梁宇強(qiáng)，劉 政，沈 娟，鄒應(yīng)冬

（東方電機(jī)有限公司，四川省德陽市 618000）

1 概述

福建G電站為貫流式水電站，裝有2臺單機(jī)容量21MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，1號機(jī)和2號機(jī)分別于2007年7月和10月建成投產(chǎn)。兩臺機(jī)投運以后，均存在較嚴(yán)重的振動及噪聲問題。通過對原設(shè)計氣隙中諧波的力波波譜分析，得出定子16，40，64對極反轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子基波磁場相互作用產(chǎn)生的力波是產(chǎn)生100Hz振動的主要原因；定子376對極反轉(zhuǎn)磁場（一階齒諧波）與轉(zhuǎn)子352對極磁場（11次諧波），以及定子440對極正轉(zhuǎn)磁場（一階齒諧波）與轉(zhuǎn)子416對極磁場（13次諧波）相互作用產(chǎn)生的力波是產(chǎn)生600Hz的主要原因，而原設(shè)計定子鐵芯軛部剛度不足也成為電磁振動超標(biāo)的誘因之一。根據(jù)上述分析結(jié)果，我公司通過重新選擇槽數(shù)、增加鐵芯軛部剛度等措施對2臺機(jī)定子進(jìn)行了改造，1號機(jī)已于2015年3月投入運行。改造后的發(fā)電機(jī)徹底消除了原有的電磁振動和噪聲，定子運行溫度也較改造前有所降低，改造效果突出。筆者就該電站的改造思路寫成本文，可供存在類似問題的機(jī)組的改造處理提供參考。

2 原發(fā)電機(jī)參數(shù)及結(jié)構(gòu)

2.1 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

型 號：SFW21-64/6450

額定容量：23.33MVA

額定功率：21MW

額定電壓：10500V

額定功率因數(shù)：0.9

額定勵磁電壓：212V

額定勵磁電流：800A

額定頻率：50Hz

定子鐵芯內(nèi)徑：φ6000mm

定子鐵芯外徑：φ6450mm

定子鐵芯長度：1200mm

定子槽數(shù)：408

每極每相槽數(shù)：8+1/2

2.2 定子原有的結(jié)構(gòu)形式

定子采用貼壁結(jié)構(gòu)，鐵芯無徑向風(fēng)溝。鐵芯外徑與機(jī)座壁之間采用涂鋁填充傳熱。鐵芯全圓由34張12槽片疊成整圓，槽形尺寸16.6×126.6mm，鐵芯軛部（94mm）與齒部（126.6mm）比值為0.74。每張沖片采用4-M16穿芯螺桿把緊（見圖1）。沖片齒部開有通風(fēng)溝槽，用于軸向通風(fēng)冷卻定子鐵芯（見圖2），同時壓指上也開了通風(fēng)溝槽（見圖3）。

3 存在的問題

G電站機(jī)組投運后出現(xiàn)了較大的噪聲和振動。人站在封水蓋板上能夠明顯聽到機(jī)組發(fā)出“嗡嗡”的高頻聲響，而且有腳麻的感覺，其中1號機(jī)噪聲明顯比2號機(jī)要大。

圖1 改造前定子鐵芯的穿芯螺桿結(jié)構(gòu)Fig．1 Screw core structure of stator core before transformation

圖2 改造前定子鐵芯沖片F(xiàn)ig．3 Before the transformation of the stator iron core punching

圖3 改造前鐵芯端部壓板及壓指Fig．3 Before the transformation of the iron core of the end plate and pressure finger

經(jīng)對1號機(jī)噪聲測試表明，噪聲中心頻率為630Hz，并隨著運行負(fù)荷增加而逐步增大，其現(xiàn)場測量值均在100dB以上，遠(yuǎn)超過國家混頻標(biāo)準(zhǔn)85dB，比同類型大10～20dB以上，其中1號機(jī)燈泡頭入口處測量得中心頻率為100Hz的噪聲達(dá)119.8dB。

