小灣水電廠發(fā)電機定子振動原因及改進(jìn)措施

趙曉嘉，郭耀先，龔登位（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南　大理 675702）

小灣水電廠發(fā)電機定子振動原因及改進(jìn)措施

趙曉嘉，郭耀先，龔登位
（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南大理 675702）

小灣水電廠機組運行期間，發(fā)電機定子機架、定子鐵芯水平振動值偏大。發(fā)電機運行、檢修及振動試驗表明，引起定子振動的原因是發(fā)電機轉(zhuǎn)子不圓度以及部分機組偏心較大造成氣隙不均，勵磁磁勢作用下產(chǎn)生的交變力波作用在定子鐵芯后，引發(fā)定子低頻電磁振動。針對上述原因，制定了后續(xù)處理方案。

發(fā)電機；定子；轉(zhuǎn)子；低頻振動；不圓度；小灣水電站

小灣水電廠共裝設(shè)6臺機組，額定功率為700 MW，型號SF700-40/12770，由哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司、阿爾斯通（瑞士）有限責(zé)任公司、天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司聯(lián)合體供貨。

1　發(fā)電機運行數(shù)據(jù)

1.1定子機座與鐵芯振動值

根據(jù)GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》及合同要求，小灣水電廠機組啟動期間定子鐵芯處定子機座部件上任一點測得的預(yù)計最大振動峰-峰值（0.5～5 Hz水平分量，即轉(zhuǎn)頻分量）不大于0.1 mm，正常負(fù)荷下定子機架水平振動及定子鐵芯振動不大于0.03 mm。

各臺機組投產(chǎn)以來，發(fā)電機定子機架、定子鐵芯等部位振動幅值運行趨勢穩(wěn)定。各機組在700 MW有功負(fù)荷下定子機座與鐵芯的振動值見表1。

從表1可知，機組運行期間，除定子鐵芯垂直振動值外，定子機架、定子鐵芯水平振動值均偏大［1］，全部超過標(biāo)準(zhǔn)及合同要求，部分振動值已超過振動一級報警定值（120 μm）。

1.2定子水平振動頻譜

各臺發(fā)電機定子機架、鐵芯水平振動頻譜趨勢相近，都屬于1倍頻、2倍頻的低頻振動。以5號發(fā)電機為例，其定子水平振動頻譜見圖1。

1.3定、轉(zhuǎn)子氣隙偏差

水灣水電站發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子空氣間隙設(shè)計值為34 mm。各機組在700 MW有功負(fù)荷下運行時，機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中定、轉(zhuǎn)子氣隙測量數(shù)據(jù)見表2。從表2可知，各臺機組運行過程中存在明顯的氣隙偏差［2］。

表1　各機組定子機座與鐵芯振動值μm

圖1　5號發(fā)電機定子水平振動頻譜

表2　各機組運行時定、轉(zhuǎn)子氣隙

1.4定、轉(zhuǎn)子圓度

各機組在700 MW有功負(fù)荷下運行時，機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中定、轉(zhuǎn)子不圓度見表3。從表3可知，3、5、6號發(fā)電機轉(zhuǎn)子不圓度明顯偏大，且有較大的偏心。

表3　各機組運行時定、轉(zhuǎn)子不圓度

2　發(fā)電機定子低頻振動原因分析

為改善發(fā)電機定子振動情況，小灣水電廠制訂了詳細(xì)的特維方案，加強運行監(jiān)視與專項檢查。此外，還積極組織主機廠家和相關(guān)單位進(jìn)行振動試驗，對發(fā)電機定子振動偏大原因進(jìn)行分析。

