嚴永堂

摘要：水輪發(fā)電是將水能轉(zhuǎn)換成電能的重要裝置，如今隨著科技的進步，水輪發(fā)電的發(fā)展非常迅速，但水輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行更顯得重要，尤其是水輪發(fā)電機的工作過程中會由于機組、水力和電流的原因而產(chǎn)生振動，引起噪音的產(chǎn)生，對水輪發(fā)電機組的運行構(gòu)成威脅。該文主要是研究水輪發(fā)電機在電磁振動方面的內(nèi)容，分析其所帶來的影響，并追根溯源，找到導致電磁振動的原因，進而研究能夠減少振動的對策，做好噪聲改造工作，為水輪發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行提供有力保障。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機;電磁振動;噪聲

1 電磁振動的原因

水輪發(fā)電機組發(fā)生電磁振動，大多是因為在其設(shè)計、制造或安裝過程中出現(xiàn)電磁力不平衡、參數(shù)匹配不恰當?shù)?。其中主要的原因可以概括為以下五點：第一，轉(zhuǎn)子圓度不符合要求或者轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中心偏離定子的中心。第二，因為受力不平衡，而導致的發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分振動，并且該振動的振動幅度會隨著勵磁電流的增大而不斷增大。第三，在電路出現(xiàn)短路的情況時，很有可能會使得某些磁極的磁動勢減小，但是與其相對應(yīng)的磁極的磁動勢并沒有隨之發(fā)生變化，那么就會出現(xiàn)一個跟轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的輻向不平衡的電磁力，從而導致轉(zhuǎn)子振動。第四，定子鐵芯松動或者定子鐵芯組合之間的縫隙大小發(fā)生改變，而誘發(fā)的振動會因為機組轉(zhuǎn)速的變化而相應(yīng)的發(fā)生變化，這時的振動頻率幾乎電流頻率成倍數(shù)關(guān)系。第五，假如定子繞組固定得不夠牢固，機組和繞組在電磁負荷比較高的時候，將出現(xiàn)不同頻率的振動，并且該振動頻率會因為機組轉(zhuǎn)速和電磁負荷的變化而不斷變化。

2 電磁振動的影響

機械在運轉(zhuǎn)過程中經(jīng)常會由于內(nèi)部組件的摩擦而產(chǎn)生振動，也會由于內(nèi)部的氣流或是電磁力的引力而導致振動，這些振動難以消除，但是在一定程度上是可以進行控制的。眾所周知，機械的振動會對水輪發(fā)電機組自身安全運行造成極大的危險。同樣，水輪發(fā)電機產(chǎn)生的電磁振動，也會造成很大的影響。一方面是振動所引起的噪聲影響。噪聲會對環(huán)境造成破壞，屬于聲污染，會對周圍工作人員尤其是對運行值班人員的的身體健康產(chǎn)生很大的影響。另一方面是振動對水輪發(fā)電機的危害性很大，嚴重影響到水輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行，這個是最為重要的一個方面，不可忽視。

3 水輪發(fā)電機電磁振動及噪聲的分析和改造案例研究

3.1 案例概況

高橋灣水電站裝有兩臺水輪發(fā)電機機組，兩臺新機組投運試運行時發(fā)現(xiàn)，機組在空轉(zhuǎn)試運行時機組運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，機組振動值0.04mm，軸瓦溫度均穩(wěn)定在40℃左右，符合規(guī)范要求。1號水輪發(fā)電機組帶上勵磁建立電壓后，水輪發(fā)電機出現(xiàn)明顯的振動，振動值達到0.08mm，已超過規(guī)范標準，同時水輪發(fā)電機發(fā)出的噪聲出現(xiàn)異常變大，噪聲值達到68dB左右，所有軸瓦的穩(wěn)定基本上上升了5℃左右。機組帶負荷后，隨著負荷的不斷增加，振動值也加劇，最大值達到0.16mm，噪聲也變大，噪聲值達到108dB左右，軸瓦溫度達60℃以上。2號水輪發(fā)電機組帶上勵磁建立電壓后，水輪發(fā)電機出現(xiàn)明顯的振動，振動值達到0.09mm，已超過規(guī)范標準，同時水輪發(fā)電機發(fā)出的噪聲出現(xiàn)異常變大，噪聲值達到72dB左右，所有軸瓦的穩(wěn)定基本上上升了8℃左右。機組帶負荷后，隨著負荷的不斷增加，振動值也加劇，最大值達到0.21mm，噪聲也變大，噪聲值達到115dB左右，軸瓦溫度達60℃以上，從兩臺水輪發(fā)電機組空轉(zhuǎn)到空載再到帶負荷試驗情況來分析，機組出現(xiàn)此異?，F(xiàn)象來分析可得：一是兩臺機組振動、軸瓦溫度升高及噪音超標沒有因轉(zhuǎn)速的變化而發(fā)生變化，從理論上可以排除因機械受力不均、轉(zhuǎn)動部分動不平衡而引起的機組振動、噪音超標及軸瓦溫度偏高的原因。二是兩臺水輪發(fā)電機機組振動、噪音及軸瓦溫度隨著發(fā)電機勵磁建電壓及帶負荷的增加而發(fā)生變化，且振動、噪音都超過規(guī)范標準，機組的軸瓦溫度也達到60℃以上，致使兩臺水輪發(fā)電機無法正常運行，從這些分析可得機組振動、噪音超標，軸瓦溫度偏高的主要原因發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子之間的電磁場不平衡引起的。通過對原設(shè)計氣隙中諧波的力波波譜進行分析得出定子18繞組產(chǎn)生的反轉(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36繞組產(chǎn)生反轉(zhuǎn)磁場（一階齒諧波）與轉(zhuǎn)子35對極磁場（11次諧波）相互作用產(chǎn)生的力波，是產(chǎn)生500Hz電磁振動的主要原因。