振動測試結(jié)果表明，帶負(fù)荷工況下，機(jī)座徑向振動的主要頻率為100Hz與600Hz。其中100Hz振動在燈泡頭處其振動加速度測量值為0.954m/s2，是同類型電站機(jī)組測量值0.11m/s2的8～9倍；600Hz振動加速度測量值2.29m/s2，是同類機(jī)型（福建D電站為0.328m/s2）的 6～7 倍。

4 定子鐵芯電磁振動分析

4.1 基本原理

電動機(jī)運行時，定、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生磁勢并在氣隙中建立磁場，空載運行時只有勵磁磁勢建立磁場。當(dāng)磁場交變時便產(chǎn)生作用于定子鐵芯的徑向力波，引起電磁振動。由電機(jī)學(xué)理論，氣隙磁場磁密分布是關(guān)于空間和時間的函數(shù)，可表示為：

式中Bv——諧波幅值，

v——諧波的極對數(shù)，

fv——該次諧波經(jīng)過定子的頻率，

θ——空間機(jī)械角度。

根據(jù)麥克斯韋方程，氣隙磁場的諧波分量相互作用是產(chǎn)生徑向電磁力：

由式（1）和式（2）可知，電磁力波分量也是關(guān)于空間和時間的函數(shù)，在計算電磁振動時主要考慮節(jié)點對數(shù)不為零的力波分量。電磁力波根據(jù)產(chǎn)生原因分為三類：

①由單個磁場單獨作用產(chǎn)生，電磁力波的激振頻率為2fv，節(jié)點對數(shù)為2v；

②由相同轉(zhuǎn)向兩個磁場相互作用產(chǎn)生，其中一個分量的激振頻率為fv1-fv2，對應(yīng)的節(jié)點對數(shù)v1-v2，另一分量的激振頻率為fv1+fv2，對應(yīng)的節(jié)點對數(shù)為v1+v2；

③由相反轉(zhuǎn)向兩個磁場相互作用產(chǎn)生，其中一個分量的激振頻率為fv1-fv2，對應(yīng)的節(jié)點對數(shù)v1+v2，另一分量的激振頻率為fv1+fv2，對應(yīng)的節(jié)點對數(shù)為v1-v2。

4.2 力波波譜分析

電磁噪聲本質(zhì)上是由電磁振動引起的。在分析電磁振動之前，首先對磁場中的力波進(jìn)行分析。

對于q=b+c/d的三相分?jǐn)?shù)槽繞組，其中電樞反應(yīng)磁場諧波極對數(shù)為v1=（6k1/d+1）P，（k1=0，±1，±2，...），其中負(fù)號表示反轉(zhuǎn)磁場；對于轉(zhuǎn)子磁場，由于磁極的對稱性，其磁場只存在奇次諧波，其諧波極對數(shù)為v2=（2k2+1）P，（k2=0，1，2，...）。

根據(jù)4.1的基本原理，當(dāng)極對數(shù)為v1，v2兩個磁場相互作用時，產(chǎn)生的力波的節(jié)點對數(shù)及力波頻率見表1。

表1 不同極對數(shù)諧波對應(yīng)的力波特性Tab.1 The characteristics of the force wave corresponding to different pole logarithmic harmonics

力波節(jié)點對數(shù)M越小，引起鐵芯振幅越大。因此主要對力波節(jié)點對數(shù)M較小的力波進(jìn)行分析，得到主要力波波譜見表2。表2中，在定子端，由于定子基波電流頻率為50Hz，因此由繞組空間分布引起的空間磁勢諧波頻率恒為50Hz；在轉(zhuǎn)子端，由于磁勢諧波隨著轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子諧波頻率正比于諧波極對數(shù)（即 50Hz，150Hz，250Hz，350Hz...）。

從力波波譜可以看出

（1）100Hz振動主要由定子v1=16，40，64對極反轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子基波磁場相互作用產(chǎn)生。

（2）600Hz振動主要由定子v1=376對極反轉(zhuǎn)磁場（一階齒諧波）與轉(zhuǎn)子v2=352對極磁場（11次諧波），以及v1=440對極正轉(zhuǎn)磁場（一階齒諧波）與轉(zhuǎn)子v2=416對極磁場（13次諧波）相互作用產(chǎn)生。