2.1機組振動試驗結(jié)論

2011年10月13日及11月10日，5號機組進(jìn)行了2次振動試驗；2012年3月21日，4號機組進(jìn)行了1次振動試驗。

試驗發(fā)現(xiàn)，機組空轉(zhuǎn)時定子機架振動幅值較小，可排除機械因素，包括轉(zhuǎn)子動不平衡引起的振動；并網(wǎng)后改變機組有功負(fù)荷，定子機架振動變化不明顯，說明其受水力因素影響較小；空轉(zhuǎn)后隨著勵磁電流的增加，振動幅值逐漸增大，主要頻率為1倍頻和2倍頻，波形均勻，諧波成分少，認(rèn)為由電氣因素造成定子機座振動的可能性較大［3］。初步分析結(jié)論為：因轉(zhuǎn)子偏心導(dǎo)致定子振動較大［4］，改善轉(zhuǎn)子圓度并減少轉(zhuǎn)子偏心，可減小定子振動振幅［5］。

2.2定子剛度

相對于運行水頭相近的同容量機組來說，小灣水電廠發(fā)電機定子具有支臂數(shù)目較少、高度較高、環(huán)板數(shù)量較少、采用斜支臂柔性結(jié)構(gòu)等特點。有限元計算分析發(fā)現(xiàn)，雖然定子機座的徑向剛度比同容量機組弱，但由于定子鐵芯剛度在定子總體剛度中占主導(dǎo)地位，定子整體的徑向剛度相差并不大［6］。因此，定子結(jié)構(gòu)型式并不是產(chǎn)生振動的主要因素。

2.3轉(zhuǎn)子圓度變化

發(fā)電機轉(zhuǎn)子圓度在運行過程中會產(chǎn)生變化，主要由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、安裝過程中打鍵產(chǎn)生虛空及安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求較低所至。

2.3.1磁軛結(jié)構(gòu)

發(fā)電機磁軛采用帶通風(fēng)溝的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子尺寸較高，裝壓后磁軛軸向剛度不均勻，影響整體壓緊效果，機組過速后磁軛會產(chǎn)生不可恢復(fù)的較大變形，轉(zhuǎn)子支架和磁軛之間原打鍵緊量將大大減少，易造成轉(zhuǎn)子偏心，轉(zhuǎn)子不圓度增大。

轉(zhuǎn)子磁軛拉緊螺桿外徑為φ55，磁軛墊片的拉緊螺桿孔直徑為φ55.25，兩者之間存在間隙。發(fā)電機運行過程中，也會導(dǎo)致磁軛在正常運行、過速過程中產(chǎn)生向外的形變。

轉(zhuǎn)子磁軛緊量設(shè)計值為單邊3 mm。結(jié)合運行中氣隙測值、檢修期間轉(zhuǎn)子直徑測值、磁軛鍵附近間隙值等數(shù)據(jù)可知，目前磁軛單邊緊量僅剩1 mm。因此，需要在機組大修期間根據(jù)磁軛圓度計算分配墊片尺寸，重新打緊磁軛，使其單邊緊量達(dá)到2.5～3 mm。

2.3.2磁極鍵結(jié)構(gòu)

發(fā)電機磁極鍵采用鴿尾打鏈條鍵結(jié)構(gòu)，斜向打緊固定，易造成磁極鍵虛打緊，產(chǎn)生松動。機組過速后，磁軛存在殘余變形，沖片切向產(chǎn)生錯牙，也易造成磁極鍵松動。因此，磁極鍵在安裝時，要嚴(yán)格保證安裝質(zhì)量，否則易造成磁極鍵松動，導(dǎo)致機組運行時轉(zhuǎn)子動態(tài)不圓度增大。

2012年～2013年機組檢修結(jié)束后，各機組磁極半徑偏差及各機組在700 MW有功負(fù)荷運行時定子機座振動與轉(zhuǎn)子不圓度對比見表4。從表4可知，3、5號機組磁極半徑偏差較小，但機組運行后定子機座振動最大，轉(zhuǎn)子不圓度較大，說明機組檢修過程中存在磁極鍵虛打緊引起松動的情況。

