李香華，單文建，王 軍

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水輪發(fā)電機定子鐵心電磁振動原因分析及處理

李香華，單文建，王 軍

（中國長江電力股份有限公司，湖北宜昌 443002）

本文介紹了某大型水輪發(fā)電機定子鐵心電磁振動缺陷情況，從設(shè)計和安裝等方面對缺陷原因進行分析，通過有針對性的技術(shù)改造，從根本上解決了發(fā)電機電磁振動問題。

水輪發(fā)電機；定子鐵心；電磁振動

0 前言

大型水輪發(fā)電機組是由水輪機和發(fā)電機組成的立式旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，水輪發(fā)電機在運行時，由于水力、機械和電磁等因素的綜合影響，振動不可避免，而定子鐵心的電磁振動是水輪發(fā)電機發(fā)生事故和嚴重損壞的根源之一。國內(nèi)某大型水輪發(fā)電機組為我國20世紀80年代初期自行設(shè)計、自行生產(chǎn)的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，投產(chǎn)運行不久就出現(xiàn)了發(fā)電機電磁振動和噪聲偏大問題，嚴重影響機組安全穩(wěn)定運行。

1 定子鐵心電磁振動現(xiàn)象及測試

1.1 電磁振動現(xiàn)象

水輪發(fā)電機組定子為六瓣組裝結(jié)構(gòu)，定子槽數(shù)為756槽，采用分數(shù)槽雙層波繞組設(shè)計，每相3分支并聯(lián)，轉(zhuǎn)子磁極為48對極，轉(zhuǎn)速為62.5r/min。機組投產(chǎn)運行2個月后，即出現(xiàn)了較強的振動現(xiàn)象：上蓋板振動明顯，站在上蓋板上麻腳感和振動噪音直觀感覺強烈，機組下游側(cè)中控室內(nèi)值班人員有明顯的振感，用DN2精密聲波計測量噪音達87DB，超出國家標準。

1.2 振動測試情況

為查明缺陷原因，電廠先后與設(shè)備廠家、試驗研究所和高校等多單位進行了相關(guān)試驗。首先測量了發(fā)電機蓋板的振動、定子外殼及定子合縫的振動，其次做了變工況試驗（即變負荷和變電壓），最后做了定子鐵心的振動試驗，并與同類型機組進行了對比測量分析，試驗結(jié)果如下：

（1）機組上機架上端內(nèi)徑部位垂直振動通頻大部分測點已超過國家標準100μm的要求，100 Hz的振動幅度值遠遠超標。

（2）從機組各部分振動頻譜分析看，機組振動頻率以100Hz左右為主，兼有機組轉(zhuǎn)頻（1.04Hz）的振動，其振動能量以100Hz頻率的能量為主，與導(dǎo)葉、葉片數(shù)相近的低頻振幅很小，可排除引起機組振動的機械及水力因素的可能性，確定為定子鐵心100Hz引起的電磁振動，這種100Hz 鐵心激振能量大（與頻率平方成正比），帶動鄰近部件共振，通過上機架傳遞到蓋板，引發(fā)蓋板共振產(chǎn)生較大噪音。

（3）從變工況試驗曲線可知，發(fā)電機在升壓時100Hz的振頻已出現(xiàn)，其中50%e時定子鐵心振動就達到了一定幅值，隨著負荷的增加，振幅值同步增大。

（4）從同類型機組對比測量分析，該機組中環(huán)板垂直振動（均為100Hz分量）平均值、上機架垂直振動平均值、定子合縫垂直振動和定子鐵心垂直振動均遠大于其他機組；從通頻數(shù)據(jù)看，機組軸向振幅無明顯差異。說明，該機組軸向振動關(guān)鍵是100Hz振動分量過大。

表1 定子鐵心100Hz振動幅值試驗數(shù)據(jù)(單位：μm)

注：其它測點的振動值較小，此表沒有錄入。

2 定子鐵心電磁振動原因排查分析

按照振動的頻率，水輪發(fā)電機的振動可分為兩類：一類稱為旋轉(zhuǎn)頻率振動，簡稱轉(zhuǎn)頻振動；另一類稱為主極頻率振動，簡稱極頻振動。轉(zhuǎn)頻振動基本上屬于低頻振動，產(chǎn)生轉(zhuǎn)頻振動的原因主要有：轉(zhuǎn)子不圓、轉(zhuǎn)子有匝間短路、轉(zhuǎn)子動不平衡、軸彎、定轉(zhuǎn)子磁場的軸心不重合等。極頻振動的頻率為100Hz或其倍數(shù)，產(chǎn)生極頻振動的主要原因有：定子分數(shù)槽次諧波磁勢、負序電流、機座合縫不好、定子鐵心松動等。