4.3 100Hz電磁振動分析

電磁力波引起的鐵心振動，其振動幅值為

式中Pn—— 諧波磁場與氣隙主磁場疊加，在氣隙單位面積上產(chǎn)生的徑向力，kg；

M——力波節(jié)點對數(shù)；

f0——該力波振型的固有頻率，Hz；

f——電磁激振頻率，Hz；

E1——定子鐵心彈性模量。

其中固有頻率f0可按式（4）計算

式中J1——鐵芯軛部斷面慣性矩，cm4；

G1——定子線圈及鐵芯總重量，kg；

Rj——定子磁軛的平均半徑，cm。

從上式可以看出，徑向力Pn越大，力波節(jié)點對數(shù)M越小，則振動幅值就越大，因此對于100Hz電磁振動，定子繞組諧波主要考慮轉(zhuǎn)向反轉(zhuǎn)，且與轉(zhuǎn)子基波磁場相互作用產(chǎn)生的力波節(jié)點對數(shù)最少的部分，對照表1的力波波譜可知，主要考慮的諧波為極對數(shù)P取16、40、64。

表2 改造前負(fù)載時定轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生的力波波譜Tab.2 Force wave spectrum produced by magnetic field of stator and rotor in front of load

在計算時，定子鐵芯彈性模量E1的選擇是個重要的問題，它與許多因素有關(guān)。根據(jù)以往機(jī)組振動實測值推斷，通常取E1=1.1×106kg/cm2是比較合適的。為了能夠比較全面了解該電站的鐵芯振動情況，這里 分 別 取E1=1.3×106kg/cm2，E1=0.9×106kg/cm2，E1=0.9×106kg/cm2進(jìn)行計算、比較。

另外，發(fā)電機(jī)定子鐵芯振動需分別考慮冷態(tài)和熱態(tài)兩種工況。冷態(tài)時認(rèn)為鐵芯不受機(jī)座影響而單獨振動；熱態(tài)時，鐵芯和機(jī)座合為一個自由圓環(huán)振動。相關(guān)計算方法可參考文獻(xiàn)[1]，本文不再贅述。

根據(jù)G電站提供的原定子結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算出鐵芯100Hz振動見表3～表5。

表3 電磁振動計算結(jié)果（1）Tab.3 Calculation Results of Electromagnetic Vibration（No.1）

表4 電磁振動計算結(jié)果（2）Tab.4 Calculation Results of Electromagnetic Vibration（No.2）

從上面計算結(jié)果可知，鐵芯冷態(tài)時，當(dāng)E1=1.3×106kg/cm2100Hz徑向振動幅值超過國標(biāo)允許的30μm，8節(jié)點力波對應(yīng)的鐵芯固有頻率87Hz，比較接近100Hz激振力頻率，很容易引起鐵芯共振。

表5 電磁振動計算結(jié)果（3）Tab.5 Calculation Results of Electromagnetic Vibration（No.3）

4.4 600Hz電磁振動分析

根據(jù)表1的波譜分析，引起600Hz振動的，主要是定子328極以及376極諧波與轉(zhuǎn)子352極（11次諧波）相互作用產(chǎn)生的。其中定子376對極諧波為一階齒諧波，其繞組系數(shù)與基波相同，與轉(zhuǎn)子11次諧波之間相互作用力也最大，因此，600Hz振動主要考慮定子一階齒諧波與轉(zhuǎn)子11次諧波作用結(jié)果。

通過表1波譜分析可知，600Hz振動力波節(jié)點對數(shù)為24對。根據(jù)電站提供的定子結(jié)構(gòu)參數(shù)計算該力波對應(yīng)的鐵芯固有頻率發(fā)現(xiàn)：M=24時定子鐵心計算固有頻率約為634Hz（E1=1.1×106kg/cm2），與齒諧波引起的高頻磁力激振頻率600Hz比較接近，作用于定子鐵芯時徑向振幅較大。

