2.1機(jī)組振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)論

2011年10月13日及11月10日，5號(hào)機(jī)組進(jìn)行了2次振動(dòng)試驗(yàn)；2012年3月21日，4號(hào)機(jī)組進(jìn)行了1次振動(dòng)試驗(yàn)。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)組空轉(zhuǎn)時(shí)定子機(jī)架振動(dòng)幅值較小，可排除機(jī)械因素，包括轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)；并網(wǎng)后改變機(jī)組有功負(fù)荷，定子機(jī)架振動(dòng)變化不明顯，說(shuō)明其受水力因素影響較??；空轉(zhuǎn)后隨著勵(lì)磁電流的增加，振動(dòng)幅值逐漸增大，主要頻率為1倍頻和2倍頻，波形均勻，諧波成分少，認(rèn)為由電氣因素造成定子機(jī)座振動(dòng)的可能性較大［3］。初步分析結(jié)論為：因轉(zhuǎn)子偏心導(dǎo)致定子振動(dòng)較大［4］，改善轉(zhuǎn)子圓度并減少轉(zhuǎn)子偏心，可減小定子振動(dòng)振幅［5］。

2.2定子剛度

相對(duì)于運(yùn)行水頭相近的同容量機(jī)組來(lái)說(shuō)，小灣水電廠發(fā)電機(jī)定子具有支臂數(shù)目較少、高度較高、環(huán)板數(shù)量較少、采用斜支臂柔性結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。有限元計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，雖然定子機(jī)座的徑向剛度比同容量機(jī)組弱，但由于定子鐵芯剛度在定子總體剛度中占主導(dǎo)地位，定子整體的徑向剛度相差并不大［6］。因此，定子結(jié)構(gòu)型式并不是產(chǎn)生振動(dòng)的主要因素。

2.3轉(zhuǎn)子圓度變化

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓度在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變化，主要由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、安裝過(guò)程中打鍵產(chǎn)生虛空及安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求較低所至。

2.3.1磁軛結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)磁軛采用帶通風(fēng)溝的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子尺寸較高，裝壓后磁軛軸向剛度不均勻，影響整體壓緊效果，機(jī)組過(guò)速后磁軛會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的較大變形，轉(zhuǎn)子支架和磁軛之間原打鍵緊量將大大減少，易造成轉(zhuǎn)子偏心，轉(zhuǎn)子不圓度增大。

轉(zhuǎn)子磁軛拉緊螺桿外徑為φ55，磁軛墊片的拉緊螺桿孔直徑為φ55.25，兩者之間存在間隙。發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，也會(huì)導(dǎo)致磁軛在正常運(yùn)行、過(guò)速過(guò)程中產(chǎn)生向外的形變。

轉(zhuǎn)子磁軛緊量設(shè)計(jì)值為單邊3 mm。結(jié)合運(yùn)行中氣隙測(cè)值、檢修期間轉(zhuǎn)子直徑測(cè)值、磁軛鍵附近間隙值等數(shù)據(jù)可知，目前磁軛單邊緊量?jī)H剩1 mm。因此，需要在機(jī)組大修期間根據(jù)磁軛圓度計(jì)算分配墊片尺寸，重新打緊磁軛，使其單邊緊量達(dá)到2.5～3 mm。

2.3.2磁極鍵結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)磁極鍵采用鴿尾打鏈條鍵結(jié)構(gòu)，斜向打緊固定，易造成磁極鍵虛打緊，產(chǎn)生松動(dòng)。機(jī)組過(guò)速后，磁軛存在殘余變形，沖片切向產(chǎn)生錯(cuò)牙，也易造成磁極鍵松動(dòng)。因此，磁極鍵在安裝時(shí)，要嚴(yán)格保證安裝質(zhì)量，否則易造成磁極鍵松動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)不圓度增大。

2012年～2013年機(jī)組檢修結(jié)束后，各機(jī)組磁極半徑偏差及各機(jī)組在700 MW有功負(fù)荷運(yùn)行時(shí)定子機(jī)座振動(dòng)與轉(zhuǎn)子不圓度對(duì)比見(jiàn)表4。從表4可知，3、5號(hào)機(jī)組磁極半徑偏差較小，但機(jī)組運(yùn)行后定子機(jī)座振動(dòng)最大，轉(zhuǎn)子不圓度較大，說(shuō)明機(jī)組檢修過(guò)程中存在磁極鍵虛打緊引起松動(dòng)的情況。

