蔡文方，應(yīng)光耀，馬思聰，李衛(wèi)軍，王在華，陳 宇，施吉祥

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014，2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012）

0 引言

調(diào)相機(jī)是一種無功補(bǔ)償裝置，是運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，向電力系統(tǒng)提供或吸收無功功率的同步電機(jī)，主要用于改善電網(wǎng)功率因素，進(jìn)而維持電網(wǎng)電壓水平。其在送端電網(wǎng)直流換相失敗時(shí)可吸收過剩無功，防止系統(tǒng)電壓抬升，在受端電網(wǎng)故障時(shí)，可提供無功支撐，提高換相失敗恢復(fù)能力，具備較強(qiáng)的雙向無功調(diào)節(jié)能力，暫態(tài)次暫態(tài)特性優(yōu)，調(diào)節(jié)魯棒性好[1-7]，逐漸受到大電網(wǎng)系統(tǒng)的青睞。

調(diào)相機(jī)作為高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，同樣不可避免地存在振動(dòng)方面的問題，也有其自身特殊性，主要在于其單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，故對(duì)兩軸瓦的承載均勻性有較高要求，在振動(dòng)故障分析和措施中，調(diào)整對(duì)輪中心、抬標(biāo)高、增加承載力等火電機(jī)組常用的方法將不再適用。

本文介紹了某300 Mvar 雙水內(nèi)冷調(diào)相機(jī)在啟動(dòng)超速階段發(fā)生的嚴(yán)重油膜振蕩故障及其治理措施，大型調(diào)相機(jī)在近兩年才陸續(xù)投產(chǎn)，大部分機(jī)組還未到大修周期，振動(dòng)問題的暴露還需要一段過程，本故障過程和分析診斷對(duì)于同類故障有一定的借鑒意義。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

某300 Mvar 調(diào)相機(jī)工程1 號(hào)機(jī)組采用上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司生產(chǎn)的TTS-300-2型雙水內(nèi)冷機(jī)組，即調(diào)相機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組采用水內(nèi)冷，定子鐵芯及端部結(jié)構(gòu)件采用空氣冷卻，轉(zhuǎn)子冷卻水在出線端轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)水。機(jī)組非出線端軸承（1 號(hào)軸承）及出線端軸承（2 號(hào)軸承）均采用落地式橢圓瓦座式軸承，轉(zhuǎn)子一階、二階設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速分別為730 r/min 和2 190 r/min，轉(zhuǎn)速及鍵相信號(hào)均安裝在勵(lì)磁碳刷末端?；窘Y(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖1、表1 所示。

圖1 調(diào)相機(jī)本體示意

表1 調(diào)相機(jī)主機(jī)參數(shù)

本工程調(diào)相機(jī)采用SFC（靜態(tài)變頻器）變頻啟動(dòng)方式，2 臺(tái)調(diào)相機(jī)共用2 套變頻啟動(dòng)裝置，啟動(dòng)系統(tǒng)能在300 s 內(nèi)將調(diào)相機(jī)加速至并網(wǎng)。啟動(dòng)裝置通過變頻軟啟的方式將同步調(diào)相機(jī)啟動(dòng)到52.5 Hz 后，退出運(yùn)行；機(jī)組經(jīng)變壓器升壓到500 kV 通過GIL 分別接到換流站500 kV 系統(tǒng)上，當(dāng)調(diào)相機(jī)頻率、相位和電壓幅值由同期裝置調(diào)整到與電網(wǎng)電壓一致后，調(diào)相機(jī)投入電網(wǎng)，掛網(wǎng)工頻運(yùn)行[8-9]。

2 故障現(xiàn)象及特征

2019 年12 月26 日19:51，1 號(hào)調(diào)相機(jī)順利定速3 000 r/min，各瓦振動(dòng)良好。20:15 開始超速試驗(yàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3 100 r/min 時(shí)，機(jī)組出線端及非出線端軸振、瓦振均迅速爬升，至3 130 r/min左右，所有轉(zhuǎn)速信號(hào)報(bào)故障壞點(diǎn)，振動(dòng)最大至250 μm 以上，就地基礎(chǔ)振動(dòng)明顯，機(jī)組跳機(jī)。對(duì)機(jī)組振動(dòng)情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）機(jī)組升速至3 000 r/min 過程中振動(dòng)情況良好，軸振幅值僅40 μm 以下，實(shí)測(cè)一階臨界轉(zhuǎn)速為814 r/min（13.57 Hz），如圖2 所示；定速3 000 r/min 時(shí)振動(dòng)均在40 μm 以下，頻譜以一倍頻為主，相位穩(wěn)定。

