姜美武，姜 勇

(江山市峽口水庫(kù)管理局，浙江 衢州 324116)

賀社水電站發(fā)電機(jī)電磁噪聲分析與處理

姜美武，姜 勇

(江山市峽口水庫(kù)管理局，浙江 衢州 324116)

針對(duì)賀社水電站3臺(tái)630 kW水輪發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁噪聲過(guò)大問(wèn)題，在對(duì)其電磁噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，就電磁噪聲過(guò)大的原因進(jìn)行了分析、研究與判定，確定系發(fā)電機(jī)定子的固有頻率與磁場(chǎng)的激振力頻率相近引起共振造成.采用加裝隔音外罩、磁極斜極改造等處理方案，均未取得預(yù)期效果，最終通過(guò)電磁計(jì)算，采用改變發(fā)電機(jī)定子槽數(shù)的辦法，徹底解決了定、轉(zhuǎn)子槽的配合不當(dāng)問(wèn)題,將定子固有頻率與磁場(chǎng)的激振力頻率相近引起共振造成的電磁噪聲控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi).

水輪發(fā)電機(jī)；電磁噪聲；頻率；共振

1 概 況

賀社水電站原裝機(jī)2×800 kW+1×630 kW，總裝機(jī)容量為2 230 kW.由于該電站長(zhǎng)期出力不足，加上已運(yùn)行30 a，電站機(jī)電設(shè)備老化嚴(yán)重.2012

年，電站對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行報(bào)廢重建，設(shè)計(jì)裝機(jī)3×630 kW，水輪機(jī)型號(hào)為HLA551c-WJ-71，配套發(fā)電機(jī)型號(hào)為SFW630-10/1180.其中發(fā)電機(jī)主要參數(shù)規(guī)格(見表1).

表1 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

2 發(fā)電機(jī)噪聲的產(chǎn)生與測(cè)定

2.1 發(fā)電機(jī)噪聲的產(chǎn)生

2013年1月21日，機(jī)組安裝完成后，安裝調(diào)試人員在對(duì)三臺(tái)發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)聲音異常，噪聲超標(biāo).

(1)發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)時(shí)聲音正常，但加載勵(lì)磁電流后電磁噪音便出現(xiàn)異常增大.

(2)首先對(duì)1#機(jī)勵(lì)磁零啟升壓建壓，當(dāng)電壓升到2 000 V時(shí)，發(fā)電機(jī)開始出現(xiàn)異常的電磁噪聲；升至4 000 V時(shí)，開始出現(xiàn)電磁嘯叫；升至額定電壓時(shí)，嘯聲進(jìn)一步加劇.

(3)發(fā)電機(jī)空載額定電壓時(shí)最大噪聲>100 dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)合同所規(guī)定的85 dB及國(guó)家所規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn).

(4)在隨后的動(dòng)態(tài)調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)2#、3#機(jī)也存在同樣的電磁嘯叫現(xiàn)象.

2.2 發(fā)電機(jī)噪聲的測(cè)定

2013年1月23日，電站業(yè)主委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)來(lái)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電磁噪聲實(shí)測(cè)，不同工況下的噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(見表2).

表2 1#、2#、3#發(fā)電機(jī)電磁噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 單位：dB

注：各測(cè)點(diǎn)距水輪發(fā)電機(jī)組水平距離為1 m，距離地面高度為0.89 m(即發(fā)電機(jī)中心高度)

3 發(fā)電機(jī)噪聲原因分析與判定

3.1 產(chǎn)生電機(jī)噪聲初步原因

電機(jī)在正常運(yùn)行中，電機(jī)噪聲通常由機(jī)械、通風(fēng)、電磁等三種原因產(chǎn)生，最終形成一個(gè)不同頻率、不同聲強(qiáng)的疊加噪聲.引起外部和內(nèi)部的電機(jī)噪聲影響因素有很多，但只有電機(jī)噪聲達(dá)到了一定程度才能稱作噪音[1].

根據(jù)噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，空轉(zhuǎn)工況下測(cè)定數(shù)據(jù)基本在正常范圍內(nèi)，而且整個(gè)過(guò)程中水輪發(fā)電機(jī)組也無(wú)明顯的異常振動(dòng)等情況，且三臺(tái)機(jī)組具有相同的共性問(wèn)題，可以判斷：

(1)該異常噪聲與水力機(jī)械、機(jī)組安裝等也可能引起噪聲的因素?zé)o關(guān).

(2)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下空轉(zhuǎn)時(shí)并未出現(xiàn)異常噪聲，說(shuō)明機(jī)械和通風(fēng)噪聲并非是造成異常噪聲的主要聲源.