2.1 定子分數(shù)槽次諧波磁勢問題

由電磁振動原理可知，水輪發(fā)電機高頻振動基本上都是由定子繞組中流過電流時產(chǎn)生的分數(shù)諧波磁場與氣隙主波磁場相互作用形成激振力波引起的，產(chǎn)生分數(shù)次諧波磁場的可能原因有兩個：

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一是由于并聯(lián)支路采用集中繞組布置（即將3個只占圓周部分的并聯(lián)支路并在一起），當氣隙不均勻時，每個支路感應(yīng)的電勢不一樣，從而在支路間形成環(huán)流，這種環(huán)流在氣隙磁場中會產(chǎn)生一系列的分數(shù)次諧波，與基波相作用形成力波。由于空載和負載時氣隙磁場變化不大，所以并聯(lián)支路環(huán)流變化不大，所引起的振動在空載和負載時應(yīng)基本不變，即測量空載時的振動就可判斷環(huán)流引起振動的大小。從變工況試驗曲線可知，空載100%e時100Hz 振動很小，因此，可以排除環(huán)流引起振動的可能。

二是由于定子繞組本身采用分數(shù)槽（通常水輪發(fā)電機由于極數(shù)較多，考慮繞組對稱及不同冷卻方式、電磁負荷匹配等因素，難以選擇到合適的整數(shù)槽繞組），氣隙磁場中出現(xiàn)分數(shù)次諧波（即極對數(shù)不為基波極對數(shù)整數(shù)倍的諧波），與基波相互作用引起振動。這類諧波特別是極對數(shù)接近基波極對數(shù)的反轉(zhuǎn)諧波，由于與基波相互作用而在鐵心中產(chǎn)生的力波節(jié)點數(shù)較小，因而可能引起較大的振動，這種振動隨著負載的增大（即諧波磁場的加強）而增大。

2.2 負序電流問題

負序電流是可以產(chǎn)生100Hz的振動，并且電網(wǎng)中由于三相負荷的不平衡，負序電流也一定會存在，正常情況下，這種電流是很小的，一般低于總電流的5％（指并網(wǎng)情況下）。但機組從空轉(zhuǎn)到并網(wǎng)的升壓過程中，在60％e和75％e工況下，100Hz的振動就明顯反映出來，這時的負序電流應(yīng)該為零，可見，負序電流不是引起100Hz振動的主要原因。

2.3 定子合縫的問題

定子合縫松動產(chǎn)生振動的特點是隨發(fā)電機勵磁的投入而產(chǎn)生的，隨發(fā)電機溫度的上升而減少。從實測數(shù)據(jù)看，l00Hz振動幅值隨著勵磁電流的加入而出現(xiàn)，但又隨著負荷的增加而增大，并且不隨溫度的上升而減少。檢測定子合縫的間隙，在冷態(tài)下其間隙只有十幾微米，熱態(tài)下無間隙，而該機組在冷態(tài)和熱態(tài)時都存在振動，說明其振動與定子合縫的間隙無關(guān)。

2.4 定子鐵心問題

定子鐵心松動的振動頻率是電流頻率的2倍，隨著勵磁電流的加入而出現(xiàn)，又隨著負荷的增加，振動幅值增大，與測試結(jié)果相符。發(fā)電機定子鐵心沖片之間不允許松動，但停機檢查發(fā)現(xiàn)該機組定子鐵心不少部位存在間隙，其間隙值在0.20～0.40 mm之間，出現(xiàn)定子鐵心松動的現(xiàn)象；定子鐵心的波浪度最大達10～15 mm，遠超過國家標準規(guī)定的定子鐵心在圓周方向的波浪度不大于±4 mm的要求，并且鐵心變形產(chǎn)生局部凹凸現(xiàn)象有24處。

分瓣定子鐵心在廠內(nèi)壓裝，6瓣運到現(xiàn)場后進行組裝。據(jù)廠家人員介紹，在廠內(nèi)安裝鐵心時，只預(yù)壓兩次，而其他機組預(yù)壓三次，因此可以認為該機組的定子鐵心的壓緊力是不夠的。因此在運行一段時間后，出現(xiàn)定子鐵心松動，產(chǎn)生電磁振動（投產(chǎn)一個月出現(xiàn)振動問題）。在運行中，伴隨著機組勵磁的投入，出現(xiàn)振動現(xiàn)象。隨著機組負荷的增加及溫度的升高，鐵心變形越來越大。由于定子鐵心定位筋（鴿尾筋）與鐵心及托塊之間沒有間隙，且定子又無法向外滑動，因此鐵心變形膨脹向合縫處擠壓，這就是合縫處變形大的原因。隨著鐵心變形的增大，振動也增大。因此定子鐵心松動、變形（波浪度，間隙增大等）和增大是產(chǎn)生該機組100Hz電磁振動的主要原因之一。