從部分磁極處氣隙值隨機組轉(zhuǎn)速變化的趨勢可看出，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速達(dá)到85%后，磁極處的發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子氣隙值下降趨勢明顯加劇，說明此時已經(jīng)出現(xiàn)磁極與磁軛脫離現(xiàn)象。磁極調(diào)整墊片還會隨著運行時間的增長逐漸外移，在轉(zhuǎn)動離心力和磁力作用下，過長的轉(zhuǎn)子磁極調(diào)整墊片貼在磁極繞組內(nèi)側(cè)造成轉(zhuǎn)子接地，給機組的安全穩(wěn)定運行造成極大危害。

2.3.3磁極結(jié)構(gòu)

磁極采用鐵芯直接疊片結(jié)構(gòu)，在吊裝、運輸過程中容易變形，難以保證設(shè)計要求的形位公差，磁極出現(xiàn)弓形，容易形成二次氣隙。

2.3.4檢修控制質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

DL/T 817—2002《立式水輪發(fā)電機檢修技術(shù)規(guī)程》要求：“轉(zhuǎn)子磁極圓度、各半徑與平均半徑之差，不應(yīng)大于設(shè)計空氣間隙值的±5%”。小灣水電廠發(fā)電機設(shè)計空氣間隙為34 mm，Q/HNXW—J 3301—2012《水輪發(fā)電機組及其附屬設(shè)備檢修調(diào)試驗收質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱“檢修質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”）中轉(zhuǎn)子圓度控制標(biāo)準(zhǔn)為±1.36 mm合格、±1.02 mm優(yōu)良，優(yōu)于DL/T 817—2002的要求，但與部分同容量機組相比，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)仍偏低，這也是造成轉(zhuǎn)子圓度值偏大的原因之一。因此，小灣水電廠檢修質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)需要繼續(xù)提高。

表4　各機組磁極半徑偏差及定子機座振動與轉(zhuǎn)子不圓度對比

2.4定子低頻振動原因

結(jié)合機組振動試驗及定子剛度計算分析結(jié)果得出，造成小灣水電廠發(fā)電機定子低頻振動的原因為轉(zhuǎn)子不圓及定、轉(zhuǎn)子偏心引起氣隙不均，機組運行過程中在勵磁磁勢作用下，氣隙中會產(chǎn)生一系列的低次諧波磁場，這些諧波磁場與主波磁場相互作用產(chǎn)生力波，這些變化的力作用在定子鐵芯上，引發(fā)定子低頻電磁振動。因此，要減少發(fā)電機定子振動，需改善轉(zhuǎn)子圓度，減少轉(zhuǎn)子偏心度。

3　改進(jìn)措施

針對發(fā)電機定子低頻振動原因，小灣水電廠在2012年～2013年機組檢修期間參照檢修質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)（±1.02 mm）的要求，對1、2、6號發(fā)電機轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行了處理。其中，1號機組處理了8、12、13、14、15、16號共6個磁極，2號機組處理了12、24、28、34號磁極共4個磁極，6號機組處理了1、3、6號共3個磁極。以1號機組為例，轉(zhuǎn)子圓度處理前、后對比見表5。

表5　1號發(fā)電機轉(zhuǎn)子圓度處理前、后對比　mm

1號發(fā)電機轉(zhuǎn)子圓度處理前、后定子振動數(shù)據(jù)對比見圖2。從圖2可知，轉(zhuǎn)子圓度按照相關(guān)要求調(diào)整后，定子機架及鐵芯水平振動情況有所改善。

圖2　1號機組檢修前、后發(fā)電機定子機架及鐵芯振動對比

根據(jù)轉(zhuǎn)子圓度處理效果，制定以下定子振動后續(xù)處理方案：

（1）提高檢修質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，最大限度減小轉(zhuǎn)子的不圓度。將轉(zhuǎn)子半徑的最大值與最小值之差控制在0.8 mm以內(nèi)，將上導(dǎo)、水導(dǎo)軸承盤車數(shù)據(jù)凈擺度在一個方向上的最大差值控制在0.08 mm以內(nèi)。