圖2 啟機(jī)至3 000 r/min 振動(dòng)波特

（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3 100 r/min 時(shí)，振動(dòng)出現(xiàn)突增，軸振由30 μm 上升至250 μm 以上，如圖3所示，同時(shí)機(jī)組所有轉(zhuǎn)速信號(hào)失去。

圖3 故障振動(dòng)趨勢(shì)

（3）就地調(diào)相機(jī)基礎(chǔ)振動(dòng)明顯，瓦振也達(dá)到7.89 mm/s 的跳機(jī)值。

（4）機(jī)組跳機(jī)后轉(zhuǎn)子惰走至2 866 r/min 時(shí)，各轉(zhuǎn)速信號(hào)恢復(fù)，此時(shí)最大振動(dòng)為160 μm。

（5）振動(dòng)采集儀顯示，在轉(zhuǎn)速信號(hào)消失的過程中，各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)采集的頻譜成分以低頻分量為主；其中13.8 Hz 及26.3 Hz 占主要成分，以2X測(cè)點(diǎn)為例，分別達(dá)到210 μm 和52 μm，而一倍頻分量很小，僅10 μm 左右，如圖4 所示。

圖4 2X 振動(dòng)頻譜

（6）振動(dòng)突變時(shí)轉(zhuǎn)軸的間隙電壓亦變化明顯，如表3 所示；軸心位置在20 s 內(nèi)向軸承幾何中心位置變化了86 μm，如表2 所示。

表2 間隙電壓變化量

（7）機(jī)組降速過程中，臨界轉(zhuǎn)速振動(dòng)未見明顯增大，惰走時(shí)間正常。

3 診斷分析

3.1 故障診斷

振動(dòng)的異常突增且導(dǎo)致轉(zhuǎn)速信號(hào)消失，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)致使后續(xù)的電氣試驗(yàn)無法開展，現(xiàn)場(chǎng)亟待明確故障原因并實(shí)施治理。由于大振動(dòng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速信號(hào)消失，為故障的診斷帶來了一定難度和干擾。

分析認(rèn)為機(jī)組沖轉(zhuǎn)及定速3 000 r/min 過程振動(dòng)優(yōu)良，幅值、頻譜及相位均穩(wěn)定，可排除出機(jī)組不平衡、動(dòng)靜碰摩等受迫振動(dòng)故障的存在。

現(xiàn)場(chǎng)人員觀測(cè)到就地基礎(chǔ)明顯晃動(dòng)，同時(shí)認(rèn)為軸承座振動(dòng)大導(dǎo)致轉(zhuǎn)速信號(hào)消失，一度判斷可能為基礎(chǔ)發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。但經(jīng)數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，若此時(shí)發(fā)生結(jié)構(gòu)共振，必然是激振力與固有頻率重合，此時(shí)基礎(chǔ)與機(jī)組的振動(dòng)頻率主要成分應(yīng)該為運(yùn)轉(zhuǎn)頻率（1 倍頻）或接近運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，即52 Hz 左右，而實(shí)際軸承座及基礎(chǔ)振動(dòng)頻譜成分明顯以低頻分量為主，因此排除結(jié)構(gòu)共振的可能[10-11]。

進(jìn)一步分析振動(dòng)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：

（1）軸振、瓦振在短短10～20 r/min 內(nèi)急速攀升，這是明顯的突發(fā)性振動(dòng)，且轉(zhuǎn)子軸心位置向軸承幾何中心移動(dòng)，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性急劇降低。

（2）軸振、瓦振主要的低頻成分13.8 Hz，這與轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速的頻率（13.57 Hz）基本一致，同時(shí)26.3 Hz 幾乎為13.8 Hz 的2 倍，而轉(zhuǎn)子的一倍頻52.5 Hz 及二倍頻104 Hz 幅值很小，表明轉(zhuǎn)子發(fā)生了典型的低頻振動(dòng)。

（3）雖然轉(zhuǎn)速信號(hào)失去，但機(jī)組跳機(jī)惰走過程中轉(zhuǎn)速顯然是變化的，然而在該時(shí)間段內(nèi)低頻頻率成分卻沒有改變，一直保持13.6 Hz（轉(zhuǎn)子一臨界轉(zhuǎn)速），不隨轉(zhuǎn)速的改變而改變。

（4）振動(dòng)突增發(fā)生在3 100 r/min 以上，而振動(dòng)恢復(fù)轉(zhuǎn)速約在2 800 r/min 以下，即振動(dòng)的恢復(fù)轉(zhuǎn)速有明顯滯后現(xiàn)象。