(3)發(fā)電機(jī)在空載狀態(tài)下，電機(jī)噪聲出現(xiàn)了明顯的異常增大，且隨著電壓的升高噪聲也相應(yīng)加大，說(shuō)明異常噪聲系電機(jī)的電磁噪聲造成.

初步分析發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)生電機(jī)噪聲是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)定子鐵心采用沖片開槽.當(dāng)發(fā)電機(jī)處于空載時(shí)，由于有氣隙磁場(chǎng)的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力會(huì)使鐵心產(chǎn)生齒頻脈動(dòng)，從而產(chǎn)生了電磁噪聲.電磁噪聲數(shù)值大小決定于電磁負(fù)荷與電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，主要有定、轉(zhuǎn)子槽的配合不當(dāng)，定、轉(zhuǎn)子偏心或氣隙過(guò)小以及長(zhǎng)度不一致等原因[2-3].

3.2 產(chǎn)生電磁噪聲的進(jìn)一步判定

2013年2月，將其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)返廠，在工廠完成組裝并進(jìn)行拖動(dòng)空載建壓試驗(yàn)，對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的電磁噪聲作進(jìn)一步試驗(yàn)與分析.

(1)先將轉(zhuǎn)子拖動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速600 r/min，再對(duì)轉(zhuǎn)子逐步勵(lì)磁建壓，實(shí)際建壓到3 000 V后開始出現(xiàn)較大的電磁噪聲.

(2)先對(duì)轉(zhuǎn)子將勵(lì)磁加到額定值，再拖動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐步升高，試驗(yàn)證明在0～540 r/min，640 r/min以上均沒(méi)有出現(xiàn)異常的電磁噪聲，在540～640 r/min之間，電磁噪聲明顯增加.

根據(jù)試驗(yàn)情況，可以進(jìn)一步得出：發(fā)電機(jī)產(chǎn)生異常的電磁噪聲是由于發(fā)電機(jī)定子的固有頻率與磁場(chǎng)的激振力頻率相近而引起的共振造成的噪聲.

4 降低電機(jī)噪聲的處理試驗(yàn)及結(jié)果

4.1 裝隔音外罩及磁極斜極改造方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理

現(xiàn)場(chǎng)采用加裝隔音外罩及磁極斜極改造等方法進(jìn)行降噪處理,過(guò)程與結(jié)果分析如下:

(1)首先采用加裝吸音泡沫塑料等制成的外罩對(duì)發(fā)電機(jī)上部空間進(jìn)行噪聲隔離，以期降低噪聲，但效果不佳，反而增加了電機(jī)及軸承的溫升，遂予以放棄.

(2)根據(jù)其它案例成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，采用斜極能有效地削弱諧波磁場(chǎng)引起的附加轉(zhuǎn)矩和電磁噪聲[4-5].將電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極傾斜1個(gè)定子齒距，改為斜極，以減小其平均徑向力，改善定子齒諧波振動(dòng)，從而降低齒諧波噪聲，具體改造示意圖(見圖1).

圖1 磁極斜極改造示意圖

但該方案由于未避開定子固有頻率和電磁力的頻率共振，也沒(méi)有取得預(yù)期效果.

4.2 返廠對(duì)原定、轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行改造處理

電磁噪聲是由氣隙的高次諧波磁通密度產(chǎn)生的徑向力作用所產(chǎn)生，常規(guī)上可以通過(guò)增大氣隙來(lái)減小磁通密度，從而減小噪聲.

(1)先期采用擴(kuò)大定、轉(zhuǎn)子空氣隙1 mm的改造方案.即將轉(zhuǎn)子外圓整體車小1 mm，希望可以改善磁場(chǎng)波形，削弱齒諧波，但實(shí)際的改造效果對(duì)電磁嘈聲的減小并不明顯.

(2)對(duì)定子機(jī)座加焊環(huán)筋，對(duì)鐵芯與機(jī)座筋板進(jìn)行分段焊接，并將定子槽楔改為磁性槽楔，降低磁通密度，仍沒(méi)有獲得預(yù)期的效果.

4.3 重新改變定子槽數(shù)

該發(fā)電機(jī)的定子基本嵌線數(shù)據(jù)(見表3)；定子接線圖(見圖2).

表3 原定子嵌線數(shù)據(jù)

圖2 定子接線圖

(1)發(fā)電機(jī)定子固有振動(dòng)頻率的計(jì)算

發(fā)電機(jī)定子固有振動(dòng)頻率fnr的計(jì)算公式[6]：

(1)

式中：fnr—定子固有振動(dòng)頻率，Hz；

r—力波次數(shù)；

h—鐵心軛高，cm；

Rc—鐵心軛平均半徑，cm；

Dc—鐵心軛平均直徑，cm；

E—彈性模量(取2.1×106kgf/cm2)；

m—軛單位圓柱表面的平均質(zhì)量(包括齒與繞組)，kgf·s2/cm3.

