水輪發電機定轉子變形評價方法研究

張建國

（廣東省水電集團有限公司，廣東 廣州 511341）

水輪發電機定轉子變形評價方法研究

張建國

（廣東省水電集團有限公司，廣東 廣州 511341）

水輪發電機組定子、轉子的各類變形會導致氣隙發生變化，進而破壞原機組的磁路線，形成電磁振動，使機組的運行工況惡化。提出用于評價轉子機械變形、定子熱變形和結構變形的量化評價指標，變形評價應用實例證明，利用這些量化指標并結合趨勢分析技術，研究定子、轉子變形與振動的關系，可以及早發現水輪發電機定子、轉子故障。

水輪發電機；定子；轉子；機械變形；熱變形；結構變形；評價方法

水輪發電機組定子、轉子的變形，會破壞原機組的磁路線，有可能形成磁振動，從而增大機組振動，惡化機組運行工況。如果機組長期處在這種工況下運行，其結構可能受到破壞，并誘發其他事故【1】。

隨著國內水輪發電機組狀態監測技術的發展，作為其重要組成部分的發電機氣隙動態測量技術也同步得到了推廣和應用。但國內外的監測技術，都是將氣隙監測和機組振動監測完全分開，并且氣隙測量單元主要集中在機組運行保護和瞬時的轉子磁極伸長、相對偏心及圓度的分析和診斷上，很少涉及對定子、轉子變形的分析。本文利用氣隙測量系統采集得到的數據，結合水輪發電機組的運行特點和故障機理提出用于評價轉子機械變形、定子熱變形和結構變形的量化評價參數，利用這些參數并結合趨勢分析技術，可以及早地發現故障。

1 發電機定子、轉子評價指標的建立

1.1 建立定子、轉子變形評價指標的基本思路

在直角坐標系中，縱坐標為氣隙的位移值，橫坐標為磁極個數。圖1為某電站2號機在空載額定轉速工況時（不加勵磁）傳感器測得發電機轉子磁極間隙平面曲線展開圖【2】。

圖1 轉子磁極形狀

圖2 發電機特征圖

圖2為2號機在同樣工況時1號傳感器、1號磁極下發電機定、轉子圓度特征圖。從圖1、圖2中可以得到該工況下轉子的圓度、偏心距、偏心角以及最大、最小氣隙值和氣隙發生的部位。

這里的定子圓度是相對某一特定的磁極而言的；轉子圓度系相對某一特定的傳感器而言的，特定的磁極（或傳感器）可以在數據分析中選擇，如圖2中選1號磁極（傳感器）。這里采用最小二乘圓法（也稱平均圓法）確定動態定子、轉子的圓度誤差，當所測得的輪廓曲線上的各點至某一圓的距離平方和為最小時，該圓即為最小二乘圓。設輪廓曲線上的各點｛直角坐標為（xi，yi，），根據所測氣隙值及相應磁極方位角求得｝至該圓圓心（直角坐標為（a、b）的最大距離為Rmax，最小距離為Rmin，其中：

1.2 定、轉子變形評價指標的建立[3]

通過以上3組參數的持續監測和跟蹤，反映出由于設計原因導致發電機定子剛度不夠，從而引起緩慢的不一致變形，而通過對定子中心的相對偏移值及方位的監測，可以區分定子位移和定子不一致變形。

2 變形評價應用實例

2.1 轉子機械變形分析評價實例

表1是某水電廠1號機（機組額定轉速136.4r/min，容量300MW）某次開機升速過程各測點氣隙變化過程情況。

?