（2）在機組大修期間吊出轉(zhuǎn)子，將磁軛鍵重新熱打緊到3 mm，重新掛裝磁極，增加0.1 mm厚的超薄磁極鍵調(diào)整墊片，以確保打緊磁極鍵，消除離心力引起的磁極膨脹量。打緊磁極鍵時，要嚴(yán)格控制質(zhì)量，防止出現(xiàn)虛打緊現(xiàn)象。

利用機組大修機會，要進(jìn)行以下工作：

（1）對機組軸線進(jìn)行檢查、調(diào)整、處理，使機組軸線、機組旋轉(zhuǎn)中心線盡量接近機組中心線，減小由于各導(dǎo)軸承擺度過大引起的機械振動。

（2）對定子鐵芯拉緊螺桿、定子機座基礎(chǔ)螺栓、上下機架基礎(chǔ)螺栓進(jìn)行檢查和緊固。

（3）對磁軛鍵松動情況及磁極調(diào)整墊片伸出情況進(jìn)行檢查。

（4）對定子圓度進(jìn)行測量，并與安裝時、上次檢修測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

（5）機組進(jìn)行過速試驗后，對所有磁極鍵進(jìn)行打緊并更換磁極鍵壓蓋螺栓。

（6）轉(zhuǎn)子圓度及偏心度處理后，對機組振動改善情況進(jìn)行評價，確定是否需要進(jìn)行定子圓度處理。

（7）結(jié)合機組檢修，在1、3、5、6號機組檢修前，提前進(jìn)行機組動平衡試驗。根據(jù)動平衡測量數(shù)據(jù)，對上導(dǎo)擺度和機架振動情況進(jìn)行處理，并檢驗電廠在線監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

（8）在機組檢修后，對機組振動相關(guān)數(shù)據(jù)，如機組盤車數(shù)據(jù)、機組圓度、機組各導(dǎo)軸承間隙、機組運行后的瓦溫、導(dǎo)軸承擺度、各機架振動、定子鐵芯振動等數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，檢查機組檢修效果。

［1］富丹華，呂建平，徐偉.水輪發(fā)電機組及輔助設(shè)備運行與維修［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2005.

［2］李源，陳昌林.氣隙不均勻?qū)D(zhuǎn)子系統(tǒng)振動特性影響的初步研究［J］.東方電機，2010，76（4）：63-68.

［3］郭丹，何永勇，褚福磊.不平衡磁拉力及對偏心轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動的影響［J］.工程力學(xué)，2003，20（2）：116-121.

［4］諸嘉慧，邱阿瑞.大型水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子偏心磁場的計算［J］.大電機技術(shù)，2007，201（3）：1-4.

［5］周理兵，馬志云.大型水輪發(fā)電機不同工況下不平衡磁拉力［J］.大電機技術(shù)，2002，176（2）：26-29.

［6］姜培，林虞烈.電機不平衡磁拉力及其剛度的計算［J］.大電機技術(shù)，1998，148（4）：32-34.

（責(zé)任編輯楊健）

Stator Vibration Reason Analyses and Improvements of Generators in Xiaowan Hydropower Station

ZHAO Xiaojia，GUO Yaoxian，GONG Dengwei
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

The horizontal vibrations of stator frame and core of generators are larger than standard values in operation period of Xiao wan ltydropower Plant.The operation，maintenance and vibration tests show that the vibration of generator stator is caused by larger out-of-roundness of rotor and/or uneven gap between stator and rotor aroused by the eccentricity of rotor.These defects lead to the low-frequency electromagnetic vibration of stator under the action of excitation alternating forces.According to the reason analyses，the corresponding treatment programs are developed.

generator；stator；rotor；low-frequency vibration；out-of-roundness；Xiaowan Hydropower Station

TK730.7（274）

A

0559-9342（2015）10-0047-04

2015-07-27

趙曉嘉（1987—），男，河南靈寶人，工程師，主要從事水電廠生產(chǎn)技術(shù)管理工作.