(2)

(3)

式中：GCM1、GE1、GC1分別為定子繞組、齒及軛的重量/kg.

(2)電磁噪聲振動(dòng)頻率的計(jì)算

①定、轉(zhuǎn)子基波磁場(chǎng)產(chǎn)生的噪聲：基波磁場(chǎng)產(chǎn)生的振動(dòng)力波次數(shù)r=2p=10，所產(chǎn)生的噪聲頻率為100 Hz，力波階數(shù)較高，不會(huì)是電機(jī)高噪聲的主因[6].

②電樞反應(yīng)分?jǐn)?shù)諧波磁場(chǎng)(即定子次諧波磁場(chǎng))和轉(zhuǎn)子基波、諧波磁場(chǎng)所產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲：

(4)

這些諧波中，極對(duì)數(shù)小于主磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)的分?jǐn)?shù)諧波稱為低次諧波.次數(shù)最接近基波的諧波將與勵(lì)磁基波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生頻率為100 Hz，力波次數(shù)可能小于2p的徑向電磁力.而低階力波則會(huì)引起電機(jī)產(chǎn)生100 Hz的較為強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲.

(3)共振效應(yīng)

由上可以得知，正是因?yàn)樵摪l(fā)電機(jī)一階齒諧波磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁諧波磁場(chǎng)生成了|r|次電磁力波，此力波的振動(dòng)頻率與定子鐵心固有振動(dòng)頻率相接近，從而形成了共振效應(yīng)，并產(chǎn)生了異常的電磁噪聲.找出真正原因后，對(duì)發(fā)電機(jī)重新進(jìn)行了電磁計(jì)算，將定子原槽數(shù)從84槽更改為90槽，徹底解決了定、轉(zhuǎn)子槽的配合不當(dāng)問(wèn)題，投運(yùn)后，電機(jī)聲音轉(zhuǎn)為正常，均未超過(guò)85 dB.

5 結(jié) 語(yǔ)

賀社水電站最終通過(guò)改變發(fā)電機(jī)定子槽數(shù)的辦法，成功地解決了定子固有頻率與磁場(chǎng)的激振力頻率相近引起共振造成的電磁噪聲，本站的處理經(jīng)驗(yàn)可供類似發(fā)電機(jī)電磁噪聲處理提供參考.

[1] 滿連善.電機(jī)噪聲產(chǎn)生的原因及減小噪音的設(shè)計(jì)方法[J].科技創(chuàng)業(yè)家,2014(3):64-65.

[2] 龔鑫森.SF630—32/2600水輪發(fā)電機(jī)電磁噪聲分析與治理[J].東方電氣評(píng)論,1991,5(4):216-222.

[3] 齊 輝,李永輝,段建剛.電機(jī)噪聲的類別、分析方法以及防治措施的研究進(jìn)展[J].微特電機(jī),2007,35(3):46-48.

[4] 宋亞秋,宿亞樓.電機(jī)噪聲產(chǎn)生的原因及減小噪音的設(shè)計(jì)方法[J].電機(jī)技術(shù),2009(8):64-65.

[5] 許國(guó)清,任 鵬,倪萬(wàn)元.同步電機(jī)的噪聲治理[J].電機(jī)技術(shù),1983(2):27-29.

[6] 許國(guó)清,倪萬(wàn)元.雙龍洞水電站的噪聲治理[J].電氣應(yīng)用,1985(2):22-30.

AnalysisandSolutionsonGeneratorElectromagneticNoiseinHesheHydropowerPlant

JIANG Mei-wu, JIANG Yong

(Jiangshan Xiakou Reservior Administration Bureau, Quzhou 324116, China)

The reasons of excessive electromagnetic noise are analyzed, studied and determined on the basis of actual measurement data generated by no-load running of 3 sets of 630 kW hydraulic turbine generators in Heshe Hydropower Plant, and it is confirmed that such excessive electromagnetic noise is caused by resonance since the excitation force frequency of fields is similar to the natural frequency of generator stators. The solutions, such as installing the acoustic enclosure or transforming the magnetic pole to skewed pole, failed to achieve the expected targets. The solution of changing the generator stator slot number is applied finally after carrying out the electromagnetic calculation, which completely solves the improper matching of stator slot and rotor slot, and controls the electromagnetic noise generated by resonance due to the above-mentioned reasons within the standard range.

hydraulic generator; electromagnetic noise; frequency; resonance

2017-07-06

姜美武(1971-)，男，浙江江山人，高級(jí)工程師，從事水電站技術(shù)管理工作.

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.05.004

TM301.4

A

1008-536X(2017)05-0014-04