從部分磁極處氣隙值隨機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的趨勢(shì)可看出，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到85%后，磁極處的發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子氣隙值下降趨勢(shì)明顯加劇，說(shuō)明此時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)磁極與磁軛脫離現(xiàn)象。磁極調(diào)整墊片還會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸外移，在轉(zhuǎn)動(dòng)離心力和磁力作用下，過(guò)長(zhǎng)的轉(zhuǎn)子磁極調(diào)整墊片貼在磁極繞組內(nèi)側(cè)造成轉(zhuǎn)子接地，給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大危害。

2.3.3磁極結(jié)構(gòu)

磁極采用鐵芯直接疊片結(jié)構(gòu)，在吊裝、運(yùn)輸過(guò)程中容易變形，難以保證設(shè)計(jì)要求的形位公差，磁極出現(xiàn)弓形，容易形成二次氣隙。

2.3.4檢修控制質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

DL/T 817—2002《立式水輪發(fā)電機(jī)檢修技術(shù)規(guī)程》要求：“轉(zhuǎn)子磁極圓度、各半徑與平均半徑之差，不應(yīng)大于設(shè)計(jì)空氣間隙值的±5%”。小灣水電廠發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)空氣間隙為34 mm，Q/HNXW—J 3301—2012《水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備檢修調(diào)試驗(yàn)收質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱“檢修質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”）中轉(zhuǎn)子圓度控制標(biāo)準(zhǔn)為±1.36 mm合格、±1.02 mm優(yōu)良，優(yōu)于DL/T 817—2002的要求，但與部分同容量機(jī)組相比，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)仍偏低，這也是造成轉(zhuǎn)子圓度值偏大的原因之一。因此，小灣水電廠檢修質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)需要繼續(xù)提高。

表4　各機(jī)組磁極半徑偏差及定子機(jī)座振動(dòng)與轉(zhuǎn)子不圓度對(duì)比

2.4定子低頻振動(dòng)原因

結(jié)合機(jī)組振動(dòng)試驗(yàn)及定子剛度計(jì)算分析結(jié)果得出，造成小灣水電廠發(fā)電機(jī)定子低頻振動(dòng)的原因?yàn)檗D(zhuǎn)子不圓及定、轉(zhuǎn)子偏心引起氣隙不均，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中在勵(lì)磁磁勢(shì)作用下，氣隙中會(huì)產(chǎn)生一系列的低次諧波磁場(chǎng)，這些諧波磁場(chǎng)與主波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生力波，這些變化的力作用在定子鐵芯上，引發(fā)定子低頻電磁振動(dòng)。因此，要減少發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)，需改善轉(zhuǎn)子圓度，減少轉(zhuǎn)子偏心度。

3　改進(jìn)措施

針對(duì)發(fā)電機(jī)定子低頻振動(dòng)原因，小灣水電廠在2012年～2013年機(jī)組檢修期間參照檢修質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)（±1.02 mm）的要求，對(duì)1、2、6號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行了處理。其中，1號(hào)機(jī)組處理了8、12、13、14、15、16號(hào)共6個(gè)磁極，2號(hào)機(jī)組處理了12、24、28、34號(hào)磁極共4個(gè)磁極，6號(hào)機(jī)組處理了1、3、6號(hào)共3個(gè)磁極。以1號(hào)機(jī)組為例，轉(zhuǎn)子圓度處理前、后對(duì)比見(jiàn)表5。

表5　1號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓度處理前、后對(duì)比　mm

1號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓度處理前、后定子振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖2。從圖2可知，轉(zhuǎn)子圓度按照相關(guān)要求調(diào)整后，定子機(jī)架及鐵芯水平振動(dòng)情況有所改善。

圖2　1號(hào)機(jī)組檢修前、后發(fā)電機(jī)定子機(jī)架及鐵芯振動(dòng)對(duì)比

根據(jù)轉(zhuǎn)子圓度處理效果，制定以下定子振動(dòng)后續(xù)處理方案：

（1）提高檢修質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，最大限度減小轉(zhuǎn)子的不圓度。將轉(zhuǎn)子半徑的最大值與最小值之差控制在0.8 mm以內(nèi)，將上導(dǎo)、水導(dǎo)軸承盤車數(shù)據(jù)凈擺度在一個(gè)方向上的最大差值控制在0.08 mm以內(nèi)。