綜上所述，引起機組100Hz 振動的最大可能原因是繞組本身引起的分數(shù)次諧波振動和定子鐵心松動變形問題。

3 定子鐵心電磁振動改造措施

為徹底消除機組電磁振動問題，運行多年后對該機組進行了更新改造，針對原電磁振動問題，從設(shè)計、安裝等方面進行了改造，主要措施包括：

（1）將原發(fā)電機定子的分瓣結(jié)構(gòu)改為整圓結(jié)構(gòu)，鐵心彈性模量增大，從而使定子鐵心振動幅值減小，同時徹底解決了合縫槽引起的鐵心變形等問題；

（2）將原來的固定式定位筋全部改為浮動式雙鴿尾筋，并采用具有壓緊螺母、蝶形彈簧、穿芯螺桿及墊圈的鐵心緊固結(jié)構(gòu)，利用蝶形彈簧的變形補償鐵心運行后的收縮，定位筋與托塊之間的間隙，可有效防止鐵心由于溫度應(yīng)力產(chǎn)生的翹曲變形。

（3）定子疊片時分段壓緊，采用冷壓及鐵損試驗后加熱壓緊的工藝措施，這種措施可使鐵心單位壓力由原來的1.0MPa提高到1.96MPa，可以改善定子鐵心長時間運行后松動的問題。

（4）修改電磁設(shè)計，將原756 槽更改為792槽設(shè)計，減少分數(shù)次諧波與氣隙主波磁場相互作用形成的激振力波影響。

改造前槽數(shù)= 756，極對數(shù)=48，則每極每相槽數(shù)，（其中是相數(shù)，此處為 3；、、為整數(shù)，且、互質(zhì)。）根據(jù)定子繞組的基本參數(shù)可知，機組的單元電機數(shù)，由分數(shù)槽繞組磁勢的諧波波譜理論，對于對稱的三相60°相帶繞組，定子磁勢的空間諧波次數(shù)為：

改造后槽數(shù)= 792，極對數(shù)=48，則每極每相槽數(shù)，機組的單元電機數(shù)，定子磁勢的空間諧波次數(shù)為：

通過改造前后理論計算對比分析，在其他參數(shù)無明顯變化的情況下，更改電磁設(shè)計前后，最接近主波的2個反轉(zhuǎn)定子磁勢波以及反轉(zhuǎn)次諧波磁勢力波次數(shù)均明顯增加，因此，次諧波磁場和氣隙主波磁場相互作用所產(chǎn)生的激振力波幅值將明顯減弱。

4 改造后效果分析

為驗證改造后機組電磁振動情況，對改造后機組進行電磁振動現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果如下：

（1）機組上機架垂直振動幅值遠小于標準要求允許值80μm，上機架水平振動在空轉(zhuǎn)無勵磁和100%e工況下的振幅分別為30μm和45μm，幅值也遠小于標準要求允許值110μm，可見機組的機械不平衡力和電磁不平衡力皆不大，機組能夠穩(wěn)定運行。機組改造后上機架振動趨勢如圖1所示。

圖1 機組改造后上機架振動趨勢圖

（2）在各種工況下發(fā)電機定子鐵心水平方向均未出現(xiàn)100Hz極頻電磁振動現(xiàn)象，而定子鐵心中出現(xiàn)的50Hz振動系工頻干擾，并非發(fā)電機電磁振動所致，如圖2所示。

圖2 50MW負荷工況下定子鐵心X向水平振動時域圖和頻譜圖

（3）上機架水平振幅和定子鐵心振幅在各種工況下都滿足振動規(guī)程要求。

（4）在不同負荷工況下，機組定子三相電流基本相同，這表明機組三相負荷基本平衡，不存在三相負荷不平衡而影響機組穩(wěn)定運行的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

通過測試和分析，對水輪發(fā)電機電磁振動原因進行排查，并從設(shè)計和安裝等方面有針對性地進行改造，從根本上解決了發(fā)電機電磁振動問題，對大型水輪發(fā)電機電磁振動問題分析和處理方面有較高的借鑒意義。

[1] 許實章, 等. 水輪發(fā)電機定子鐵心的磁振動[J]. 華中工學(xué)院學(xué)報, 1973,（12）: 48-53.

[2] 哈爾濱電工學(xué)院電機教研室. 水輪發(fā)電機的振動[J]. 大電機技術(shù), 1974,（1）.

Analysis and treatment for the electromagnetic vibration of stator core of large Hydro-Generator Set

Li Xianghua, Shan Wenjian, Wang Jun

(China Yangtze Power Corporation Ltd., Yichang 443002, China)

This paper describes the defect of the electromagnetic vibration of stator core of large hydro-generator set, and analyzes the cause of the defect from design and installation. Through the targeted technical transformation, the problem of electromagnetic vibration of the generator is basically resolved.

hydro-generator; stator core; electromagnetic vibration

TM312

A

1000-3983(2016)05-0026-04

2016-04-07

李香華（1981-），2013年獲得重慶大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位，現(xiàn)從事水電站電氣一次專業(yè)技術(shù)管理工作，高級工程師。

審稿人：呂桂萍