4.5 電磁振動分析結(jié)論

通過以上分析，可以看出100Hz電磁振動的振幅超過國標(biāo)允許值，且8節(jié)點力波對應(yīng)的鐵芯固有頻率87Hz，接近激振力頻率100Hz，而600Hz振動力波對應(yīng)的鐵芯固有頻率也接近激振力頻率，這都會引起鐵芯共振。

為了減少600Hz振動，可以改變定子鐵芯的固有頻率，使得該振型的固有頻率遠(yuǎn)離幅值較大的電磁力的激振頻率600Hz。

為了減少100Hz振動，可以通過削弱次諧波幅值，或者增大力波節(jié)點對數(shù)來減少振幅。前者可以通過改定子繞組接線，增大正負(fù)相帶不對稱度，從而諧波減少繞組系數(shù)的方式解決；后者可以通過重新選槽，改變諧波極對數(shù)解決。由于貫流機(jī)尤其是貼壁式貫流機(jī)，引線端的空間非常狹小，通過改接線的方式實現(xiàn)比較困難，另外考慮到原廠家定子結(jié)構(gòu)設(shè)計存在一些設(shè)計缺陷，因此選擇了整個定子重新設(shè)計的改造方式。

5 改造措施

改造措施主要有以下幾個：

（1）重新選擇定子槽數(shù)。定子槽數(shù)由改造前的408槽更改為432槽。定子槽數(shù)的選擇主要考慮了幾個因素：首先，新槽數(shù)的選擇必須使次諧波引起的100Hz振動大幅度降低，而且低節(jié)點力波對應(yīng)的定子鐵芯固有頻率遠(yuǎn)離100Hz（一般認(rèn)為不在80～130Hz這個范圍內(nèi)是安全的）；其次，定子一階齒諧波分量與轉(zhuǎn)子高次諧波作用引起的力波所對應(yīng)的鐵芯固有頻率遠(yuǎn)離激振力頻率。

（2）增加定子鐵芯軛齒比。原有鐵芯軛齒比偏小，只有0.74，從而使得齒部不能得到有效的壓緊，在交變電磁力作用下，齒部振動會加劇。長此以往，齒部沖片有可能會割破線棒主絕緣，造成繞組接地故障，同時齒部由于反復(fù)振動產(chǎn)生機(jī)械疲勞而斷裂。改造后軛齒比提高到0.864。

（3）改善鐵芯壓緊方式。定子鐵芯采用穿心螺桿+碟形彈簧的壓緊方式，保證鐵芯長期壓緊，補償鐵芯漆膜收縮，保證定子鐵芯長期運行而不松動；鐵芯兩端部黏結(jié)，加強(qiáng)鐵芯的整體性，從而加強(qiáng)鐵芯端部剛度，減小鐵芯振動。改造后鐵芯端部固定方式如圖4所示。

（4）降低熱負(fù)荷。改造后槽數(shù)增加，齒距變小，齒部不宜開軸向通風(fēng)溝。因此只能通過增加定子用銅量，大幅降低定子的電流密度，從而有效減低機(jī)組熱負(fù)荷。

圖4 改造后鐵芯端部固定方式Fig．4 After the iron core end fixing method

（5）降低線棒溫度。定子線棒材料采用了達(dá)到國際先進(jìn)水平的雙玻璃絲包線，為單匝桿式波繞組，并采用小于360°的換位方式；線棒擬采用VPI絕緣系統(tǒng)，主絕緣比多膠模壓系統(tǒng)減薄，這樣使得槽內(nèi)絕緣傳熱系數(shù)提高，將熱量傳遞給鐵芯，以達(dá)到降低線棒溫度的目的。

6 改造效果

6.1 改造后力波波譜分析

每極每相槽數(shù)q由改造前的2+1/8變成改造后的2+1/4，由于分母減少，因此分?jǐn)?shù)次諧波也大為減少。按照前文介紹的理論，改造后的力波波譜見表6。

表6 改造后負(fù)載時定轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生的力波波譜Tab.6 The spectrum of force wave generated by the fixed rotor magnetic field after the transformation

