(東方電氣東方電機(jī)有限公司，四川 德陽 618000)

0 引 言

福建G電站為貫流式水電站，裝有兩臺(tái)國內(nèi)某公司供貨的單機(jī)容量21 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。其1號(hào)機(jī)和2號(hào)機(jī)分別于2007年7月和10月建成投產(chǎn)。兩臺(tái)機(jī)投運(yùn)以后，均存在較為嚴(yán)重的振動(dòng)及噪聲問題。對(duì)原設(shè)計(jì)氣隙中諧波的力波波譜進(jìn)行分析,得出定子16、40、64對(duì)極反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子基波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的力波是產(chǎn)生100 Hz振動(dòng)的主要原因；定子376對(duì)極反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(一階齒諧波)與轉(zhuǎn)子352對(duì)極磁場(chǎng)(11次諧波)，以及定子440對(duì)極正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(一階齒諧波)與轉(zhuǎn)子416對(duì)極磁場(chǎng)(13次諧波)相互作用產(chǎn)生的力波，是產(chǎn)生600 Hz電磁振動(dòng)的主要原因。根據(jù)上述分析結(jié)果，通過重新選擇槽數(shù)對(duì)兩臺(tái)機(jī)的定子進(jìn)行了改造，1號(hào)機(jī)已于2015年3月投入運(yùn)行。改造后的發(fā)電機(jī)徹底消除了原有電磁振動(dòng)和噪聲，定子運(yùn)行溫度也較改造前有所降低，改造效果突出。

1 原發(fā)電機(jī)參數(shù)

原發(fā)電機(jī)參數(shù)如表1如示。

2 存在的問題

G電站機(jī)組投運(yùn)后，出現(xiàn)了較大的噪聲和振動(dòng)。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，且有腳麻的感覺，其中1號(hào)機(jī)噪聲明顯比2號(hào)機(jī)大。

經(jīng)對(duì)1號(hào)機(jī)噪聲測(cè)試表明，噪聲中心頻率為630 Hz,且隨運(yùn)行負(fù)荷增加而逐步增大，其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值均在100 dB以上，遠(yuǎn)超過國家混頻標(biāo)準(zhǔn)85 dB，比同類型大10～20 dB以上，其中1號(hào)機(jī)燈泡頭入口處測(cè)量得中心頻率為100 Hz的噪聲達(dá)119.8 dB。

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

表1 原發(fā)電機(jī)參數(shù)

3 定子鐵心電磁振動(dòng)分析

3.1 力波波譜分析

電磁噪聲本質(zhì)上是由電磁振動(dòng)引起的。在分析電磁振動(dòng)之前，這里首先對(duì)磁場(chǎng)中的力波進(jìn)行分析。

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

根據(jù)定子鐵心振動(dòng)的一般規(guī)律，當(dāng)極對(duì)數(shù)為兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用時(shí)，產(chǎn)生的力波的節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)及力波頻率如表2所示。

表2 不同極對(duì)數(shù)諧波對(duì)應(yīng)的力波特性

力波節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)M越小，引起鐵心振幅越大，所以主要對(duì)力波節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)M較小的力波進(jìn)行分析。在定子端，鑒于定子基波電流頻率為50 Hz，故由于繞組空間分布引起的空間磁勢(shì)諧波頻率恒為50 Hz；在轉(zhuǎn)子端，由于磁勢(shì)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(duì)數(shù)(即50 Hz、150 Hz、250 Hz、350 Hz……)。

通過力波波譜分析可知:

1)100 Hz振動(dòng)主要由定子v1=16、40、64對(duì)極反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子基波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生；

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

3.2 100 Hz電磁振動(dòng)分析

電磁力波引起的鐵心振動(dòng)，其振動(dòng)幅值為

(1)

式中：Pn為諧波磁場(chǎng)與氣隙主磁場(chǎng)疊加，在氣隙單位面積上產(chǎn)生的徑向力，kg；M為力波節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)；f0為該力波振型的固有頻率，Hz；f為電磁激振頻率，Hz；E1為定子鐵心彈性模量。

其中固有頻率f0可按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：g為重力加速度；J1為鐵心軛部斷面慣性矩,cm4；G1為定子線圈及鐵心總重量,kg；Rj為定子磁軛的平均半徑,cm。

計(jì)算時(shí)，定子鐵心彈性模量E1的選擇是個(gè)重要的問題，它與許多因素有關(guān)。根據(jù)以往機(jī)組振動(dòng)實(shí)測(cè)值推斷，通常取E1=1.3×106kg/cm2比較合適。相關(guān)計(jì)算方法可見參考文獻(xiàn)[1]，這里不再贅述。

根據(jù)G電站提供的原廠家定子結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算出鐵心100 Hz振動(dòng)如表3所示。

從上面計(jì)算結(jié)果可知，鐵心冷態(tài)時(shí)， 100 Hz徑向振動(dòng)幅值超過國家標(biāo)準(zhǔn)允許的30 μm[3]，8對(duì)節(jié)點(diǎn)力波對(duì)應(yīng)的鐵心固有頻率87 Hz；當(dāng)鐵心處于熱態(tài)時(shí)，鐵心與機(jī)座接觸，使得鐵心剛度得到提高，從而鐵心固有頻率比較接近100 Hz激振力頻率，很容易引起鐵心共振。