3.2 存在的問題

高橋灣水電站機組投運后出現(xiàn)了較大的噪聲和振動，發(fā)電機及軸瓦溫度也發(fā)生變化。其中1號機噪聲明顯比2號機要大。

經(jīng)對1號機噪聲測試表明，噪聲中心頻率為580Hz，并隨著運行負荷增加而逐步增大，其現(xiàn)場測量值均在1O8dB以上，遠超過國家混頻標準85dB，比同類型大10～20dB以上，

振動測試結(jié)果表明，帶負荷工況下，機座徑向振動的主要頻率為100Hz與500Hz。其中100Hz振動在發(fā)電機定子外殼處其振動加速度測量值為0.784m/sz，是同類型電站機組測量值0.11m/sz的7倍;500Hz振動加速度測量值1.89m/s2，是同類機型（電站為0.328m/s2）的6倍。

3.3 定子鐵心電磁振動分析

3.3.1 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，這里首先對磁場中的力波進行分析。對于q=b+c/d的三相分數(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)定子鐵心振動的一般規(guī)律，當極對數(shù)為兩個磁場相互作用時，產(chǎn)生的力波的節(jié)點對數(shù)及力波頻率如表1所示。

力波節(jié)點對數(shù)M越小，引起鐵心振幅越大，所以主要對力波節(jié)點對數(shù)M較小的力波進行分析。在定子端，鑒于定子基波電流頻率為50Hz，故由于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……）。

通過力波波譜分析可知：1）100Hz振動主要由定子v1=12、30、51對極反轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子基波磁場相互作用產(chǎn)生;2）500Hz振動主要由定子v1=276對極反轉(zhuǎn)磁場（一階齒諧波）與轉(zhuǎn)子v2=288對極磁場（11次諧波），以及v1=340對極正轉(zhuǎn)磁場（一階齒諧波）與轉(zhuǎn)子v2=316對極磁場（13次諧波）相互作用產(chǎn)生。

3.3.2 500Hz電磁振動分析

根據(jù)波譜分析，引起500Hz振動的，主要是定子228極以及296極諧波與轉(zhuǎn)子252極（11次諧波）相互作用產(chǎn)生的。其中定子296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，500Hz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。通過波譜分析可知，500Hz振動力波節(jié)點對數(shù)為20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)的鐵心固有頻率發(fā)現(xiàn)：M=20時定子鐵心計算固有頻率約為534Hz，與齒諧波引起的高頻磁力激振頻率500Hz比較接近，容易引起鐵心共振。

3.4 改造措施

3.4.1 重新選擇定子槽數(shù)

定子槽數(shù)由改造前的380槽更改為392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離100Hz（一般認為不在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)的鐵芯固有頻率遠離激振力頻率。

3.4.2 增加定子鐵芯軛齒比

原有鐵芯軛齒比偏小，只有0.72，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)生機械疲勞而斷裂。改造后軛齒比提高到0.864。

3.4.3 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)，加強鐵芯的整體性，從而加強鐵芯端部剛度，減小鐵芯振動。

總之，隨著社會的進步，人民對社會日益增長的用電需求，水輪發(fā)電的發(fā)展突發(fā)猛進，水輪發(fā)電正向超大型水輪發(fā)電機組發(fā)展，但水輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行更顯得重要，而干擾水輪發(fā)電機組運行和發(fā)電性能的主要原因就是機組的振動問題。引起水輪發(fā)電機組振動的原因極其復(fù)雜，其中電磁振動是常見的故障之一。機組電磁振動嚴重時會導致水輪發(fā)電機組無法正常運行，也可能使得機組結(jié)構(gòu)部件受到損壞，也會產(chǎn)生電磁振動產(chǎn)生噪音，甚至可能發(fā)生重大安全事故。

參考文獻：

[1] 王玲花.水輪發(fā)電機組振動及分析[M].鄭州：黃河水利出版社，2011.

[2] 黃長征，李錦.水輪發(fā)電機組振動技術(shù)研究[J].韶關(guān)學院學報，2013，（12）.

[3] 劉華庚.淺析水輪發(fā)電機組振動的原因及危害[J].甘肅科技，2012，26（7）.