從上表的力波波譜可以看出，改造后，占100Hz電磁振動比重最大的8節(jié)點分量消失了，力波最低節(jié)點對數(shù)由8對提高到了16對；600Hz電磁振動的力波節(jié)點數(shù)由改造前的24對節(jié)點提高到48對節(jié)點。根據(jù)前文的改造思路，下面將分別計算100Hz電磁振動幅值，以及600Hz振動力波對應(yīng)的定子鐵芯固有頻率，以驗證改造效果。

6.2 改造后100Hz電磁振動分析

根據(jù)表6可知，100Hz電磁振動主要由定子16，64，112對極反轉(zhuǎn)諧波與轉(zhuǎn)子基波相互作用產(chǎn)生。相應(yīng)的電磁振動計算結(jié)果見表7～表9。從計算結(jié)果可以看出，改造以后的鐵芯100Hz電磁振動幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國標(biāo)規(guī)定的30μm，達(dá)到優(yōu)良水平。

6.3 改造后600Hz電磁振動分析

對于600Hz電磁振動，改造前主要由于激振力波對應(yīng)的鐵芯固有頻率與激振力波頻率比較接近引起。改造后，從表6可知，600Hz電磁振動主要是由定子368對極以及464對極正轉(zhuǎn)諧波（1階齒諧波）與轉(zhuǎn)子416對極諧波相互作用產(chǎn)生的。利用式（4）計算這兩種力波對應(yīng)的鐵芯固有頻率見表10。

表7 電磁振動計算結(jié)果（4）Tab.7 Calculation Results of Electromagnetic Vibration（No.4）

表8 電磁振動計算結(jié)果（5）Tab.8 Calculation Results of Electromagnetic Vibration（No.5）

表9 電磁振動計算結(jié)果（6）Tab.9 Calculation Results of Electromagnetic Vibration（No.6）

表10 改造后600Hz激振力波對應(yīng)的鐵芯固有頻率

從計算結(jié)果可以看出，600Hz激振力波對應(yīng)的鐵芯固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于600Hz，完全消除了改造前鐵芯存在600Hz共振的情況。

6.4 改造后鐵芯電磁振動電站實測值

1號機(jī)于2015年 3月7日下午并入系統(tǒng)運行，并按保護(hù)、勵磁改造要求緩慢上升機(jī)組負(fù)荷運行，機(jī)組在升負(fù)荷運行過程中，機(jī)組整體振動聲音及發(fā)電機(jī)電磁聲均正常。具體情況如下。

（1）“嗡嗡嗡”的電磁噪聲人耳已聽不到，與1號機(jī)改造前及未實施改造的2號機(jī)組運行聲音形成巨大反差。

（2）1號機(jī)流道蓋板處強(qiáng)烈麻腳感消失。

（3）噪聲測試情況：滿負(fù)荷工況下燈泡頭入口處上方1 m在改造前測得混頻噪聲為102.4dB，改造后測得混頻噪聲值為92.2dB。

（4）機(jī)組溫度與同工況2號機(jī)及改造前同工況1號機(jī)對照見表12，環(huán)境溫度12℃。從表11中可以看出，在相同工況下，1號機(jī)改造后定子線圈溫升、鐵芯溫升均明顯降低。

表11 1號機(jī)改造前后、2號機(jī)改造前溫升對比表

7 結(jié)束語

振動和噪聲是衡量發(fā)電機(jī)運行性能的重要指標(biāo)。對于電磁振動，一般只能通過改定子繞組接線，減少繞組系數(shù)來減少諧波幅值，但是繞組端部引線結(jié)構(gòu)復(fù)雜；或者重新選擇槽數(shù)，減少分?jǐn)?shù)次諧波的次數(shù)。針對G電站定子引線端空間小，且原設(shè)計鐵芯軛部偏小的特點，選擇了重新選擇槽數(shù)的改造方案。另外還采用了增加鐵芯壓緊、減少線圈、鐵芯的多項改造措施。由于改造方案采用的措施得當(dāng)，改造后機(jī)組的振動噪音大幅度減少，取得了令人滿意的效果。本文的分析和改造思路可為今后處理類似問題提供參考。

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