（2）在機(jī)組大修期間吊出轉(zhuǎn)子，將磁軛鍵重新熱打緊到3 mm，重新掛裝磁極，增加0.1 mm厚的超薄磁極鍵調(diào)整墊片，以確保打緊磁極鍵，消除離心力引起的磁極膨脹量。打緊磁極鍵時(shí)，要嚴(yán)格控制質(zhì)量，防止出現(xiàn)虛打緊現(xiàn)象。

利用機(jī)組大修機(jī)會(huì)，要進(jìn)行以下工作：

（1）對(duì)機(jī)組軸線進(jìn)行檢查、調(diào)整、處理，使機(jī)組軸線、機(jī)組旋轉(zhuǎn)中心線盡量接近機(jī)組中心線，減小由于各導(dǎo)軸承擺度過(guò)大引起的機(jī)械振動(dòng)。

（2）對(duì)定子鐵芯拉緊螺桿、定子機(jī)座基礎(chǔ)螺栓、上下機(jī)架基礎(chǔ)螺栓進(jìn)行檢查和緊固。

（3）對(duì)磁軛鍵松動(dòng)情況及磁極調(diào)整墊片伸出情況進(jìn)行檢查。

（4）對(duì)定子圓度進(jìn)行測(cè)量，并與安裝時(shí)、上次檢修測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

（5）機(jī)組進(jìn)行過(guò)速試驗(yàn)后，對(duì)所有磁極鍵進(jìn)行打緊并更換磁極鍵壓蓋螺栓。

（6）轉(zhuǎn)子圓度及偏心度處理后，對(duì)機(jī)組振動(dòng)改善情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定是否需要進(jìn)行定子圓度處理。

（7）結(jié)合機(jī)組檢修，在1、3、5、6號(hào)機(jī)組檢修前，提前進(jìn)行機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)。根據(jù)動(dòng)平衡測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)上導(dǎo)擺度和機(jī)架振動(dòng)情況進(jìn)行處理，并檢驗(yàn)電廠在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

（8）在機(jī)組檢修后，對(duì)機(jī)組振動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)，如機(jī)組盤車數(shù)據(jù)、機(jī)組圓度、機(jī)組各導(dǎo)軸承間隙、機(jī)組運(yùn)行后的瓦溫、導(dǎo)軸承擺度、各機(jī)架振動(dòng)、定子鐵芯振動(dòng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，檢查機(jī)組檢修效果。

［1］富丹華，呂建平，徐偉.水輪發(fā)電機(jī)組及輔助設(shè)備運(yùn)行與維修［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2005.

［2］李源，陳昌林.氣隙不均勻?qū)D(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)特性影響的初步研究［J］.東方電機(jī)，2010，76（4）：63-68.

［3］郭丹，何永勇，褚福磊.不平衡磁拉力及對(duì)偏心轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)的影響［J］.工程力學(xué)，2003，20（2）：116-121.

［4］諸嘉慧，邱阿瑞.大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心磁場(chǎng)的計(jì)算［J］.大電機(jī)技術(shù)，2007，201（3）：1-4.

［5］周理兵，馬志云.大型水輪發(fā)電機(jī)不同工況下不平衡磁拉力［J］.大電機(jī)技術(shù)，2002，176（2）：26-29.

［6］姜培，林虞烈.電機(jī)不平衡磁拉力及其剛度的計(jì)算［J］.大電機(jī)技術(shù)，1998，148（4）：32-34.

（責(zé)任編輯楊健）

Stator Vibration Reason Analyses and Improvements of Generators in Xiaowan Hydropower Station

ZHAO Xiaojia，GUO Yaoxian，GONG Dengwei
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

The horizontal vibrations of stator frame and core of generators are larger than standard values in operation period of Xiao wan ltydropower Plant.The operation，maintenance and vibration tests show that the vibration of generator stator is caused by larger out-of-roundness of rotor and/or uneven gap between stator and rotor aroused by the eccentricity of rotor.These defects lead to the low-frequency electromagnetic vibration of stator under the action of excitation alternating forces.According to the reason analyses，the corresponding treatment programs are developed.

generator；stator；rotor；low-frequency vibration；out-of-roundness；Xiaowan Hydropower Station

TK730.7（274）

A

0559-9342（2015）10-0047-04

2015-07-27

趙曉嘉（1987—），男，河南靈寶人，工程師，主要從事水電廠生產(chǎn)技術(shù)管理工作.