3.3 600 Hz電磁振動(dòng)分析

根據(jù)波譜分析，引起600 Hz振動(dòng)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(duì)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，600 Hz振動(dòng)主要考慮定子一階齒諧波與轉(zhuǎn)子11次諧波作用結(jié)果。

通過波譜分析可知，600 Hz振動(dòng)力波節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)為24對(duì)。根據(jù)電站提供的定子結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算該力波對(duì)應(yīng)的鐵心固有頻率發(fā)現(xiàn)：M=24時(shí)定子鐵心計(jì)算固有頻率約為634 Hz，與齒諧波引起的高頻磁力激振頻率600 Hz比較接近，容易引起鐵心共振。

4 改造措施

為了減少電磁振動(dòng)，可以通過削弱次諧波幅值，或者增大力波節(jié)點(diǎn)對(duì)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(duì)稱度，從而減少繞組系數(shù)的方式解決；后者可以通過重新選槽，改變諧波極對(duì)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(shí)現(xiàn)比較困難，另外考慮到原廠家定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一些設(shè)計(jì)缺陷，因此選擇了整個(gè)定子重新設(shè)計(jì)的改造方式。

改造方案確定定子槽數(shù)由408槽更改為432槽。定子槽數(shù)的選擇主要考慮了幾個(gè)因素：首先，新槽數(shù)的選擇必須使次諧波引起的100 Hz振動(dòng)大幅度降低，而且低節(jié)點(diǎn)力波對(duì)應(yīng)的定子鐵心固有頻率遠(yuǎn)離100 Hz(一般認(rèn)為不在80～130 Hz這個(gè)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(duì)應(yīng)的鐵心固有頻率遠(yuǎn)離激振力頻率。

5 改造效果

5.1 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。按照前面介紹理論進(jìn)行力波波譜分析，改造后，占100 Hz電磁振動(dòng)比重最大的8對(duì)節(jié)點(diǎn)分量消失了，力波最低節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)由8對(duì)提高到了16對(duì)；600 Hz電磁振動(dòng)的力波節(jié)點(diǎn)數(shù)由改造前的24對(duì)節(jié)點(diǎn)提高到48對(duì)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)所提的改造思路，下面將分別計(jì)算100 Hz電磁振動(dòng)幅值以及600 Hz振動(dòng)力波對(duì)應(yīng)的定子鐵心固有頻率，以驗(yàn)證改造效果。

5.2 改造后100 Hz電磁振動(dòng)分析

改造后100 Hz電磁振動(dòng)主要由定子16、64、112對(duì)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(dòng)計(jì)算結(jié)果如表3所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，改造以后的鐵心100 Hz電磁振動(dòng)幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 2423.10-2008)規(guī)定的30 μm，達(dá)到優(yōu)良水平。

表4 改造后彈性模量E1=1.3×106 kg/cm2時(shí)鐵心振動(dòng)計(jì)算

5.3 改造后600 Hz電磁振動(dòng)分析

對(duì)于600 Hz電磁振動(dòng)，改造前主要由于激振力波對(duì)應(yīng)的鐵心固有頻率與激振力波頻率比較接近引起。改造后， 600 Hz電磁振動(dòng)主要是由定子368對(duì)極以及464對(duì)極正轉(zhuǎn)諧波(1階齒諧波) 與轉(zhuǎn)子416對(duì)極諧波相互作用產(chǎn)生的。利用式(2)計(jì)算這兩種力波對(duì)應(yīng)的鐵心固有頻率如表5所示。

表5 改造后600 Hz激振力波對(duì)應(yīng)的鐵心固有頻率

從計(jì)算結(jié)果可以看出，600 Hz激振力波對(duì)應(yīng)的鐵心固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于600 Hz，完全消除了改造前鐵心存在600 Hz共振的情況。

5.4 改造后鐵心電磁振動(dòng)電站實(shí)測(cè)值

1號(hào)機(jī)于2015年 3月 7 日下午并入系統(tǒng)運(yùn)行,并按保護(hù)、勵(lì)磁改造要求緩慢上升機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)組在升負(fù)荷運(yùn)行過程中整體振動(dòng)聲音及發(fā)電機(jī)電磁聲均正常。具體情況如表6所示。

表6 改造前后效果對(duì)比

6 結(jié) 語

振動(dòng)和噪聲是衡量發(fā)電機(jī)運(yùn)行性能的重要指標(biāo)。對(duì)于電磁振動(dòng)，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(duì)G電站定子引線端空間小，且原設(shè)計(jì)鐵心軛部偏小的特點(diǎn)，確定了重新選擇槽數(shù)的改造方案。另外還采用了增加鐵心壓緊、減少線圈、鐵心的多項(xiàng)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(dòng)噪聲大幅度減少，取得了令人滿意的效果。

[1] 白延年.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[2] 許實(shí)章.交流電機(jī)的繞組理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[3] GB/T 2423.10-2008,電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分：試驗(yàn)方法[S].