綜上判斷，1 號(hào)調(diào)相機(jī)發(fā)生了嚴(yán)重的油膜振蕩故障，且振蕩頻率為轉(zhuǎn)子的一階固有頻率[12-13]。

3.2 理論分析

在實(shí)際的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，常常會(huì)受到各種各樣的擾動(dòng)。如果一個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受到擾動(dòng)，偏離了原來的平衡狀態(tài)，當(dāng)擾動(dòng)取消后，經(jīng)過一定時(shí)間，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能夠以一定的精度逐漸恢復(fù)到原來的狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。一個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)首先必須是穩(wěn)定的，才能工作，同時(shí)為了有較強(qiáng)的抗干擾能力，還要求有一定的穩(wěn)定程度，即穩(wěn)定裕度。

滑動(dòng)軸承的油膜力既是轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)阻尼的主要來源，也可能是導(dǎo)致機(jī)組穩(wěn)定性下降的重要原因。對(duì)于各種各樣的自激振動(dòng)，如果系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度足夠大，這些自激振動(dòng)就會(huì)被抑制住，不會(huì)引起大的振動(dòng)問題。相反，如果系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度不足，系統(tǒng)中隨時(shí)可能出現(xiàn)的各種自激振動(dòng)和其他擾動(dòng)會(huì)因?yàn)闆]有及時(shí)衰減而不斷累積，進(jìn)而發(fā)生低頻振動(dòng)。低頻振動(dòng)一旦發(fā)散，可引發(fā)碰摩故障，碰摩故障又會(huì)引發(fā)基礎(chǔ)或零部件松動(dòng)、動(dòng)平衡被破壞等一系列故障；而振動(dòng)幅值增加，也會(huì)反過來使轉(zhuǎn)子軸頸在軸承中浮得更高，系統(tǒng)穩(wěn)定裕度進(jìn)一步下降[14-17]。

油膜振蕩屬典型的自激振動(dòng)，其發(fā)生的主要原因是由于轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度偏低，因此，立足于提升軸承穩(wěn)定裕度是消除油膜振蕩有效手段。

根據(jù)軸承的無量綱承載系數(shù)：

式中：W 為轉(zhuǎn)子作用在軸承上的載荷；ψ 為間隙比；μ 為潤(rùn)滑油動(dòng)力粘度；U 為軸徑切向速度；L為軸徑長(zhǎng)度；Pm為比壓；Ω 為轉(zhuǎn)速。

任何一個(gè)因素的變化都會(huì)影響到油膜的動(dòng)特性。機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)選用的軸徑工作點(diǎn)還會(huì)因?yàn)橹圃旃に嚲取F(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)的剛度、安裝時(shí)中心標(biāo)高和運(yùn)行參數(shù)等條件而出現(xiàn)差異，因而這些方面都會(huì)同樣影響到機(jī)組的穩(wěn)定性。從理論上講，增加承載、增大比壓、減小潤(rùn)滑油動(dòng)力粘度、增大軸徑的偏心率等措施都可以用來提高軸承的穩(wěn)定性。

4 故障的抑制與治理

4.1 在線抑制

在明確故障原因后，現(xiàn)場(chǎng)需采取快速、有效的治理措施來抑制油膜振蕩，以保證后續(xù)電氣試驗(yàn)順利進(jìn)行。而改變軸承參數(shù)、承載等均需要機(jī)組轉(zhuǎn)為檢修狀態(tài)，調(diào)試工期已經(jīng)不允許。通過上述理論分析可知，現(xiàn)場(chǎng)可采取通過提升潤(rùn)滑油溫來降低潤(rùn)滑油粘度，提升油膜剛度，以此來增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

通過電加熱器及潤(rùn)滑油泵循環(huán)，將潤(rùn)滑油箱油溫均勻加熱，控制潤(rùn)滑油進(jìn)油溫度為50 ℃以上。制定基于振動(dòng)預(yù)警的升速方案，即：手動(dòng)控制SFC 階梯式拖轉(zhuǎn)調(diào)相機(jī)升速，期間嚴(yán)密監(jiān)測(cè)調(diào)相機(jī)軸振、瓦振及基礎(chǔ)振動(dòng)。同時(shí)，過程中確定48 ℃為保證機(jī)組不發(fā)生油膜振蕩的臨界油溫，順利將調(diào)相機(jī)超速控制在3 150 r/min，各瓦振動(dòng)40 μm 以下，取得顯著效果，如表3 所示。

4.2 軸瓦檢修

為解決該調(diào)相機(jī)工程1 號(hào)機(jī)組油膜振蕩的故障，根據(jù)前期原因分析及處理措施，于2020 年3月15 日開始進(jìn)行翻瓦檢查，軸承各安裝參數(shù)均符合要求，如表4 所示。