根據表1得到：該機組轉子機械變形量為：

△Aj=37.198-35.286=1.912mm；轉子機械變形不均勻度為：△Ajdiff=2.155-1.527=0.628mm。

按照實際的測點方位（本文略去），根據表1數據計算出來的轉子回轉中心偏移值為0.66mm,而偏心方位為83.5°（以+X方向為0°，按照逆時針方向旋轉）。

需要說明的是，由于該機組磁極是浮動式安裝，故而在升速過程中轉子的伸長變形很大，這在常規的中小型機組中少見的，并且機組在升速過程中存在回轉中心偏心現象，這一點在該機組的擺度測點測量數據中也得到了驗證。

長期監測和跟蹤機械變形量及均勻度的變化，對于發現該機組是否存在磁極/磁軛松脫故障是非常有幫助的。

2.2 定子熱變形分析評價實例

表2是某水電廠2號機（機組額定轉速88r/min，額定出力83MW，設計氣隙16mm）某次開機并網后溫升過程各測點氣隙變化情況。

表2幾個典型時刻下測量得到的數據單位：mm序號 時間 +X向氣隙值 -Y向氣隙值 +Y向氣隙值 -X向氣隙值 平均氣隙12009-01-05T09：4015.59516.23914.48416.43715.68922009-01-05T10∶4015.97916.65614.86516.82816.08232009-01-05T11∶4616.09516.87414.99416.98916.23942009-01-05T12∶4616.15716.91514.97917.06316.27852009-01-05T13∶0616.16916.92914.97517.07916.28862009-01-05T13∶2616.17516.93114.97217.08916.29272009-01-05T13∶4616.1816.93914.96717.09516.29582009-01-05T14∶0616.18216.94514.96117.09716.29692009-01-05T14∶2616.17716.93814.95117.10116.291102009-01-05T14∶4616.17916.93814.94617.116.291112009-01-05T15∶0616.19516.93814.94617.10916.302氣隙增大量 0.60.6990.4620.6720.613

根據表2數據可以計算得到，該機組定子熱變形量△Arf=0.613mm；該機組定子熱變形不均勻度為：△Ardiff=0.699-0.462=0.227mm。

按照實際的測點方位（本文略），根據表2數據計算出的由于熱變形引起的定子幾何中心偏移值為0.248mm，偏心方位為252°（以+X方向為0°，按照逆時針方向旋轉）。

相對于該機組16mm的平均氣隙，其定子熱變形量達到平均氣隙的3.8%，不同方位的熱變形不均勻度約為其平均熱變形值的37%。

2.3 定子結構變形分析評價實例

表3是2號機各測點的變形量及定子結構總變形量的長時趨勢曲線，采用相同機組功率、近似勵磁電流條件下的數據。

?

從表3可知：

（1）機組在熱穩定后，仍然存在較大的變形（最大值的平均變形量為0.79mm）；

（2）定子不同方位的變形趨勢并不一致，總體而言，+X、-X、+Y近似一致，而-Y的變形趨勢與其他方位完全相反。

（3）定子不同方位的變形量并不完全相同，總體而言+Y方向變形量較大（最大為縮小1.24mm），最小為-Y方位（最大為縮小0.35mm）。

（4）定子變形的不均勻度為1.42mm,這個數據已經接近平均氣隙的9%。

由此基本可以確定該機組定子存在較為嚴重的不一致變形，該變形會導致較大的氣隙不勻，從而引起磁拉力不平衡的增加，導致機組振動、擺度加大。現場測試證明，該機組的機架振動從2004年4月開始后，持續增大，達到了250μm，嚴重超標，最終不得不停機檢查。

3 結論

在狀態監測系統中，利用氣隙測量系統測量得到的基本數據，計算上述評價參數指標，并對這些量化的指標進行長期的跟蹤分析，可以直觀和有效地分析和評價轉子機械變形、定子熱變形、定子結構變形等故障及其發展趨勢，并實現故障早期預警。另一方面，由于大型水輪發電機組的結構復雜，影響因素多，對深層故障機理的研究還很不夠，為了提高故障診斷準確率，有必要對深層故障機理進行廣泛研究，建立更多的評價方法。

[1]馬震岳，董毓新.水電站機組及廠房振動的研究與治理[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[2]劉曉亭，李維藩.水力機組現場測試手冊[M].北京：水利電力出版社，1993.

[3]馬震岳，董毓新.水輪發電機組動力學[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

TM303.3

A

1672-5387（2011）02-0010-04

2011-01-14

張建國（1966-），男，高級工程師，從事水電站機電安裝技術、管理工作。