表3 治理前后振動(dòng)對(duì)比

表4 軸瓦間隙復(fù)測(cè)值

非出線端軸瓦解體時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸頸整圈有明顯凹槽，凹槽寬度約為2 mm、深度約0.20 mm，凹槽邊緣有輕微凸抬和毛刺。下軸瓦烏金面的一側(cè)油囊邊緣有磨損現(xiàn)象，寬度約為2 mm，有毛刺和凸臺(tái)，凸臺(tái)高度約為0.10 mm，油潭位置有細(xì)小的金屬碎削及顆粒物，如圖5 所示。

圖5 軸瓦損傷痕跡

根據(jù)異物嵌入的位置，基本可確定是通過頂軸油管道進(jìn)入軸承內(nèi)。高壓頂軸油模塊解體后亦發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有細(xì)小雜質(zhì)，結(jié)合前期故障現(xiàn)象及分析，有理由懷疑非出線端止回閥是因雜質(zhì)卡澀而導(dǎo)致其不能完全關(guān)閉，致使非出線端高壓頂軸油止回閥失效，潤(rùn)滑油沿頂軸油管泄漏。其勢(shì)必對(duì)油膜的建立有擾動(dòng)，也不利于油膜的穩(wěn)定。同時(shí)，軸瓦烏金面損傷位于軸承工作面中心地帶，也對(duì)穩(wěn)定油膜的建立造成影響。

4.3 驗(yàn)證及治理

軸承復(fù)裝后，為驗(yàn)證油膜振蕩的根本原因，安排以下試驗(yàn)：

（1）當(dāng)控制潤(rùn)滑油進(jìn)油溫度為40 ℃時(shí)，SFC拖動(dòng)直接升速，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至2 960 r/min 時(shí)，13.33 Hz 振動(dòng)分量突增，機(jī)組跳機(jī)，油膜振蕩發(fā)生。

（2）當(dāng)控制潤(rùn)滑油進(jìn)油溫度為48 ℃以上時(shí)，SFC 拖動(dòng)直接升速至2 960 r/min 時(shí)，機(jī)組振動(dòng)40 μm 以下，油膜振蕩未發(fā)生。

（3）控制潤(rùn)滑油進(jìn)油溫度為40 ℃左右，機(jī)組升速，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過620 r/min 頂軸油泵自動(dòng)停運(yùn)后，關(guān)閉高壓頂軸油模塊截止閥，機(jī)組升速至3 150 r/min 時(shí)，未發(fā)生油膜振蕩，如圖6 所示。

圖6 關(guān)閉高壓頂軸油模塊截止門沖轉(zhuǎn)Bode 圖

綜上，可判斷高壓頂軸油模塊逆止門存在泄漏，致使機(jī)組高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，不能建立穩(wěn)定的油膜，系統(tǒng)穩(wěn)定性裕度降低，從而導(dǎo)致油膜振蕩故障的發(fā)生，而軸瓦損傷并不是根本原因。提高潤(rùn)滑油溫可增加油膜的穩(wěn)定性，抵消因泄漏而降低的穩(wěn)定裕度，故前期在線提升油溫也取得了抑制振動(dòng)發(fā)散的效果。

基于此，5 月6 日，將1 號(hào)調(diào)相機(jī)出線端和非出線端均重新?lián)Q上新的高壓潤(rùn)滑油模塊，控制潤(rùn)滑油溫度40 ℃/45 ℃分別直接啟機(jī)至3 150 r/min，未發(fā)生油膜振蕩。至此，該故障得到徹底解決。

5 結(jié)語

油膜振蕩的發(fā)生表明轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度較小，以轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論為指導(dǎo)，現(xiàn)場(chǎng)提升潤(rùn)滑油進(jìn)油溫度是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性最快捷、有效的辦法。本文確定的48 ℃臨界油溫，有效抑制了油膜振蕩的發(fā)生，為調(diào)試機(jī)組保的后續(xù)電氣試驗(yàn)的開展和整體工程進(jìn)度贏得時(shí)間，也對(duì)今后同類機(jī)組的安全運(yùn)行具有一定的借鑒意義。

高壓頂軸油模塊逆止門不嚴(yán)造成潤(rùn)滑油泄露，必然導(dǎo)致油膜壓力不穩(wěn)甚至破裂，在工程上需引起重視，對(duì)于調(diào)試機(jī)組或檢修機(jī)組，要確保前期油管路沖洗潔凈度，做好油質(zhì)化驗(yàn)、逆止門嚴(yán)密性試驗(yàn)等。